配套K12微积分下册主要知识点.docx

配套K12微积分下册主要知识点.docx

《配套K12微积分下册主要知识点.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《配套K12微积分下册主要知识点.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

配套K12微积分下册主要知识点

微积分下册主要知识点

　　二、平面图形的面积

　　直角坐标系下平面图形的面积极坐标系下平面图形的面积

　　1曲边扇形的面积微元dA[r]2d

　　21所求曲边扇形的面积A[]2d.

　　2三、旋转体：

一个平面图形绕这平面内一条直线旋转一周而成的立体称为旋转体.这条直线称为旋转轴.

　　旋转体的体积微元dV[f（x）]2dx,所求旋转体的体积Vba[f（x）]dx.

　　2四、平行截面面积为已知的立体的体积：

如果一个立体不是旋转体，但却知道该立体上垂直于一定轴的各个截面面积，那么，这个立体的体积也可用定积分来计算.

　　体积微元dVA（x）dx,所求立体的体积VbaA（x）dx.

　　积分在经济分析的应用空间解析几何简介一、空间直角坐标系

　　在平面解析几何中，我们建立了平面直角坐标系，并通过平面直角坐标系，把平面上的点与有序数组（即点的坐标（x,y））对应起来.同样，为了把空间的任一点与有序数组对应起来，我们来建立空间直角坐标系.

　　过空间一定点O,作三条相互垂直的数轴，依次记为x轴、y轴、z轴，统称为坐标轴.它们构成一个空间直角坐标系Oxyz.空间直角坐标系有右手系和左手系两种.我们通常采用右手系.

　　二、空间两点间的距离

　　|M1M2|（x2x1）（y2y1）（z2z1）.

　　222三曲面及其方程

　　定义1在空间直角坐标系中，如果曲面S上任一点坐标都满足方程F（x,y,z）0，而不在曲面S上的任何点的坐标都不满足该方程，则方程F（x,y,z）0称为曲面S的方程,而曲面S就称为方程F（x,y,z）0的图形

　　空间曲面研究的两个基本问题是:

（1）已知曲面上的点所满足的几何条件，建立曲面的方程;

（2）已知曲面方程，研究曲面的几何形状.平面

　　平面是空间中最简单而且最重要的曲面.可以证明空间中任一平面都可以用三元一次

　　方程

　　AxByCzD0　　

　　来表示，反之亦然.其中A、B、C、D是不全为零常数.方程称为平面的一般方程.

　　柱面

　　定义2平行于某定直线并沿定曲线C移动的直线L所形成的轨迹称为柱面.这条定曲线C称为柱面的准线,动直线L称为柱面的母线.

　　二次曲面

　　在空间直角坐标系中，我们采用一系列平行于坐标面的平面去截割曲面，从而得到平面与曲面一系列的交线，通过综合分析这些截痕的形状和性质来认识曲面形状的全貌.这种研究曲面的方法称为平面截割法，简称为截痕法.

　　椭球面

　　xa22yb22zc2221（a0,b0,c0）　　

　　椭圆抛物面zx2p2y22q2

　　双曲抛物面x2p22y2q2z（p与q同号）

　　单叶双曲面

　　xaxa22ybyb222zczc221（a0,b0,c0）

　　222222　　双叶双曲面1（a0,b0,c0）

　　二次锥面

　　xaybzc220（a0,b0,c0）

　　多元函数的基本概念

　　一、平面区域的概念：

内点、外点、边界点、开集、连通集、区域、闭区域　　二、二元函数的概念

　　定义1设D是平面上的一个非空点集，如果对于D内的任一点（x,y），按照某种法则f，都有唯一确定的实数z与之对应，则称f是D上的二元函数，它在（x,y）处的函数值记为f（x,y），即zf（x,y），其中x，y称为自变量，z称为因变量.点集D称为该函数的定义域，数集{z|zf（x,y）,（x,y）D}称为该函数的值域.

