"让我留下吧," 他说,“浴室里确实有香皂。”

# 反常积分

# 定义

  • 如果函数ff 定义在[a,+∞)[a,+\infin) 上,且在任意闭区间[a,u][a,u] 上可积,且lim⁡u→∞∫auf(x)dx\lim_{u\rightarrow \infin}\int_{a}^uf(x)dx 该极限收敛,则记该极限为∫u∞f(x)dx\int_{u}^{\infin}f(x)dx,称为无穷积分。

  • 如果函数ff 定义在(a,b](a,b] 上,且在 a 的任意右邻域无界,且在任意闭区间[u,b]⊂(a,b][u,b]\sub(a,b] 上可积,且lim⁡u→a∫ubf(x)dx\lim_{u\rightarrow a}\int_{u}^bf(x)dx 收敛,则记该极限为∫abf(x)dx\int_{a}^bf(x)dx,称为瑕积分,其中 a 是瑕点。

# 性质

# 无穷积分

# 柯西准则

  • 无穷积分∫a+∞f(x)dx\int_a^{+\infin} f(x)dx 收敛⇔\Leftrightarrow 任给ϵ>0\epsilon>0,存在G≥aG\geq a,使得∀u1,u2∈(G,+∞)\forall u_1,u_2\in(G,+\infin),恒:

    ∣∫au2f(x)dx−∫au1f(x)dx∣=∣∫u1u2f(x)dx∣<ϵ|\int_a^{u_2}f(x)dx-\int_a^{u_1}f(x)dx|=|\int_{u_1}^{u_2}f(x)dx|<\epsilon

# 线性性质、区域可加、绝对收敛

  • 线性性质:加号可拆,数乘可提。

  • 绝对收敛:

    若ff 在任何有限区间[a,u][a,u] 上可积,且有∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 收敛,则有∫a+∞f(x)dx\int_a^{+\infin}f(x)dx 收敛,且∫a+∞f(x)dx≤∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}f(x)dx\leq\int_a^{+\infin}|f(x)|dx

    但反之不成立,称∫a+∞f(x)dx\int_a^{+\infin}f(x)dx 收敛但∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 不收敛的无穷积分为条件收敛。

# 瑕积分

# 柯西准则

  • 瑕积分∫abf(x)dx\int_a^bf(x)dx 收敛(a 为瑕点)⇔\Leftrightarrow 任给ϵ>0\epsilon>0,存在δ>0\delta>0,使得∀u1,u2∈(a,a+δ)\forall u_1,u_2\in(a,a+\delta),恒有:

    ∣∫u1bf(x)dx−∫u2bf(x)dx∣=∣∫u1u1f(x)dx∣<ϵ|\int_{u_1}^bf(x)dx-\int_{u_2}^bf(x)dx|=|\int_{u_1}^{u_1}f(x)dx|<\epsilon

# 线性性质、区域可加、绝对收敛

# 两个重要反常积分

  • 对于无穷积分∫1+∞dxxp\int_1^{+\infin}\frac{dx}{x^p},当p>1p>1 时收敛,p≤1p\leq 1 时发散。
  • 对于瑕积分∫abdx(x−a)p\int_a^b\frac{dx}{(x-a)^p},当0<p<10<p<1 时收敛,p≥1p\geq 1 时发散。

# 收敛判别法

# 无穷积分

# 比较法则

  • 若f,gf,g 都在任何有限区间[a,u][a,u] 上可积,g(x)>0g(x)>0,且有lim⁡x→+∞∣f(x)∣g(x)=c\lim_{x\rightarrow+\infin}\frac{|f(x)|}{g(x)}=c,
    • 当0<c≠+∞0<c\neq +\infin 时,∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 与∫a+∞g(x)dx\int_a^{+\infin}g(x)dx 同敛散
    • 当c=0c=0 时,由∫a+∞g(x)dx\int_a^{+\infin}g(x)dx 收敛可推出∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 收敛
    • 当c=+∞c=+\infin 时,由∫a+∞g(x)dx\int_a^{+\infin}g(x)dx 发散可推出∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 发散。

# 柯西判别法

  • 设ff 定义于[a,+∞)[a,+\infin),在任何有限区间[a,u][a,u] 上可积,且lim⁡x→+∞xp∣f(x)∣=λ\lim_{x\rightarrow +\infin}x^p|f(x)|=\lambda,则有:
    • p>1,0≤λ<+∞p>1,0\leq\lambda<+\infin 时,∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 收敛
    • p≤1,0<λ≤+∞p\leq 1,0<\lambda\leq+\infin 时,∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 发散

# 迪利克雷判别法

  • 若F(u)=∫auf(x)dxF(u)=\int_a^uf(x)dx 在[a,+∞)[a,+\infin) 上有界,

    g(x)g(x) 在[a,+∞)[a,+\infin) 上单调且趋于 0,

    则有∫a+∞f(x)g(x)dx\int_a^{+\infin}f(x)g(x)dx 收敛。

# 阿贝尔判别法

  • 若∫a+∞f(x)dx\int_a^{+\infin}f(x)dx 收敛,

    g(x)g(x) 在[a,+∞)[a,+\infin) 单调有界,

    则有∫a+∞f(x)g(x)dx\int_a^{+\infin}f(x)g(x)dx 收敛。

# 瑕积分

# 比较法则

把无穷积分中的趋近于正无穷改成趋近于 a

# 柯西判别法

  • 设ff 定义于(a,b](a,b],在任何有限区间[u,b]⊂(a,b][u,b]\sub(a,b] 上可积,且lim⁡x→a(x−a)p∣f(x)∣=λ\lim_{x\rightarrow a}(x-a)^p|f(x)|=\lambda,则有:
    • 0<p<1,0≤λ<+∞0<p<1,0\leq\lambda<+\infin 时,∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 收敛
    • p≥1,0<λ≤+∞p\geq 1,0<\lambda\leq+\infin 时,∫a+∞∣f(x)∣dx\int_a^{+\infin}|f(x)|dx 发散

# 迪利克雷判别法

  • 若F(u)=∫ubf(x)dxF(u)=\int_u^bf(x)dx 在(a,b](a,b] 上有界,

    g(x)g(x) 在x→a+x\rightarrow a^+ 时单调且趋于 0,

    则有∫abf(x)g(x)dx\int_a^{b}f(x)g(x)dx 收敛。

# 阿贝尔判别法

  • 若∫abf(x)dx\int_a^{b}f(x)dx 收敛,

    g(x)g(x) 在(a,b](a,b] 单调有界,

    则有∫abf(x)g(x)dx\int_a^{b}f(x)g(x)dx 收敛。

# 数项级数

# 数项级数敛散性

# 定义

  • 若数项级数的部分和{Sn=∑i=1nai}\{S_n=\sum_{i=1}^na_i\} 收敛于 S,即lim⁡n→+∞Sn=S\lim_{n\rightarrow+\infin}S_n=S,则称该数项级数收敛。

# 柯西准则

  • 数项级数u1+u2+...u_1+u_2+... 收敛⇔\Leftrightarrow 任给ϵ>0\epsilon>0,存在正整数NN,使得对任意n>m>Nn>m>N,都有:

    ∣um+um+1+...+un∣<ϵ|u_m+u_{m+1}+...+u_n|<\epsilon

  • 特别地,数项级数收敛的一个必要条件是lim⁡n→+∞un=0\lim_{n\rightarrow+\infin}u_n=0

# 基本性质

  • 线性性:收敛的数项级数数乘和加减结果仍收敛。

  • 去掉,增加,改变有限个项并不影响级数敛散性。

  • 在收敛级数中任意加括号,分组形成的新的级数敛散性不变,级数和也不变。反之不成立,例如:

