数学分析复习总结 (Zusammenfassungen)
0. 保守场的证明 (Konservatives Vektorfeld)
定义
向量场 f:R3→R3 是保守场,当且仅当存在势函数 φ 使得:
f=∇φ=grad φ
判定准则 (Potentialkriterium)
对于向量场:
f=f1f2f3
充要条件:旋度为零 ∇×f=0,即:
⎩⎨⎧∂x2∂f3=∂x3∂f2∂x3∂f1=∂x1∂f3∂x1∂f2=∂x2∂f1
保守场的性质
- 路径无关性:曲线积分 ∫Cf⋅ds 只依赖于起点和终点
- 闭合路径积分为零:∮Cf⋅ds=0
- 势函数差:∫Cf⋅ds=φ(B)−φ(A)
0.1 行列式的计算 (Determinante)
2×2 行列式
det(acbd)=ad−bc
3×3 行列式(Sarrus 规则)
deta11a21a31a12a22a32a13a23a33
=a11a22a33+a12a23a31+a13a21a32−a13a22a31−a11a23a32−a12a21a33
记忆方法:主对角线三项为正,副对角线三项为负
拉普拉斯展开(按行/列展开)
按第 i 行展开:
det(A)=j=1∑n(−1)i+jaijMij
其中 Mij 是去掉第 i 行第 j 列后的余子式。
例子:按第一行展开
det(A)=a11a22a32a23a33−a12a21a31a23a33+a13a21a31a22a32
性质
- 交换两行/列,行列式变号
- 某行/列乘以常数 k,行列式乘以 k
- 有两行/列相同或成比例,行列式为 0
- det(AB)=det(A)⋅det(B)
- det(AT)=det(A)
0.2 矩阵的计算 (Matrizenrechnung)
矩阵乘法
(AB)ij=∑k=1naikbkj
注意:AB=BA(一般不可交换)
矩阵的逆 (Inverse Matrix)
若 det(A)=0,则 A 可逆。
2×2 矩阵的逆:
(acbd)−1=ad−bc1(d−c−ba)
验证:AA−1=E(单位矩阵)
特征值和特征向量 (Eigenwerte und Eigenvektoren)
Av=λv
求解步骤:
- 求特征多项式:det(A−λE)=0
- 解方程得特征值 λ1,λ2,...
- 对每个 λi,求解 (A−λiE)v=0 得特征向量
矩阵的秩 (Rang)
通过高斯消元法化为行阶梯形,非零行的数量即为秩。
性质:Rang(A)=n⇔det(A)=0(满秩)
1. 求势函数 (Potential ermitteln)
前提条件
向量场 f=f1f2f3 必须是保守场(验证旋度为零)
方法:逐步积分法
步骤:
第一步:对 ∂x∂φ=f1 关于 x 积分
φ=∫f1(x,y,z)dx+g(y,z)
其中 g(y,z) 是关于 y,z 的待定函数。
第二步:利用 ∂y∂φ=f2 确定 g(y,z)
∂y∂[∫f1dx+g(y,z)]=f2
⇒∂y∂g=f2−∂y∂∫f1dx
积分得:
g(y,z)=∫(f2−∂y∂∫f1dx)dy+h(z)
第三步:利用 ∂z∂φ=f3 确定 h(z)
∂z∂φ=f3
解出 h′(z),积分得 h(z)=∫h′(z)dz+C
最终:φ(x,y,z)=... (取 C=0)
验证
检查 ∇φ=f:
- ∂x∂φ=f1 ✓
- ∂y∂φ=f2 ✓
- ∂z∂φ=f3 ✓
2. 求曲线长度 (Kurvenlänge)
参数曲线的弧长
给定曲线 r(t)=x(t)y(t)z(t),t∈[a,b]
弧长公式:
L=∫ab∥r′(t)∥dt=∫ab[x′(t)]2+[y′(t)]2+[z′(t)]2dt
平面曲线(笛卡尔坐标)
若 y=f(x),x∈[a,b]:
L=∫ab1+[f′(x)]2dx
极坐标曲线
若 r=r(θ),θ∈[α,β]:
L=∫αβr2+(dθdr)2dθ
计算步骤
- 参数化曲线(如果尚未参数化)
- 求导数 r′(t)
- 计算模长 ∥r′(t)∥
- 积分
例子:螺旋线
曲线 r(t)=costsintt,t∈[0,2π]
r′(t)=−sintcost1
∥r′(t)∥=sin2t+cos2t+1=2
L=∫02π2dt=22π
3. 求体积/面积(二重积分)(Doppelintegral)
直角坐标系
区域 D 上的二重积分:
∬Df(x,y)dA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y)dydx
或者
=∫cd∫h1(y)h2(y)f(x,y)dxdy
面积:A=∬D1dA
体积(曲顶柱体):V=∬Df(x,y)dA(其中 z=f(x,y)≥0)
极坐标系
变换:x=rcosθ,y=rsinθ
雅可比行列式:∂(r,θ)∂(x,y)=r
∬Df(x,y)dxdy=∫αβ∫r1(θ)r2(θ)f(rcosθ,rsinθ)⋅rdrdθ
计算步骤
- 画出积分区域 D
- 确定积分限(可能需要分成多个子区域)
- 选择坐标系:
- 计算积分