　　类似地，可定义三元及三元以上函数.当n2时,n元函数统称为多元函数.　　二元函数的几何意义

　　三、二元函数的极限

　　定义2设函数zf（x,y）在点P0（x0,y0）的某一去心邻域内有定义，如果当点P（x,y）无限趋于点P0（x0,y0）时，函数f（x,y）无限趋于一个常数A，则称A为函数zf（x,y）当

　　（x,y）（x0,y0）时的极限.记为

　　xx0yy0limf（x,y）A.

　　或　　f（x,y）A也记作

　　limf（P）A或f（P）A（PP0）

　　PP0二元函数的极限与一元函数的极限具有相同的性质和运算法则，在此不再详述.为了区别于一元函数的极限，我们称二元函数的极限为二重极限.

　　四、二元函数的连续性

　　定义3设二元函数zf（x,y）在点（x0,y0）的某一邻域内有定义，如果

　　xx0yy0limf（x,y）f（x0,y0）,

　　则称zf（x,y）在点（x0,y0）处连续.如果函数zf（x,y）在点（x0,y0）处不连续，则称函数zf（x,y）在（x0,y0）处间断.

　　与一元函数类似，二元连续函数经过四则运算和复合运算后仍为二元连续函数.x和y的基本初等函数经过有限次的四则运算和复合所构成的可用一个式子表示的二元函数称为二元初等函数.一切二元初等函数在其定义区域内是连续的.这里定义区域是指包含在定义域内的区域或闭区域.利用这个结论，当要求某个二元初等函数在其定义区域内一点的极限时，只要算出函数在该点的函数值即可.

　　特别地，在有界闭区域D上连续的二元函数也有类似于一元连续函数在闭区间上所满足的定理.下面我们不加证明地列出这些定理.

　　定理1在有界闭区域D上的二元连续函数,在D上至少取得它的最大值和最小值各一次.

　　定理2在有界闭区域D上的二元连续函数在D上一定有界.定理3在有界闭区域D上的二元连续函数,若在D上取得两个不同的函数值,则它在D上取得介于这两值之间的任何值至少一次.偏导数

　　一、偏导数的定义及其计算法

　　定义1设函数zf（x,y）在点（x0,y0）的某一邻域内有定义,当y固定在y0而x在x0处有增量x时,相应地函数有增量

　　f（x0x,y0）f（x0,y0）,

　　如果limf（x0x,y0）f（x0,y0）xzxxx0yy0x0存在,则称此极限为函数zf（x,y）在点（x0,y0）处

　　对x的偏导数,记为

　　,fxxx0yy0,zxxx0yy0或fx（x0,y0）.

　　例如，有

　　fx（x0,y0）limf（x0x,y0）f（x0,y0）xx0.

　　类似地，函数zf（x,y）在点（x0,y0）处对y的偏导数为

　　limf（x0,y0y）f（x0,y0）yy0,

　　记为

　　zyxx0yy0,fyxx0yy0,zyxx0yy0或fy（x0,y0）.

　　上述定义表明，在求多元函数对某个自变量的偏导数时,只需把其余自变量看作常数，然后直接利用一元函数的求导公式及复合函数求导法则来计算之.　　二、关于多元函数的偏导数，补充以下几点说明：

　　dy对一元函数而言，导数可看作函数的微分dy与自变量的微分dx的商.但偏导

　　dxu数的记号是一个整体.

　　x　　与一元函数类似，对于分段函数在分段点的偏导数要利用偏导数的定义来求.

　　在一元函数微分学中，我们知道，如果函数在某点存在导数，则它在该点必定连续.但对多元函数而言，即使函数的各个偏导数存在，也不能保证函数在该点连续.

　　例如，二元函数

　　xy,（x,y）（0,0）22f（x,y）xy

　　0,（x,y）（0,0）在点（0,0）的偏导数为

　　fx（0,0）limf（0x,0）f（0,0）xf（0,0y）f（0,0）yx0lim0x0yx00,

　　fy（0,0）limy0limx00.

　　但从上节例5已经知道这函数在点（0,0）处不连续.