    (1−1)+(1−1)+...收敛,但1−1+1−1+1−...发散(1-1)+(1-1)+...收敛,但1-1+1-1+1-...发散

# 两个重要级数

  • ∑n=0+∞aqn=a1−q\sum_{n=0}^{+\infin}aq^n=\frac{a}{1-q},当且仅当∣q∣<1|q|<1 收敛。
  • 调和级数1+12+...+1n+...1+\frac{1}{2}+...+\frac{1}{n}+... 发散。

# 正项级数

# 敛散性判别

# 充要条件

  • 正项级数∑un\sum u_n 收敛的充要条件是部分和{Sn}\{S_n\} 有界。

# 比较原则

  • 若{un},{vn}\{u_n\},\{v_n\} 是两个正项级数,且lim⁡n→+∞unvn=l\lim_{n\rightarrow+\infin}\frac{u_n}{v_n}=l,则

    • 0<l<+∞0<l<+\infin 时,两级数同敛散
    • l=0l=0 时,∑vn\sum v_n 收敛可推出∑un\sum u_n 收敛
    • l=+∞l=+\infin 时,∑vn\sum v_n 发散可推出∑un\sum u_n 发散
  • 常常跟等比级数和 p 级数比较:

    ∑1np\sum\frac{1}{n^p},p>1p>1 收敛,0≤p≤10\leq p\leq 1 时发散。

# 比式判别法

  • 若lim⁡n→+∞un+1un=q\lim_{n\rightarrow+\infin}\frac{u_{n+1}}{u_n}=q,则

    • q<1q<1 时,级数∑un\sum u_n 收敛
    • q>1q>1 时,级数∑un\sum u_n 发散
  • 注:即使极限不存在,但如果可以证明un+1un\frac{u_{n+1}}{u_n} 恒小于 1,也可以证明收敛。

# 根式判别法

  • 若lim⁡n→+∞unn=l\lim_{n\rightarrow+\infin}\sqrt[n]{u_n}=l,
    • l<1l<1,级数∑un\sum u_n 收敛
    • 若l≥1l\geq 1,级数∑un\sum u_n 发散

# 拉贝判别法

  • 若lim⁡n→+∞n(1−un+1un)=r\lim_{n\rightarrow+\infin}n(1-\frac{u_{n+1}}{u_n})=r,则
    • r>1r>1 时,级数∑un\sum u_n 收敛,
    • r<1r<1 时,级数∑un\sum u_n 发散

# 积分判别法

  • 设ff 是[1,+∞)[1,+\infin) 上非负递减函数,则正项级数∑n=1+∞f(n)\sum_{n=1}^{+\infin}f(n) 于反常积分∫1+∞f(x)dx\int_1^{+\infin}f(x)dx 同敛散。

# 一般项级数

# 交错级数

# 莱布尼茨判别法

  • 若un>0u_n>0,且单调趋于 0,则交错级数∑(−1)n+1un\sum (-1)^{n+1}u_n 收敛。
  • 若满足莱布尼茨判别饭,有|\sum_{i=n+1}^{+\infin}u_i|\leq u_

# 级数重排

# 重排定理

  • 若一般项级数∑un\sum u_n 绝对收敛,则将其任意重排后仍绝对收敛,且级数和不变。

# 黎曼定理

  • 若一般项级数∑un\sum u_n 条件收敛,则对于任意数 A,存在一种重排方案使得∑vn=A\sum v_n=A,特别地,也可以找到一种重排方案使级数发散。

# 柯西定理

  • 若∑un,∑vn\sum u_n,\sum v_n 都绝对收敛,且∑∣un∣=A,∑∣vn∣=B\sum|u_n|=A,\sum|v_n|=B,则对所有乘积uivju_iv_j 的任意重排得到的级数均绝对收敛,且绝对收敛和为ABAB。

# * 阿贝尔变换和引理

  • ∑ϵivi=(ϵ1−ϵ2)δ1+(ϵ2−ϵ3)δ2+...\sum\epsilon_iv_i=(\epsilon_1-\epsilon_2)\delta_1+(\epsilon_2-\epsilon_3)\delta_2+...

    其中δk=v1+...vk\delta_k=v_1+...v_k

  • 特别的,若ϵi\epsilon_i 单调,且∣δk∣≤A|\delta_k|\leq A 有界,则有

    ∣∑k=1nϵkvk∣≤3∗max{∣ϵ∣}A|\sum_{k=1}^n\epsilon_kv_k|\leq 3*max\{|\epsilon|\}A

# 阿贝尔判别法

  • 若{an}\{a_n\} 单调有界

    且∑bn\sum b_n 收敛

    则∑anbn\sum a_nb_n 收敛

# 迪利克雷判别法

  • 若{an}\{a_n\} 单调递减,且lim⁡n→+∞an=0\lim_{n\rightarrow+\infin}a_n=0

    且{bn}\{b_n\} 部分和有界

    则∑anbn\sum a_nb_n 收敛

# 函数列与函数项级数

# 函数列

  • 收敛点:若{fn(x0)}\{ f_n(x_0)\} 收敛,则称x0x_0 为该函数项列的一个收敛点

    收敛域:收敛点的集合

  • 极限函数:若函数项级数{fn(x)}\{f_n(x)\} 在数集上每一点都收敛,则f(x)=lim⁡n→+∞fn(x)f(x)=\lim_{n\rightarrow+\infin}f_n(x) 称为该函数列极限函数。

# 一致收敛性

  • 若对于任意ϵ>0\epsilon>0,存在正整数NN,使得对于任意n>Nn>N,有:

    对于任意x∈Dx\in D,∣fn(x)−f(x)∣<ϵ|f_n(x)-f(x)|<\epsilon,则称函数列在DD 上一致收敛于f(x)f(x),记作fn(x)⇉f(x),x∈Df_n(x)\rightrightarrows f(x),x\in D.

# 柯西准则

  • 函数列{fn}\{f_n\} 在 D 上一致收敛⇔\Leftrightarrow 对于任给ϵ>0\epsilon>0,总存在正整数NN,使得对于任意n,m>Nn,m>N,对于任意x∈Dx\in D,恒有

    ∣fn(x)−fm(x)∣<ϵ|f_n(x)-f_m(x)|<\epsilon

# 余项准则

  • 函数列{fn}\{f_n\} 在 D 上一致收敛⇔\Leftrightarrow

    lim⁡n→∞supx∈D∣fn(x)−f(x)∣=0\lim_{n\rightarrow\infin}sup_{x\in D}|f_n(x)-f(x)|=0

# 函数项级数

  • 函数项级数的部分和是一个函数列
  • 函数项级数的敛散性可以转化为其部分和(函数项级数)的敛散性

# 一致收敛性

# 柯西准则

  • ∑un(x)\sum u_n(x) 在数集 D 上一致收敛的充要条件是:对于任意ϵ>0\epsilon>0,总存在正整数NN,使得对于任意n,m>N,x∈Dn,m>N,x\in D, 恒有:

    ∣Sn(x)−Sm(x)∣<ϵ,其中Sn(x)=∑i=1nui(x)|S_n(x)-S_m(x)|<\epsilon,其中S_n(x)=\sum_{i=1}^nu_i(x)

# 余项准则

  • ∑un(x)\sum u_n(x) 在数集 D 上一致收敛的充要条件是:

    lim⁡n→∞supx∈D∣S(x)−Sn(x)∣=0,其中S(x)=lim⁡n→∞Sn(x)\lim_{n\rightarrow\infin}sup_{x\in D}|S(x)-S_n(x)|=0,其中S(x)=\lim_{n\rightarrow\infin}S_n(x)

# 优级数判别法

  • 若对于任意x∈D,nx\in D,n,恒有∣un(x)∣≤Mn|u_n(x)|\leq M_n,其中∑Mn\sum M_n 为收敛的正项级数,则∑un(x)\sum u_n(x) 在 D 上一致收敛。

# 阿贝尔判别法

  • 若∑un(x)\sum u_n(x) 在 D 上一致收敛

    且对于每个x∈Dx\in D,vn(x)v_n(x) 都关于 n 单调,且vn(x)v_n(x) 关于 x 一致有界 (即对于所有的x∈Dx\in D 都有个公共的 M,使得∣vn(x)∣≤M|v_n(x)|\leq M)

    则∑un(x)vn(x)\sum u_n(x)v_n(x) 在 D 上一收敛

# 迪利克雷判别法

  • 若un(x)u_n(x) 的部分和函数列{Un(x)}\{U_n(x)\} 在 D 上一致有界

    且对于每个x∈Dx\in D,vn(x)v_n(x) 关于 n 单调,且在 D 上vn(x)⇉0v_n(x)\rightrightarrows 0

    则∑un(x)vn(x)\sum u_n(x)v_n(x) 在 D 上一致收敛

# 必要条件

  • 函数项级数∑un(x)\sum u_n(x) 在 D 上一致收敛的必要条件是函数列{un(x)}\{u_n(x)\} 在 D 上一致收敛于 0.