例子:圆盘的面积
区域:D={(x,y):x2+y2≤R2}
极坐标:0≤r≤R,0≤θ≤2π
A=∬D1dA=∫02π∫0Rrdrdθ=∫02π2R2dθ=πR2
体积(三重积分)
V=∭V1dV=∭Vdxdydz
4. 标量的曲线积分 (Kurvenintegral erster Art)
定义
沿曲线 C 对标量函数 f 的积分(第一类曲线积分):
∫Cfds=∫abf(r(t))∥r′(t)∥dt
其中:
- r(t) 是曲线的参数表示,t∈[a,b]
- ds=∥r′(t)∥dt 是弧长微元
物理意义
- 质量:线密度为 ρ(x,y,z) 的曲线质量 m=∫Cρds
- 重心坐标:xˉ=m1∫Cxρds
- 平均值:fˉ=L1∫Cfds(L 为曲线长度)
计算步骤
- 参数化曲线 r(t),t∈[a,b]
- 计算 r′(t) 和 ∥r′(t)∥
- 代入 f(r(t))
- 计算积分 ∫abf(r(t))∥r′(t)∥dt
性质
- 与路径方向无关(标量积分)
- 可加性:∫C1+C2fds=∫C1fds+∫C2fds
例子:
f(x,y)=xy,沿半圆 r(t)=(costsint),t∈[0,π]
r′(t)=(−sintcost),∥r′(t)∥=1
f(r(t))=costsint
∫Cxyds=∫0πcostsint⋅1dt=∫0π21sin2tdt=[−41cos2t]0π=0
5. 曲面积分求面积 (Oberflächeninhalt)
参数曲面的面积
给定曲面 r(u,v)=x(u,v)y(u,v)z(u,v),(u,v)∈D
面积公式:
A=∬D∂u∂r×∂v∂rdudv
显式曲面 z=f(x,y)
参数化:r(x,y)=xyf(x,y)
∂x∂r×∂y∂r=−fx−fy1
A=∬D1+fx2+fy2dxdy
计算步骤
- 参数化曲面 r(u,v)
- 求偏导数 ru=∂u∂r,rv=∂v∂r
- 计算叉积 ru×rv
- 计算模长 ∥ru×rv∥
- 二重积分
例子:球面面积
球面 x2+y2+z2=R2
球坐标参数化:
r(θ,ϕ)=RsinϕcosθRsinϕsinθRcosϕ
其中 0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π
计算得:∥rθ×rϕ∥=R2sinϕ
A=∫02π∫0πR2sinϕdϕdθ=2πR2⋅2=4πR2
6. 已知路径求曲线积分 (Kurvenintegral zweiter Art)
向量场的曲线积分(第二类曲线积分)
∫Cf⋅ds=∫abf(r(t))⋅r′(t)dt
分量形式
∫Cf⋅ds=∫C(f1dx+f2dy+f3dz)
计算方法
方法一:直接参数化计算(适用于所有情况)
- 参数化路径 r(t)=x(t)y(t)z(t),t∈[a,b]
- 计算 r′(t)=x′(t)y′(t)z′(t)
- 计算 f(r(t))=f1(x(t),y(t),z(t))f2(x(t),y(t),z(t))f3(x(t),y(t),z(t))
- 计算点积 f(r(t))⋅r′(t)
- 积分 ∫ab[f(r(t))⋅r′(t)]dt
方法二:势函数法(仅适用于保守场)
前提:先验证 f 是保守场(旋度为零)
步骤:
- 求势函数 φ(使 ∇φ=f)
- 计算 φ(B)−φ(A)(A 是起点,B 是终点)
∫Cf⋅ds=φ(B)−φ(A)
性质
- 与路径方向相关:∫−Cf⋅ds=−∫Cf⋅ds
- 保守场的路径无关性
物理意义
- 功:力场 F 沿路径 C 做的功 W=∫CF⋅ds
- 环流量:闭合路径的积分 ∮Cf⋅ds
例子一(直接法):
f=(yx),沿直线从 (0,0) 到 (1,1)
参数化:r(t)=(tt),t∈[0,1]
r′(t)=(11)
f(r(t))=(tt)
f⋅r′=t⋅1+t⋅1=2t
∫Cf⋅ds=∫012tdt=[t2]01=1
例子二(势函数法):
f=2x+4xzz22x2+2yz+3z2,从 P(0,0,0) 到 Q(1,1,2)
验证保守场(旋度为零)✓
势函数:φ(x,y,z)=x2+2x2z+yz2+z3
∫Cf⋅ds=φ(Q)−φ(P)=17−0=17
7. 求通量 Φ (Fluss)
定义
向量场 f 通过定向曲面 S 的通量:
Φ=∬Sf⋅dA=∬Sf⋅ndS
其中:
- n 是单位法向量
- dA=ndS 是定向面积微元
- dS 是面积微元
参数曲面的通量
给定 r(u,v),(u,v)∈D
法向量:N=∂u∂r×∂v∂r(未归一化)
Φ=∬Df(r(u,v))⋅(∂u∂r×∂v∂r)dudv
显式曲面 z=g(x,y)
参数化:r(x,y)=xyg(x,y)
法向量(向上):N=−gx−gy1
对于 f=PQR:
Φ=∬D(−Pgx−Qgy+R)dxdy
或写成:
Φ=∬Df(x,y,g(x,y))⋅−gx−gy1dxdy
计算步骤
- 参数化曲面(或识别显式曲面)
- 计算法向量 N=ru×rv(注意方向!)