　　三、偏导数的几何意义

　　设曲面的方程为zf（x,y），M0（x0,y0,f（x0,y0））是该曲面上一点，过点M0作平面yy0，截此曲面得一条曲线，其方程为

　　zf（x,y0）yy0则偏导数fx（x0,y0）表示上述曲线在点M0处的切线M0Tx对x轴正向的斜率.同

　　理，偏导数fy（x0,y0）就是曲面被平面xx0所截得的曲线在点M0处的切线M0Ty对y轴正向的斜率.

　　四、偏导数的经济意义

　　设某产品的需求量QQ（p,y）,其中p为该产品的价格,y为消费者收入.记需求量Q对于价格p、消费者收入y的偏改变量分别为

　　pQQ（pp,y）Q（p,y）,

　　和　　yQQ（p,yy）Q（p,y）.

　　pQp易见，表示Q对价格pp变到pp的平均变化率.而

　　QplimpQpp0

　　表示当价格为p、消费者收入为y时,Q对于p的变化率.称

　　Eplim为需求Q对价格p的偏弹性.同理。

　　yQypQ/Qp/pQppQp0

　　表示Q对收入yy变到yy的平均变化率.而

　　QylimyQyy0

　　表示当价格p、消费者收入为y时,Q对于y的变化率.称　　EylimyQ/Qy/yQyyQy0

　　为需求Q对收入y的偏弹性.　　

　　五、科布-道格拉斯生产函数

　　在商业与经济中经常考虑的一个生产模型是科布-道格拉斯生产函数

　　p（x,y）cxya1a,c0且0a1。

　　其中p是x个人力单位和y个资本单位生产处的产品数量。

偏导数

　　px和py

　　分别称为人力的边际生产力和资本的边际生产力。

　　六、高阶偏导数

　　设函数zf（x,y）在区域D内具有偏导数

　　zxzy　　

　　fx（x,y）,fy（x,y）,

　　则在D内fx（x,y）和fy（x,y）都是x、y的函数.如果这两个函数的偏导数存在，则称它们是函数zf（x,y）的二阶偏导数.按照对变量求导次序的不同，共有下列四个二阶偏导数：

　　zzfxx（x,y）,2xxx2zzfxy（x,y）,yxxy222zzzzfyx（x,y）,fyy（x,y）,2xyyxyyy其中第二、第三两个偏导称为混合偏导数.

　　类似地，可以定义三阶、四阶、以及n阶偏导数.我们把二阶及二阶以上的偏导数统称为高阶偏导数.

　　定理1如果函数zf（x,y）的两个二阶混合偏导数

　　zyx2及

　　zxy2在区域D内连续,则

　　在该区域内有

　　zyx2zxy2.

　　全微分

　　一、微分的定义

　　定义1如果函数zf（x,y）在点（x,y）的全增量

　　zf（xx,yy）f（x,y）

　　可以表示为

　　zAxByo,　　

　　其中A,B不依赖于x,y而仅与x,y有关,（x）（y）,则称函数zf（x,y）在点

　　22（x,y）可微分,AxBy称为函数zf（x,y）在点（x,y）的全微分,记为dz,即

　　dzAxBy.　　

　　若函数在区域D内各点处可微分，则称这函数在D内可微分.

　　二、函数可微的条件

　　定理1（必要条件）如果函数zf（x,y）在点（x,y）处可微分,则该函数在点（x,y）的zz必存在,且zf（x,y）在点（x,y）处的全微分,xyzxzy偏导数

　　dzxy.　　

　　我们知道，一元函数在某点可导是在该点可微的充分必要条件.但对于多元函数则不然.定理1的结论表明，二元函数的各偏导数存在只是全微分存在的必要条件而不是充分条件.　　此可见，对于多元函数而言，偏导数存在并不一定可微.因为函数的偏导数仅描述了函数在一点处沿坐标轴的变化率，而全微分描述了函数沿各个方向的变化情况.但如果对偏导数再加些条件，就可以保证函数的可微性.一般地，我们有：

　　定理2（充分条件）如果函数zf（x,y）的偏导数点处可微分.

　　三、微分的计算

　　习惯上，常将自变量的增量x、y分别记为dx、dy，并分别称为自变量的微分.这样，函数zf（x,y）的全微分就表为

　　zxzyzz在点（x,y）连续,则函数在该,xydzdxdy.　　