# 一致收敛的函数列与函数项级数的性质

# 一致收敛的函数列性质

# 极限交换

  • 设函数列{fn}\{f_n\} 在(a,x0)∪(x0,b)(a,x_0)\cup(x_0,b) 上一致收敛于f(x)f(x),且对每个 n,都有lim⁡x→x0fn(x)=an\lim_{x\rightarrow x_0}f_n(x)=a_n,则有

    lim⁡x→x0f(x)=lim⁡n→∞an,即lim⁡n→∞lim⁡x→x0fn(x)=lim⁡x→x0lim⁡n→∞fn(x)\lim_{x\rightarrow x_0}f(x)=\lim_{n\rightarrow \infin}a_n,即\lim_{n\rightarrow\infin}\lim_{x\rightarrow x_0}f_n(x)=\lim_{x\rightarrow x_0}\lim_{n\rightarrow\infin}f_n(x)

# 连续性

  • 若函数列{fn(x)}\{f_n(x)\} 在 D 上一致收敛,且其每一项都在 D 上连续

    则其极限函数都在 D 上连续。

# 可积性

  • 若函数列{fn(x)}\{f_n(x)\} 在闭区间 D 上一致收敛,且其每一项都在 D 上连续,则

    ∫ablim⁡n→∞fx(x)=lim⁡n→∞∫abfn(x)\int_a^b\lim_{n\rightarrow\infin}f_x(x)=\lim_{n\rightarrow\infin}\int_a^bf_n(x)

# 可微性

  • 若函数列{fn(x)}\{f_n(x)\} 在闭区间 D 上处处收敛,且其每一项在 D 上都有连续的导数,则

    ddx(lim⁡n→∞fn(x))=lim⁡n→∞ddxfn(x)\frac{d}{dx}(\lim_{n\rightarrow\infin}f_n(x))=\lim_{n\rightarrow\infin}\frac{d}{dx}f_n(x)

# 补充说明:处处收敛却不一致收敛的例子

fn(x)=sinnx,x∈[0,π2]f(x)=lim⁡n→+∞fn(x)={1,x=π20,x≠π2所以对于任一给定的x,{fn(x)}均收敛但显然找不到一个公共的N,使得∀x∈[0,π2],n>N,都有∣fn(x)−f(x)∣<ϵf_n(x)=sin^nx,x\in[0,\frac{\pi}{2}]\\ f(x)=\lim_{n\rightarrow+\infin}f_n(x)=\left\{ \begin{aligned} 1,x=\frac{\pi}{2}\\ 0,x\neq\frac{\pi}{2} \end{aligned} \right.\\ 所以对于任一给定的x,\{f_n(x)\}均收敛\\ 但显然找不到一个公共的N,使得\forall x\in[0,\frac{\pi}{2}],n>N,都有|f_n(x)-f(x)|<\epsilon

# 一致收敛的函数项级数性质

# 逐项求极限

  • 若函数项级数∑un(x)\sum u_n(x) 在x0x_0 的一个去心邻域上一致收敛,且对于每一个 n 都有lim⁡x→x0un(x)=an\lim_{x\rightarrow x_0}u_n(x)=a_n,则有

    lim⁡x→x0∑∞un(x)=∑∞lim⁡x→x0un(x)\lim_{x\rightarrow x_0}\sum^\infin u_n(x)=\sum^\infin\lim_{x\rightarrow x_0}u_n(x)

# 连续性定理

  • 若函数项级数∑un(x)\sum u_n(x) 在闭区间 D 上一致收敛,且每一项都连续,则其和函数S(x)S(x) 也在闭区间 D 上连续。

# 逐项求积

  • 若函数项级数∑un(x)\sum u_n(x) 在闭区间 D 上一致收敛,且每一项都连续,则有

    ∑∞[∫abun(x)dx]=∫ab[∑∞un(x)]dx\sum^\infin[\int_a^bu_n(x)dx]=\int_a^b[\sum^\infin u_n(x)]dx

# 逐项求导

  • 若函数项级数∑un(x)\sum u_n(x) 在闭区间 D 上处处收敛,且每一项在 D 上都有连续的导数,且∑un′(x)\sum u'_n(x) 在 D 上一致收敛,则有

    ∑∞[ddxun(x)]=ddx[∑∞un(x)]\sum^\infin[\frac{d}{dx}u_n(x)]=\frac{d}{dx}[\sum^\infin u_n(x)]

# 幂级数

  • 定义:形如∑n=0∞anxn\sum_{n=0}^\infin a_nx^n,也可以看作函数项级数,un(x)=anxnu_n(x)=a_nx^n

# 收敛性与收敛半径

# 阿贝尔定理

  • 若幂级数在xˉ≠0\bar{x}\neq 0 处收敛,则对于所有的x,∣x∣<∣xˉ∣x,|x|<|\bar{x}|,幂级数在xx 处收敛。

    反之,若幂级数在xˉ≠0\bar{x}\neq 0 处发散,则对于所有的x,∣x∣>∣xˉ∣x,|x|>|\bar{x}|,幂级数在xx 处发散。

由阿贝尔定理,幂级数的收敛域一定是以原点为中心,形如(−R,R)(-R,R) 的一个区间,其中 R 称为收敛半径。对于所有x∈(−R,R)x\in(-R,R),幂级数均收敛,对于所有x>R或x<−Rx>R或x<-R,幂级数均发散。但x=R和x=−Rx=R和x=-R 是否收敛需要单独验证。

# 收敛半径求法

  • 对于幂级数,若有lim⁡n→∞∣an+1∣∣an∣=ρ\lim_{n\rightarrow\infin}\frac{|a_{n+1}|}{|a_n|}=\rho,或lim⁡n→∞∣an∣n=ρ,lim⁡n→∞ˉ∣an∣n=ρ(最大值)\lim_{n\rightarrow \infin}\sqrt[n]{|a_n|}=\rho,\bar{\lim_{n\rightarrow \infin}}\sqrt[n]{|a_n|}=\rho(最大值),(条件等价),都有:

    R=1ρR=\frac{1}{\rho}。(注:1∞=0,10=∞\frac{1}{\infin}=0,\frac{1}{0}=\infin)