- 代入向量场 f(r(u,v))
- 计算点积 f⋅N
- 二重积分
高斯散度定理 (Gaußscher Integralsatz)
对于封闭曲面 S 包围体积 V(法向量向外):
∬Sf⋅dA=∭V∇⋅fdV
其中散度:
∇⋅f=∂x∂f1+∂y∂f2+∂z∂f3
物理意义
- 流体流量:速度场 v 通过曲面的体积流量
- 电通量:电场 E 通过曲面的通量
- 热流:热流密度 q 通过曲面的热量
注意事项
⚠️ 法向量方向:
- 开放曲面:题目会指定方向(向上、向外等)
- 封闭曲面:通常取向外的法向量
例子一:平面区域
f=00z,通过平面 z=1,x2+y2≤1(向上)
曲面可视为 z=g(x,y)=1,gx=gy=0
f(x,y,1)=001
Φ=∬D(0⋅0−0⋅0+1)dxdy=∬D1dxdy=π⋅12=π
例子二:球面(用高斯定理)
f=xyz,通过球面 x2+y2+z2=R2(向外)
散度:∇⋅f=1+1+1=3
Φ=∭V3dV=3⋅34πR3=4πR3
梯度、散度、旋度
梯度(标量函数 → 向量场):
∇f=grad f=∂x∂f∂y∂f∂z∂f
散度(向量场 → 标量函数):
∇⋅f=div f=∂x∂f1+∂y∂f2+∂z∂f3
旋度(向量场 → 向量场):
∇×f=curl f=i∂x∂f1j∂y∂f2k∂z∂f3
=∂y∂f3−∂z∂f2∂z∂f1−∂x∂f3∂x∂f2−∂y∂f1
三大积分定理
1. 格林公式 (Greenscher Satz)(平面曲线积分→二重积分)
∮C(Pdx+Qdy)=∬D(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
2. 斯托克斯定理 (Stokesscher Satz)(空间曲线积分→曲面积分)
∫Cf⋅ds=∬S(∇×f)⋅dA
3. 高斯定理 (Gaußscher Satz)(曲面积分→三重积分)
∬Sf⋅dA=∭V(∇⋅f)dV
坐标变换
极坐标(平面):
x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθ
柱坐标:
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z,dV=rdrdθdz
球坐标:
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
dV=ρ2sinϕdρdϕdθ
常用积分
∫r1+r2dr=21∫1+r2d(1+r2)=32×21(1+r2)23+C=31(1+r2)23+C
∫sinxdx=−cosx+C
∫cosxdx=sinx+C
∫eaxdx=a1eax+C
∫x1dx=ln∣x∣+C
∫xndx=n+1xn+1+C(n=−1)
常见题型总结
类型一:判断保守场
方法:验证 ∇×f=0
类型二:求势函数
方法:逐步积分法(见第1节)
类型三:计算曲线积分
- 保守场 → 势函数法
- 非保守场 → 参数化直接计算
- 闭合曲线 → 格林公式或斯托克斯定理
类型四:计算曲面积分(通量)
- 简单曲面 → 直接参数化
- 封闭曲面 → 高斯定理(散度定理)
类型五:计算面积/弧长
- 曲线长度 → ∫∥r′(t)∥dt
- 曲面面积 → ∬∥ru×rv∥dudv
类型六:计算体积
- 简单区域 → 直角坐标
- 圆形/球形 → 极坐标/球坐标
- 旋转体 → 柱坐标