　　上述关于二元函数全微分的必要条件和充分条件，可以完全类似地推广到三元及三元以上的多元函数中去.例如，三元函数uf（x,y,z）的全微分可表为

　　uxuyuzdudxdydz.　　

　　四、全微分在近似计算中的应用

　　设二元函数zf（x,y）在点P（x,y）的两个偏导数fx（x,y）,fy（x,y）连续,且|x|,|y|都较小时,则根据全微分定义，有

　　zdz

　　即　　zfx（x,y）xfy（x,y）y.

　　zf（xx,yy）f（x,y），即可得到二元函数的全微分近似计算公式

　　f（xx,yy）f（x,y）fx（x,y）xfy（x,y）y

　　复合函数微分法与隐函数微分法

　　一、多元复合函数微分法

　　1．复合函数的中间变量为一元函数的情形

　　设函数zf（u,v）,uu（t）,vv（t）构成复合函数zf[u（t）,v（t）]

　　公式中的导数

　　dzdtdzdtzduudtzdvvdt.　　

　　称为全导数.

　　2、复合函数的中间变量为多元函数的情形

　　设zf（u,v）,uu（x,y）,vv（x,y）构成复合函数zf[u（x,y）,v（x,y）],

　　zxzyzuuxzuuyzvvxzvvy,　　

　　,　　

　　3、复合函数的中间变量既有一元也有为多元函数的情形

　　定理3如果函数uu（x,y）在点（x,y）具有对x及对y的偏导数,函数vv（y）在点函数zf（u,v）在对应点（u,v）具有连续偏导数,则复合函数zf[u（x,y）,v（y）]y可导。

　　在对应点（x,y）的两个偏导数存在,且有

　　zxzyzuuxzuuy,　　zdvvdy.　　

　　注：

这里

　　zx与

　　fx是不同的。

　　zx是把复合函数zf[u（x,y）,x,y]中的y看作不变而

　　zyfy对x的偏导数，fx是把函数zf（u,x,y）中的u及y看作不变而对x的偏导数.与

　　也有类似的区别.

　　在多元函数的复合求导中，为了简便起见，常采用以下记号:

　　f1f（u,v）u,f2f（u,v）v,f12f（u,v）uv2,

　　这里下标1表示对第一个变量u求偏导数，下标2表示对第二个变量v求偏导数，同理有

　　,f22,等等.f11

　　二、全微分形式的不变性

　　根据复合函数求导的链式法则，可得到重要的全微分形式不变性.以二元函数为例，设

　　zf（u,v）,uu（x,y）,vv（x,y）

　　是可微函数，则全微分定义和链式法则，有

　　dzzxdxzuzvzuzvdydydxyuxvxuyvyzzvzuuvdxdydxdyvxuxyyzduzvdv.

　　u此可见，尽管现在的u、v是中间变量，但全微分dz与x、y是自变量时的表达式在形式上完全一致.这个性质称为全微分形式不变性.适当应用这个性质，会收到很好的效果.

　　三、隐函数微分法

　　在一元微分学中，我们曾引入了隐函数的概念，并介绍了不经过显化而直接方程

　　F（x,y）0　　

　　来求它所确定的隐函数的导数的方法.这里将进一步从理论上阐明隐函数的存在性，并通过多元复合函数求导的链式法则建立隐函数的求导公式，给出一套所谓的“隐式”求导法.

　　定理4设函数F（x,y）在点P（x0,y0）的某一邻域内具有连续的偏导数,且

　　Fy（x0,y0）0,F（x0,y0）0,则方程F（x,y）0在点P（x0,y0）的某一邻域内恒能唯一确

　　定一个连续且具有连续导数的函数yf（x）,它满足y0f（x0）,并有

　　dydxFxFy.　　

　　定理5设函数F（x,y,z）在点P（x0,y0,z0）的某一邻域内有连续的偏导数,且

　　F（x0,y0,z0）0,Fz（x0,y0,z0）0,

　　则方程F（x,y,z）0在点P（x0,y0,z0）的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续偏导数的函数zf（x,y）,它满足条件z0f（x0,y0）,并有

　　zxFxFz,zyFyFz.　　