# 幂级数性质

# 内闭一致收敛性

  • 幂级数在其收敛域的任意子闭区间上一致收敛。

# 连续性,可积性,可导性

  • 幂级数的和函数在其收敛域上连续可导,在收敛于任一闭子区间可积。

# 逐项求极限、求积分、求导

lim⁡x→a−∑n=0∞anxn=∑n=0∞lim⁡x→a−anxn=∑n=0∞anan∫0x∑n=0∞antndt=∑n=0∞∫0xantndt=∑n=0∞ann+1xn+1ddx∑n=0∞anxn=∑n=0∞nanxn−1以上x∈(−R,R)\lim_{x\rightarrow a^-}\sum_{n=0}^\infin a_nx^n=\sum_{n=0}^\infin \lim_{x\rightarrow a^-} a_nx^n=\sum_{n=0}^\infin a_na^n\\ \int_0^x\sum_{n=0}^\infin a_nt^ndt=\sum_{n=0}^\infin\int_0^x a_nt^ndt=\sum_{n=0}^\infin\frac{a_n}{n+1}x^{n+1}\\ \frac{d}{dx}\sum_{n=0}^\infin a_nx^n=\sum_{n=0}^\infin na_nx^{n-1}\\ 以上x\in(-R,R)

  • 注:逐项求导逐项求积分后得到的幂级数收敛半径不变,仍为 R。但边界处(x=±Rx=\pm R)的敛散性可能变化。

# 幂级数的运算

∑n=0∞anxn=∑n=0∞bnxn,∣x∣<min{∣Ra∣,∣Rb∣}⇔an=bn,n=0,1,2,...(∑n=0∞anxn)(∑n=0∞bnxn)=∑n=0∞cnxn,cn=∑k=0nakbn−k\sum_{n=0}^\infin a_nx^n=\sum_{n=0}^\infin b_nx^n,|x|<min\{|R_a|,|R_b|\}\Leftrightarrow a_n=b_n,n=0,1,2,...\\ (\sum_{n=0}^\infin a_nx^n)(\sum_{n=0}^\infin b_nx^n)=\sum_{n=0}^\infin c_nx^n,c_n=\sum_{k=0}^na_kb_{n-k}

  • 泰勒级数,麦克劳林级数均为幂级数。

# 傅里叶级数

# 正交函数系

  • 若函数列{ϕn(x)}\{\phi_n(x)\} 满足:

    • ϕn(x)\phi_n(x) 在[a,b][a,b] 上可积

    • ∫abϕn(x)ϕm(x)dx={λn≠0,n=m0,n≠m\int_a^b\phi_n(x)\phi_m(x)dx=\left\{ \begin{aligned} \lambda_n\neq 0,n=m\\ 0,n\neq m \end{aligned} \right.

    则称这个函数列为[a,b][a,b] 的一个正交函数系。

  • 特别地,[−π,π][-\pi,\pi] 上的正交三角函数系:

    1,cosx,sinx,cos2x,sin2x,....1,cosx,sinx,cos2x,sin2x,....

    [−l,l][-l,l] 上的正交三角函数系:

    1,cosπlx,sinπlx,cos2πlx,sin2πlx,...1,cos\frac{\pi}{l}x,sin\frac{\pi}{l}x,cos\frac{2\pi}{l}x,sin\frac{2\pi}{l}x,...

# 傅里叶级数

  • 设ff 是周期为2l2l 在[−l,l][-l,l] 上可积的函数,则称

    f(x)=a02+∑n=1∞(ancosnπlx+bnsinnπlx)f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infin(a_ncos\frac{n\pi}{l}x+b_nsin\frac{n\pi}{l}x)

    为ff 在三角函数系下的傅里叶级数,其中

    {an=1l∫−llf(x)cosnπlx dxn=0,1,2...bn=1l∫−llf(x)sinnπlx dxn=1,2,...\left\{ \begin{aligned} a_n=\frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x)cos\frac{n\pi}{l}x\,dx\quad n=0,1,2...\\ b_n=\frac{1}{l}\int_{-l}^l f(x)sin\frac{n\pi}{l}x\,dx\quad n=1,2,... \end{aligned} \right.

  • 特别地,f 是偶函数时,又bn≡0b_n\equiv 0,f 是奇函数时,an≡0a_n\equiv 0

  • 注意函数展开时,需要将函数延拓致周期函数。

# 收敛定理

  • 设ff 为周期为2l2l 的函数,在[−l,l][-l,l] 上按段光滑(只有有限个跳跃间断点,其余连续):则有,对于某个x0x_0
    • 若f(x)f(x) 在x0x_0 处连续,则a02+∑n=1∞(ancosnπlx0+bnsinnπlx0)=f(x0)\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infin(a_ncos\frac{n\pi}{l}x_0+b_nsin\frac{n\pi}{l}x_0)=f(x_0),即傅里叶级数收敛于函数值
    • 若f(x)f(x) 在x0x_0 处跳跃间断,则a02+∑n=1∞(ancosnπlx0+bnsinnπlx0)=f(x0−0)+f(x0+0)2\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infin(a_ncos\frac{n\pi}{l}x_0+b_nsin\frac{n\pi}{l}x_0)=\frac{f(x_0-0)+f(x_0+0)}{2},即傅里叶级数收敛于两个单侧极限平均值。

# * 黎曼 - 勒贝克定理

lim⁡p→∞∫abf(x)sinpxdx=0=lim⁡p→∞∫abf(x)cospxdx\lim_{p\rightarrow\infin}\int_a^bf(x)sinpxdx=0=\lim_{p\rightarrow\infin}\int_a^bf(x)cospxdx

# * 帕塞瓦尔等式

  • 若ff 周期为2π2\pi 且在[−π,π][-\pi,\pi] 上可积,则有

    1π∫−ππf2(x)dx=a022+∑n=1∞(an2+bn2)\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f^2(x)dx=\frac{a_0^2}{2}+\sum_{n=1}^\infin(a_n^2+b_n^2)

    其中an,bna_n,b_n 为函数的傅里叶系数。

# 多元函数的极限

# 平面点集

  • 概念:(内点,界点,外点),(聚点,孤立点),(开集,闭集,有界集),(开域,闭域,区域)
  • 定理:柯西准则,闭区域套定理,聚点定理,致密性定理,有限覆盖定理

# 二元函数的极限和连续性

# 重极限

在点P0(x0,y0)处,若有∀ϵ>0,均∃δ>0,使得∀x∈U0(P0,δ)(矩形邻域,圆形邻域均可),有∣f(x,y)−A∣<ϵ,则称重积分lim⁡(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=A在点P_0(x_0,y_0)处,若有\forall \epsilon>0,均\exists\delta>0,使得\forall x\in U^0(P_0,\delta)(矩形邻域,圆形邻域均可),有\\ |f(x,y)-A|<\epsilon,则称重积分\lim_{(x,y)\rightarrow(x_0,y_0)}f(x,y)=A

  • 重积分存在的一个必要条件是沿着任何路径趋近P0P_0 得到的极限都一样。

# 累次极限

lim⁡x→x0lim⁡y→y0f(x,y),lim⁡y→y0lim⁡x→x0f(x,y)\lim_{x\rightarrow x_0}\lim_{y\rightarrow y_0}f(x,y),\lim_{y\rightarrow y_0}\lim_{x\rightarrow x_0}f(x,y)

  • 两个累次积分不一定相等。例f={xsin1yy≠00y=0f=\left\{\begin{aligned}xsin\frac{1}{y}\quad y\neq0\\0\quad y=0\end{aligned}\right.
  • 若重积分和上面两个累次积分都存在,那么三者都相等。
  • 若两个累次积分都存在却不相等,则重积分一定不存在。

# 连续性

  • ff 在(x,y)(x,y) 处连续⇔\Leftrightarrowlim⁡(Δx,Δy)→(0,0)f(x+Δx,y+Δy)−f(x,y)=0\lim_{(\Delta x,\Delta y)\rightarrow(0,0)}f(x+\Delta x,y+\Delta y)-f(x,y)=0

  • 若ff 在(x0,y0)(x_0,y_0) 处连续,则一元函数f(x0,y)和f(x,y0)f(x_0,y)和f(x,y_0) 分别在x=x0和y=y0x=x_0和y=y_0 处连续,但反之不成立,例如

    f(x,y)={xyx2+y2(x,y)≠00(x,y)=0f(x,y)=\left\{\begin{aligned}\frac{xy}{x^2+y^2}\quad (x,y)\neq 0\\0\quad (x,y)=0\end{aligned}\right.