　　多元函数的极值及求法一、二元函数极值的概念

　　定义1设函数zf（x,y）在点（x0,y0）的某一邻域内有定义,对于该邻域内异于

　　（x0,y0）的任意一点（x,y）,如果

　　f（x,y）f（x0,y0）,

　　则称函数在（x0,y0）有极大值；如果

　　f（x,y）f（x0,y0）,

　　则称函数在（x0,y0）有极小值;极大值、极小值统称为极值.使函数取得极值的点称为极值点.

　　定理1（必要条件）设函数zf（x,y）在点（x0,y0）具有偏导数,且在点（x0,y0）处有极值,则它在该点的偏导数必然为零，即

　　fx（x0,y0）0,fy（x0,y0）0.　　

　　与一元函数的情形类似，对于多元函数，凡是能使一阶偏导数同时为零的点称为函数的驻点.

　　定理2（充分条件）设函数zf（x,y）在点（x0,y0）的某邻域内有直到二阶的连续偏导数，又fx（x0,y0）0,fy（x0,y0）0.令

　　fxx（x0,y0）A,fxy（x0,y0）B,fyy（x0,y0）C.

（1）当ACB20时，函数f（x,y）在（x0,y0）处有极值，且当A0时有极小值f（x0,y0）；A0时有极大值f（x0,y0）；

（2）当ACB20时，函数f（x,y）在（x0,y0）处没有极值;

　　（3）当ACB20时，函数f（x,y）在（x0,y0）处可能有极值，也可能没有极值.根据定理1与定理2，如果函数f（x,y）具有二阶连续偏导数，则求zf（x,y）的极值的一般步骤为：

　　第一步解方程组fx（x,y）0,fy（x,y）0,求出f（x,y）的所有驻点；

　　第二步求出函数f（x,y）的二阶偏导数，依次确定各驻点处A、B、C的值，并根据ACB的符号判定驻点是否为极值点.最后求出函数f（x,y）在极值点处的极值.

　　2二、二元函数的最大值与最小值

　　求函数f（x,y）的最大值和最小值的一般步骤为:

　　求函数f（x,y）在D内所有驻点处的函数值;　　求f（x,y）在D的边界上的最大值和最小值;

　　将前两步得到的所有函数值进行比较，其中最大者即为最大值,最小者即为最小值.在通常遇到的实际问题中，如果根据问题的性质，可以判断出函数f（x,y）的最大值一定在D的内部取得，而函数f（x,y）在D内只有一个驻点，则可以肯定该驻点处的函数值就是函数f（x,y）在D上的最大值.

　　三、条件极值拉格朗日乘数法

　　前面所讨论的极值问题，对于函数的自变量一般只要求落在定义域内，并无其它限制条件，这类极值我们称为无条件极值.但在实际问题中，常会遇到对函数的自变量还有附加条件的的极值问题.对自变量有附加条件的极值称为条件极值.

　　拉格朗日乘数法

　　设二元函数f（x,y）和（x,y）在区域D内有一阶连续偏导数，则求zf（x,y）在D内满足条件（x,y）0的极值问题，可以转化为求拉格朗日函数

　　L（x,y,）f（x,y）（x,y）

　　的无条件极值问题.

　　于是，求函数zf（x,y）在条件（x,y）0的极值的拉格朗日乘数法的基本步骤为：

（1）构造拉格朗日函数

　　L（x,y,）f（x,y）（x,y）

　　其中为某一常数;

（2）方程组

　　Lxfx（x,y）x（x,y）0,Lyfy（x,y）y（x,y）0,L（x,y）0解出x,y,,其中x,y就是所求条件极值的可能的极值点.

　　注：

拉格朗日乘数法只给出函数取极值的必要条件,因此按照这种方法求出来的点是否为极值点,还需要加以讨论.不过在实际问题中,往往可以根据问题本身的性质来判定所求的点是不是极值点.

　　拉格朗日乘数法可推广到自变量多于两个而条件多于一个的情形:

　　四、数学建模举例二重积分的概念与性质一、二重积分的概念

　　定义1设f（x,y）是有界闭区域D上的有界函数.将闭区域D任意分成n个小闭区域

　　1,2,,n,其中i表示第i个小闭区域，也表示它的面积，在每个i上任取

　　一点（i,i）,作乘积

　　f（i,i）i,（i1,2,,n）

　　并作和

　　ni1f（i,i）i,

　　如果当各小闭区域的直径中的最大值趋近于零时,这和式的极限存在,则称此极限为函数f（x,y）在闭区域D上的二重积分,记为f（x,y）d,即

　　Dn

　　Df（x,y）dlim0i1f（i,i）i

　　其中f（x,y）称为被积函数,f（x,y）d称为被积表达式,d称为面积微元,x和y称为积

　　n分变量,D称为积分区域,并称f（i,i）i为积分和.

　　i1对二重积分定义的说明:

（1）如果二重积分f（x,y）d存在，则称函数f（x,y）在区域D上是可积的.可以证

　　D明，如果函数f（x,y）区域D上连续，则f（x,y）在区域D上是可积的.今后，我们总假定被积函数f（x,y）在积分区域D上是连续的;

（2）根据定义，如果函数f（x,y）在区域D上可积，则二重积分的值与对积分区域的分割方法无关，因此，在直角坐标系中，常用平行于x轴和y轴的两组直线来分割积分区域D，则除了包含边界点的一些小闭区域外，其余的小闭区域都是矩形闭区域.设矩形闭区域i的边长为xi和yj，于是ixiyj.故在直角坐标系中，面积微元d可记为dxdy.即ddxdy.

　　进而把二重积分记为f（x,y）dxdy，这里我们把dxdy称为直角坐标系下的面积微元.

　　D

　　二、二重积分的性质

　　类似于一元函数的定积分，二重积分也有与定积分类似性质，且其证明也与定积分性质的证明类似.

　　在直角坐标系下二重积分的计算一、区域分类

　　X型区域：

{（x,y）|axb,1（x）y2（x）}.其中函数1（x）,2（x）在区间

　　[a,b]上连续.这种区域的特点是：

穿过区域且平行于y轴的直线与区域的边界相交不多于

　　两个交点.

　　Y型区域：

{（x,y）|cyd,1（y）x2（y）}.其中函数1（x）,2（x）在区间

　　[c,d]上连续.这种区域的特点是：

穿过区域且平行于x轴的直线与区域的边界相交不多于

　　两个交点.

　　二、二重积分的计算

　　假定积分区域D为如下X型区域:

　　{（x,y）|axb,1（x）y2（x）}.

　　则有　　

　　Df（x,y）dxdybadx2（x）1（x）f（x,y）dy　　

　　类似地，如果积分区域D为Y型区域：

　　{（x,y）|cyd,1（y）x2（y）}.

　　则有

　　Df（x,y）dxdydcdy2（y）1（y）f（x,y）dx.　　

　　特别地，当区域D为矩形区域{（x,y）|axb,cyd}时，有

　　Df（x,y）dxdybadxf（x,y）dycddcdyf（x,y）dx

　　ab　　三、交换二次积分次序的步骤

　　一般地，交换给定二次积分的积分次序的步骤为：

　　对于给定的二重积分

　　badx2（x）1（x）f（x,y）dy,先根据其积分限

　　axb,1（x）y2（x）,

　　画出积分区域D

　　根据积分区域的形状，按新的次序确定积分区域D的积分限

　　cyd,1（y）x2（y）,

　　写出结果

　　badx2（x）1（x）f（x,y）dydcdy2（y）1（y）f（x,y）dx.

　　四、利用对称性和奇偶性化简二重积分的计算

　　利用被积函数的奇偶性及积分区域D的对称性，常会大大化简二重积分的计算.在例5中我们就应用了对称性来解决所给的问题.如同在处理关于原点对称的区间上的奇函数的定积分一样，在利用这一方法时，要同时兼顾到被积函数f（x,y）的奇偶性和积分区域D的对称性两方面.为应用方便，我们总结如下：

　　1.如果积分区域D关于y轴对称，则