# 局部性质
  • 局部有界性、保号性、四则法则、复合法则
  • 若是在闭区域上的连续函数还有一致连续性,介值性。

# 多元函数的微分

# 可微性

# 全微分

  • 二元函数z=f(x,y)z=f(x,y) 在点P0P_0 某邻域内有定义,则其增量能写成Δz=AΔx+BΔy+o(x2+y2)\Delta z=A\Delta x+B\Delta y+o(\sqrt{x^2+y^2}),即其全微分dz=Adx+Bdydz=Adx+Bdy 存在的充要条件是lim⁡ρ→0Δz−fx′(x0,y0)Δx−fy′(x0,y0)Δyρ=0\lim_{\rho\rightarrow 0}\frac{\Delta z-f_x'(x_0,y_0)\Delta x-f_y'(x_0,y_0)\Delta y}{\rho}=0,其中ρ=Δx2+Δy2\rho=\sqrt{\Delta x^2+\Delta y^2},ρ→0⇔(Δx,Δy)→(0,0)\rho\rightarrow 0\Leftrightarrow (\Delta x,\Delta y)\rightarrow (0,0),是个重积分。

# 可微、连续、可偏导的关系如下

1

# 反例

# 可微但偏导不连续

f(x,y)={xyx2+y2(x,y)≠00(x,y)=0f(x,y)=\left\{\begin{aligned}\frac{xy}{x^2+y^2}\quad (x,y)\neq 0\\0\quad (x,y)=0\end{aligned}\right.

# 连续但不可微 & 连续却不可导
  • 一元函数这样的反例很多,显然
# 可导但不可微

f(x,y)={xyx2+y2(x,y)≠00(x,y)=0f(x,y)=\left\{\begin{aligned}\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}\quad (x,y)\neq 0\\0\quad (x,y)=0\end{aligned}\right.

  • 在原点处两个偏导数都是 0,可导。但在原点出不可微。
# 可导但不连续

f(x,y)={xyx2+y2(x,y)≠00(x,y)=0f(x,y)=\left\{\begin{aligned}\frac{xy}{\sqrt{x^2+y^2}}\quad (x,y)\neq 0\\0\quad (x,y)=0\end{aligned}\right.

lim⁡(x,y)→(0,0)f(x,y)令y=kx,=lim⁡x→0k1+k2不存在(与路径有关)\lim_{(x,y)\rightarrow(0,0)}f(x,y)令y=kx,\\ =\lim_{x\rightarrow 0}\frac{k}{\sqrt{1+k^2}}不存在(与路径有关)

  • 故可导但原点处不连续

# 几何意义

  • z=f(x,y)z=f(x,y) 在(x0,y0)(x_0,y_0) 处切平面为z−z0=fx′(x0,y0)(x−x0)+fy′(x0,y0)(y−y0)z-z_0=f_x'(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y'(x_0,y_0)(y-y_0)

  • 切线就是切平面的法向量。

# 链式求微分

# 方向导数与梯度

  • 方向导数就是梯度在该方向上的投影。

# * 泰勒定理

f(x0+h,y0+k)=f(x0,y0)+(h∂∂x+k∂∂y)f(x0,y0)+...+1n!(h∂∂x+k∂∂y)nf(x0,y0)+1(n+1)!(h∂∂x+k∂∂y)n+1f(x0+θh,y0+θk)θ∈(0,1)f(x_0+h,y_0+k)=\\f(x_0,y_0)+(h\frac{\partial}{\partial x}+k\frac{\partial}{\partial y})f(x_0,y_0)+...+\frac{1}{n!}(h\frac{\partial}{\partial x}+k\frac{\partial}{\partial y})^nf(x_0,y_0)+\frac{1}{(n+1)!}(h\frac{\partial}{\partial x}+k\frac{\partial}{\partial y})^{n+1}f(x_0+\theta h,y_0+\theta k)\\ \theta\in(0,1)

# 隐函数

# 隐函数存在唯一性定理

  • 函数F(x,y)F(x,y) 在(x0,y0)(x_0,y_0) 的某邻域 D 内满足

    • 连续
    • F(x0,y0)=0F(x_0,y_0)=0
    • Fy′(x0,y0)≠0F_y'(x_0,y_0)\neq 0
    • 在 D 内有连续的偏导数Fy′(x,y)F_y'(x,y)

    则确定了一个定义在(x0−α,x0+α)(x_0-\alpha,x_0+\alpha) 上的隐函数y=f(x)y=f(x) 使得

    • f(x0)=y0f(x_0)=y_0
    • f(x)f(x) 在定义域内连续
    • F(x,f(x))≡0F(x,f(x))\equiv 0

# 隐函数可微性定理

  • 若函数F(x)F(x) 满足存在唯一性定理的条件,在加上Fx′(x,y)F_x'(x,y) 在 D 内也连续,则有

    f′(x)=−Fx′(x,y)Fy′(x,y)f'(x)=-\frac{F_x'(x,y)}{F_y'(x,y)}

# * 隐含数组

  • 若函数组{F(x,y,u,v)=0G(x,y,u,v)=0\left\{\begin{aligned}F(x,y,u,v)=0\\G(x,y,u,v)=0\end{aligned}\right. 满足:

    • F(x0,y0,u0,v0)=G(x0,y0,u0,v0)=0F(x_0,y_0,u_0,v_0)=G(x_0,y_0,u_0,v_0)=0
    • F,GF,G 连续
    • F,GF,G 有连续的一阶偏导数
    • J=∂(F,G)∂(u,v)∣(x0,y0,u0,v0)≠0J=\frac{\partial(F,G)}{\partial(u,v)}\bigg|_{(x_0,y_0,u_0,v_0)}\neq 0

    则存在{u=f(x,y)v=g(x,y)\left\{\begin{aligned}u=f(x,y)\\v=g(x,y)\end{aligned}\right.

  • f,gf,g 也是连续的,也有偏导数。具体求法通常直接对函数组左右同时求偏导解方程好了。

# 几何应用

# 平面曲线切线

  • F(x,y)=0F(x,y)=0 在(x0,y0)(x_0,y_0) 处切线方程为Fx′(x0,y0)(x−x0)+Fy′(x0,y0)(y−y0)=0F_x'(x_0,y_0)(x-x_0)+F_y'(x_0,y_0)(y-y_0)=0

# 空间曲线切线

{x=x(t)y=y(t)z=z(t)\left\{\begin{aligned}x=x(t)\\y=y(t)\\z=z(t)\end{aligned}\right.

的切线为\frac{x-x_0}{x'(t_0)}=\frac{y-y_0}{y'(t_0)}=\frac{z-z_0}

# 空间曲面切平面

  • F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 的切平面为Fx′(x0,y0,z0)(x−x0)+Fy′(x0,y0,z0)(y−y0)+Fz′(x0,y0,z0)(z−z0)=0F_x'(x_0,y_0,z_0)(x-x_0)+F_y'(x_0,y_0,z_0)(y-y_0)+F_z'(x_0,y_0,z_0)(z-z_0)=0

  • 法线直接求切平面法线。

# 条件极值

  • 求解f(x1,x2,...,xn)f(x_1,x_2,...,x_n) 在约束组ϕi(x1,x2,...,xn)=0,i=1,2,..,m\phi_i(x_1,x_2,...,x_n)=0,i=1,2,..,m 情况下的极值。

  • 拉格朗日数乘法,令L=f+∑i=1mλiϕiL=f+\sum_{i=1}^m\lambda_i \phi_i

    求解方程组{∂L∂xi=0∂L∂λi=0\left\{\begin{aligned}\frac{\partial L}{\partial x_i}=0\\\frac{\partial L}{\partial \lambda_i}=0\end{aligned}\right.

  • 验证 f 的黑塞矩阵在所求出的(x1,x2,...,xn)(x_1,x_2,...,x_n) 处是否是正定矩阵(极小值),或负定矩阵(极大值)。

# 含参量积分

# 含参量正常积分

# 性质

# 连续性

  • 若f(x,y)f(x,y) 在区域G={(x,y)∣a≤x≤b,c(x)≤y≤d(x)}G=\{(x,y)|a\leq x\leq b,c(x)\leq y\leq d(x)\} 上连续,且c(x),d(x)c(x),d(x) 在[a,b][a,b] 上连续,则

    含参量积分F(x)=∫c(x)d(y)f(x,y)dyF(x)=\int_{c(x)}^{d(y)}f(x,y)dy 在[a,b][a,b] 上连续。

# 可微性

  • 若ff 与∂∂x\frac{\partial}{\partial x} 在[a,b]×[c,d][a,b]\times[c,d] 上连续,则F(x)=∫cdf(x,y)dyF(x)=\int_c^df(x,y)dy 可微,且

    dF(x)=[∫cd∂∂xf(x,y)dy]dxdF(x)=[\int_c^d\frac{\partial}{\partial x}f(x,y)dy]dx

  • ddx∫c(x)d(x)f(x,y)dy=∫c(x)d(x)∂∂xf(x,y)dy+f(x,d(x))d′(x)−f(x,c(x))c′(x)\frac{d}{dx}\int_{c(x)}^{d(x)}f(x,y)dy= \int_{c(x)}^{d(x)}\frac{\partial}{\partial x}f(x,y)dy+f(x,d(x))d'(x)-f(x,c(x))c'(x)

# 可积性

  • 若ff 在[a,b]×[c,d][a,b]\times[c,d] 上可积,有

    ∫abdx∫cdfdy=∫cddy∫abfdx\int_a^bdx\int_c^dfdy=\int_c^ddy\int_a^bfdx

# 含参量反常积分

# 定义

  • 含参量反常积分F(x)=∫a+∞f(x,y)dyF(x)=\int_a^{+\infin}f(x,y)dy 要求反常积分在[a,b][a,b] 上处处收敛。

  • 一致收敛性:一致(对于 x)收敛(指无穷积分收敛),即:

    ∀ϵ>0,∃N∈N∗,s.t.∀x∈[a,b],M>N,都有∣∫a+∞f(x,y)dy−∫aMf(x,y)dy∣<ϵ\forall\epsilon>0,\exists N\in N^*,s.t.\forall x\in[a,b],M>N,都有|\int_a^{+\infin}f(x,y)dy-\int_a^Mf(x,y)dy|<\epsilon

# 一致收敛性的判别法

# M 判别法

  • 设∫a+∞f(x,y)dy\int_a^{+\infin}f(x,y)dy 在x∈Tx\in T 上收敛,若

    ∣f(x,y)∣≤F(y),a≤y<+∞,且∫a+∞F(y)dy收敛|f(x,y)|\leq F(y),a\leq y<+\infin,且\int_a^{+\infin}F(y)dy收敛

    则∫a+∞f(x,y)dy\int_a^{+\infin}f(x,y)dy 关于x∈Tx\in T 一致收敛。

# 阿贝尔判别法

  • 若∫a+∞f(x,y)dy\int_a^{+\infin}f(x,y)dy 关于 x 一致收敛

    g(x,y)g(x,y) 关于 y 单调,且作为二元函数是有界的

    则∫a+∞f(x,y)g(x,y)dy\int_a^{+\infin}f(x,y)g(x,y)dy 关于 x 一致收敛

# 迪利克雷判别法

  • 若∀A≥a,∫aAf(x,y)dy\forall A\geq a,\int_a^Af(x,y)dy 关于 x 一致有界

    g(x,y)g(x,y) 关于 y 单调且极限lim⁡y→∞g(x,y)=0\lim_{y\rightarrow\infin}g(x,y)=0 关于 x 是一致的

    则∫a+∞f(x,y)g(x,y)dy\int_a^{+\infin}f(x,y)g(x,y)dy 关于 x 一致收敛

# Dini 定理

  • 设f(x,y)f(x,y) 在D={a≤y<+∞,α≤x≤β}D=\{a\leq y<+\infin,\alpha\leq x\leq \beta\} 上连续不变号,ϕ(x)=∫a+∞f(x,y)dy\phi(x)=\int_a^{+\infin}f(x,y)dy 在[α,β][\alpha,\beta] 上连续,则

    ∫a+∞f(x,y)dy关于x∈[α,β]一致收敛\int_a^{+\infin}f(x,y)dy关于x\in[\alpha,\beta]一致收敛

# 性质

# 连续性

  • 设ff 在[a,b]×[c,+∞)[a,b]\times[c,+\infin) 上连续,若F(x)=∫c+∞f(x,y)dyF(x)=\int_c^{+\infin}f(x,y)dy 在[a,b][a,b] 上一致收敛,则F(x)F(x) 在[a,b][a,b] 上连续。

# 可微性

  • 设f,fx′在f,f_x'在[a,b]×[c,+∞)[a,b]\times[c,+\infin) 上连续,, 若I(x)=∫c+∞f(x,y)dyI(x)=\int_c^{+\infin}f(x,y)dy 在[a,b][a,b] 上处处收敛,∫c+∞fx′(x,y)dy\int_c^{+\infin}f_x'(x,y)dy 在[a,b][a,b] 上一致收敛,则I(x)I(x) 在[a,b][a,b] 上可微,I′(x)=∫abfx′(x,y)dyI'(x)=\int_a^bf_x'(x,y)dy

# 可积性

  • 设ff 在[a,b]×[c,+∞)[a,b]\times[c,+\infin) 上连续,若F(x)=∫c+∞f(x,y)dyF(x)=\int_c^{+\infin}f(x,y)dy 在[a,b][a,b] 上一致收敛,则

    ∫abdx∫c+∞f(x,y)dy=∫c+∞dy∫abf(x,y)dx\int_a^bdx\int_c^{+\infin}f(x,y)dy=\int_c^{+\infin}dy\int_a^bf(x,y)dx

# 变量等价性

设ff 在[a,+∞)×[c,+∞)[a,+\infin)\times[c,+\infin) 上连续

  • 若∫a+∞f(x,y)dx\int_a^{+\infin}f(x,y)dx 关于 y 在任何闭区间上一致收敛,则∫c+∞f(x,y)dy\int_c^{+\infin}f(x,y)dy 关于 x 在任何闭区间上一致收敛。
  • 积分∫a+∞dx∫c+∞∣f∣dy\int_a^{+\infin}dx\int_c^{+\infin}|f|dy 与∫c+∞dy∫a+∞∣f∣dx\int_c^{+\infin}dy\int_a^{+\infin}|f|dx 中如果有一个收敛则另一个也收敛,且两者相等。

# 欧拉积分

B(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx(p,q>0),Γ(s)=∫p+∞xs−1e−xdxB(p,q)=\int_0^1x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx(p,q>0),\Gamma(s)=\int_p^{+\infin}x^{s-1}e^{-x}dx

称为第一类、第二类欧拉积分

# 性质

Γ(s+1)=sΓ(s),s>0lnΓ(s)下凸Γ(2s)=22s−1πΓ(s)Γ(s+12)\Gamma(s+1)=s\Gamma(s),s>0\\ ln\Gamma(s)下凸\\ \Gamma(2s)=\frac{2^{2s-1}}{\sqrt{\pi}}\Gamma(s)\Gamma(s+\frac{1}{2})\\

余元公式:

Γ(s)Γ(1−s)=πsin(sπ)\Gamma(s)\Gamma(1-s)=\frac{\pi}{sin(s\pi)}

B(p,q)=B(q,b)B(p,q+1)=qp+qB(p,q)B(m,n)=(m−1)!(n−1)!(m+n−1)!B(p,q)=B(q,b)\\ B(p,q+1)=\frac{q}{p+q}B(p,q)\\ B(m,n)=\frac{(m-1)!(n-1)!}{(m+n-1)!}

B(p,q)=Γ(p)Γ(q)Γ(p+q)Γ(s)=∫0+∞xs−1e−xdx=2∫0+∞x2s−1e−x2dx=ps∫0+∞xs−1e−pxdxB(p,q)=∫01xp−1(1−x)q−1dx=2∫0π2sin2q−1θcos2p−qθdθB(p,q)=\frac{\Gamma(p)\Gamma(q)}{\Gamma(p+q)}\\ \Gamma(s)=\int_0^{+\infin}x^{s-1}e^{-x}dx=2\int_0^{+\infin}x^{2s-1}e^{-x^2}dx=p^s\int_0^{+\infin}x^{s-1}e^{-px}dx\\ B(p,q)=\int_0^1x^{p-1}(1-x)^{q-1}dx=2\int_0^{\frac{\pi}{2}}sin^{2q-1}\theta cos^{2p-q}\theta d\theta

# 曲线积分

# 第一型曲线积分

# 性质

  • 线性性、可加性、单调性、绝对可积性、中值性

# 计算

  • 若L={x=x(t)y=y(t),t∈[α,β]L=\left\{\begin{aligned}x=x(t)\\y=y(t)\end{aligned}\right.,t\in[\alpha,\beta],则

    ∫Lf(x,y)ds=∫αβf(x(t),y(t))x′(t)2+y′(t)2dt\int_Lf(x,y)ds=\int_\alpha^\beta f(x(t),y(t))\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt

  • 若L:y=y(x),x∈[a,b]L:y=y(x),x\in[a,b] 则

    ∫Lf(x,y)ds=∫abf(x,y(x))1+y′(x)2dx\int_Lf(x,y)ds=\int_a^bf(x,y(x))\sqrt{1+y'(x)^2}dx

# 应用

对于空间曲线段 L,有

# 质量

m=∫Lρ(x,y)dsm=\int_L\rho(x,y)ds

# 重心

xˉ=∫Lxρ(x,y)ds∫Lρ(x,y)ds\bar{x}=\frac{\int_Lx\rho(x,y)ds}{\int_L\rho(x,y)ds}

# 转动惯量

Ix=∫Ly2ρ(x,y)dsI_x=\int_Ly^2\rho(x,y)ds

# 第二型曲线积分

∫LF⋅ds,其中F=(P(x,y),Q(x,y)),ds=(dx,dy)\int_L \textbf{F}\cdot\textbf{ds},其中\textbf{F}=(P(x,y),Q(x,y)),\textbf{ds}=(dx,dy)

# 性质

# 可加性

  • 积分的线段可以首尾相接,积分相加。

# 计算

L={x=x(t)y=y(t),t∈[α,β]∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβP(x(t),y(t))x′(t)dt+Q(x(t),y(t))y′(t)dtL=\left\{\begin{aligned}x=x(t)\\y=y(t)\end{aligned}\right.,t\in[\alpha,\beta]\\ \int_{AB}P(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_\alpha^\beta P(x(t),y(t))x'(t)dt+Q(x(t),y(t))y'(t)dt

# 应用

# 变力做功

W=∫LF(x,y)⋅dsW=\int_L\textbf{F}(x,y)\cdot\textbf{ds}

# 重积分

# 二重积分

# 定义

  • 注意分割时,应分割成 “n 个可求面积的小区域”,然后在每个小区域上任取点。

# 可积的条件

# 必要条件

  • 函数f(x,y)f(x,y) 在 D 上可积的必要条件是在 D 上有界。

# 充分条件

  • 有界闭区域 D 上的连续函数都可积
  • * 有界闭区域 D 上的有界函数 f,如果它的不连续点都落在有线条光滑曲线上,则它可积。

# 充要条件

  • 按照定义

    lim⁡∣T∣→0(S(T)−s(T))=0\lim_{|T|\rightarrow 0}(S(T)-s(T))=0

# 性质

# 线性性

# 区域可加性

  • 若两个积分的区域无公共内点,则两积分可加

# 单调性

# 绝对可积性

∣∬Df(x,y)dσ∣≤∬D∣f(x,y)∣dσ|\iint_Df(x,y)d\sigma|\leq\iint_D|f(x,y)|d\sigma

# 中值定理

∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)SD\iint_D f(x,y)d\sigma=f(\xi,\eta)S_D

# 二重积分转化为二次积分

f(x,y)在D={a≤x≤b,c(x)≤y≤d(x)}上可积,则∬Df(x,y)dσ=∫abdx∫c(x)d(x)f(x,y)dyf(x,y)在D=\{a\leq x\leq b,c(x)\leq y\leq d(x)\}上可积,则\\ \iint_Df(x,y)d\sigma=\int_a^bdx\int_{c(x)}^{d(x)}f(x,y)dy

# 格林公式

  • 若P(x,y),Q(x,y)P(x,y),Q(x,y) 在闭区域 D 上连续,且具有连续的一阶偏导数,则有

    ∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dσ=∮LPdx+Qdy\iint_D(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})d\sigma=\oint_LPdx+Qdy

    注:格林公式的 L 针对 xOy 平面上的二维曲线,取逆时针为方向。

# 路径无关性

单连通区域 D 内以下四个条件等价:

  • 按 D 内任一段光滑封闭曲线 L,都有∮LPdx+Qdy=0\oint_L Pdx+Qdy=0
  • 按 D 内任一段光滑封闭曲线 L,曲线积分∫LPdx+Qdy\int_L Pdx+Qdy 都只与起始点、终点有关,而与路径无关
  • Pdx+QdyPdx+Qdy 是 D 内某一函数的全微分du=Pdx+Qdydu=Pdx+Qdy
  • 在 D 内处处满足\frac{\partial P}{\partial y}\equiv\frac{\partial Q}

# 二重积分的变量变换

∬Df(x,y)dσ=∬Df(x(u,v),y(u,v))∣∂(x,y)∂(u,v)∣dσ\iint_Df(x,y)d\sigma=\iint_Df(x(u,v),y(u,v))|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}|d\sigma

特别地,x=rcosθ,y=rsinθx=rcos\theta,y=rsin\theta 时,∣∂(x,y)∂(u,v)∣=r|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}|=r,所以dσ=dxdy=rdrdθd\sigma=dxdy=rdrd\theta

# 重积分的应用

# 曲面面积

  • z=f(x,y)z=f(x,y) 在区域 D 内的曲面面积为

    ΔS=∬D1+fx′2+fy′2dxdy\Delta S=\iint_D\sqrt{1+f_x'^2+f_y'^2}dxdy

  • 曲面{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\left\{\begin{aligned}x=x(u,v)\\y=y(u,v)\\z=z(u,v)\end{aligned}\right. 在区域 D 内((u,v)∈D(u,v)\in D)的面积为

    ΔS=∬DEG−F2dudv\Delta S=\iint_D\sqrt{EG-F^2}dudv

    其中,E=xu′2+yu′2+zu′2,G=xv′2+yv′2+zv′2,F=xu′xv′+yu′yv′+zu′+zv′E=x_u'^2+y_u'^2+z_u'^2,G=x_v'^2+y_v'^2+z_v'^2,F=x_u'x_v'+y_u'y_v'+z_u'+z_v'

# 薄片的质量、重心、转动惯量等

# 曲面积分

# 第一型曲面积分

  • 由z=z(x,y)z=z(x,y) 定义的曲面上的积分

    ∬Sf(x,y,z)dS=∬Df(x,y,z(x,y))1+zx′2+zy′2dxdy\iint_Sf(x,y,z)dS=\iint_Df(x,y,z(x,y))\sqrt{1+z_x'^2+z_y'^2}dxdy

    其中,D 是 S 在 xOy 平面上的投影。本质就是dS=1+zx′2+zy′2dxdydS=\sqrt{1+z_x'^2+z_y'^2}dxdy

  • 曲面{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\left\{\begin{aligned}x=x(u,v)\\y=y(u,v)\\z=z(u,v)\end{aligned}\right. 在区域 D 内((u,v)∈D(u,v)\in D)

    ΔS=∬Df(x(u,v),y(u,v),z(u,v))EG−F2dudv\Delta S=\iint_Df(x(u,v),y(u,v),z(u,v))\sqrt{EG-F^2}dudv

    其中,E=xu′2+yu′2+zu′2,G=xv′2+yv′2+zv′2,F=xu′xv′+yu′yv′+zu′+zv′E=x_u'^2+y_u'^2+z_u'^2,G=x_v'^2+y_v'^2+z_v'^2,F=x_u'x_v'+y_u'y_v'+z_u'+z_v'

# 第二型曲面积分

  • 由z=z(x,y)z=z(x,y) 定义的曲面上的积分

    ∬SR(x,y,z)dxdx=±∬DxyR(x,y,z(x,y))dxdy\iint_S R(x,y,z)dxdx=\pm\iint_{D_{xy}}R(x,y,z(x,y))dxdy

    其中,DxyD_{xy} 为曲面在 xOy 平面上的投影。

    关于符号,若取曲面的上侧为正,符号为正,反之为负。

    (上侧我理解为沿着坐标轴正方向移动一点得到的侧面)

  • 曲面{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)\left\{\begin{aligned}x=x(u,v)\\y=y(u,v)\\z=z(u,v)\end{aligned}\right.,有

    ∬SPdydz=±∬DP(x(u,v),y(u,v),z(u,v))∣∂(y,z)∂(u,v)∣dudv,(u,v)∈D\iint_S Pdydz=\pm\iint_D P(x(u,v),y(u,v),z(u,v))|\frac{\partial(y,z)}{\partial(u,v)}|dudv,(u,v)\in D

    本质还是dydz=∂(y,z)∂(u,v)∣dudvdydz=\frac{\partial(y,z)}{\partial(u,v)}|dudv

# 两类曲面积分的联系

  • 曲面F(x,y,z)F(x,y,z) 的法向量n\textbf{n},有

    dScos(n,x)=dydzdScos(n,y)=dxdzdScos(n,z)=dxdydScos(\textbf{n},x)=dydz\\ dScos(\textbf{n},y)=dxdz\\ dScos(\textbf{n},z)=dxdy

# 高斯公式

  • 取封闭光滑曲面 S 外侧为正,有(要求有连续一阶偏导数)

    \oiintSPdydz+Qdzdz+Rdxdy=∭V(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dxdydz\oiint_SPdydz+Qdzdz+Rdxdy=\iiint_V(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z})dxdydz

# 斯托克斯公式

  • ∮LPdx+Qdy+Rdz=∬S∣dydzdzdxdxdy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣\oint_LPdx+Qdy+Rdz=\iint_S \left|\begin{array}{cccc} dydz&dzdx&dxdy\\ \frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\ P&Q&R \end{array}\right|

    其中,要求 L 的方向满足:L 围成的曲面 S 在 L 走向的左侧。否则需要取负号

# 空间积分与路径无关

在空间单连通区域Ω\Omega 上,P,Q,R 均有连续的一阶偏导数,以下四个条件等价

  • 沿Ω\Omega 内任一光滑封闭曲线,有∮LPdx+Qdy+Rdz=0\oint_L Pdx+Qdy+Rdz=0
  • 对Ω\Omega 中任一按段光黄曲线 L,有∮LPdx+Qdy+Rdz=0\oint_L Pdx+Qdy+Rdz=0 与路径无关,只与起点,终点有关。
  • Pdx+Qdy+RdzPdx+Qdy+Rdz 为Ω\Omega 内某一函数的全微分du=Pdx+Qdy+Rdzdu=Pdx+Qdy+Rdz
  • ∂P∂y=∂Q∂x,∂Q∂z=∂R∂y,∂R∂x=∂P∂z\frac{\partial P}{\partial y}=\frac{\partial Q}{\partial x},\frac{\partial Q}{\partial z}=\frac{\partial R}{\partial y},\frac{\partial R}{\partial x}=\frac{\partial P}{\partial z} 在Ω\Omega 内处处成立(即用斯托克斯公式后,曲面积分为∬0dydz+0dxdy+0dxdz\iint 0dydz+0dxdy+0dxdz)

# 场论初步

# 数量场的梯度场

u=u(x,y,z)为数量场▽u=(∂u∂x,∂u∂y,∂u∂z)为梯度场(向量场)u=u(x,y,z)为数量场\\ \triangledown u=(\frac{\partial u}{\partial x},\frac{\partial u}{\partial y},\frac{\partial u}{\partial z})为梯度场(向量场)

# 向量场的散度场

A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))为向量场divA(x,y,z)=∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z为散度场(数量场)A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))为向量场\\ divA(x,y,z)=\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}为散度场(数量场)\\

# 向量场的旋度场

A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))为向量场rotA(x,y,z)=∣i^j^k^∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣为旋度场(向量场)A(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))为向量场\\ rotA(x,y,z)=\left|\begin{array}{cccc} \hat{i}&\hat{j}&\hat{k}\\ \frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\ P&Q&R \end{array}\right|为旋度场(向量场)

# 场的高斯公式与斯托克斯公式

  • 与之前定义等价,两公式可改写为

    ∭VdivAdV=\oiintSA⋅n^dS高斯公式∬SrotA⋅n^dS=∮LA⋅n^dS斯托克斯公式n^为曲面单位法向量\iiint_V divAdV=\oiint_S\textbf{A}\cdot \hat{n}dS高斯公式\\ \iint_S rotA\cdot \hat{n}dS=\oint_L\textbf{A}\cdot\hat{n}dS斯托克斯公式\\ \hat{n}为曲面单位法向量

# 常微分方程

# 一阶线性微分方程

dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)

例:

dydx+1xlnxy=1x先解齐次方程dydx+1xlnxy=0⇒y=Clnx再常数变易,令C=C(x),代入原方程,有C′(x)=lnxx⇒C(x)=12ln2x+C所以原方程解为y=12ln2x+Clnx\frac{dy}{dx}+\frac{1}{xlnx}y=\frac{1}{x}\\ 先解齐次方程\frac{dy}{dx}+\frac{1}{xlnx}y=0\Rightarrow y=\frac{C}{lnx}\\ 再常数变易,令C=C(x),代入原方程,有\\ C'(x)=\frac{lnx}{x}\Rightarrow C(x)=\frac{1}{2}ln^2x+C\\ 所以原方程解为y=\frac{\frac{1}{2}ln^2x+C}{lnx}

# Bernoulli 方程

dydx+P(x)y=Q(x)yα同时除以yα⇒1yαy′+P(x)1yα−1=Q(x)令u=1yα−1⇒11−αdudx+P(x)u=Q(x)化为一阶线性常微分方程\frac{dy}{dx}+P(x)y=Q(x)y^\alpha\\ 同时除以y^\alpha\Rightarrow \frac{1}{y^\alpha}y'+P(x)\frac{1}{y^{\alpha-1}}=Q(x)\\ 令u=\frac{1}{y^{\alpha-1}}\Rightarrow \frac{1}{1-\alpha}\frac{du}{dx}+P(x)u=Q(x)化为一阶线性常微分方程

# 高阶微分方程(可降阶)

yy′′=y′2令y′=p⇒y⋅p⋅dpdy=p2yy''=y'^2\\ 令y'=p\Rightarrow y\cdot p\cdot\frac{dp}{dy}=p^2

# 高阶齐次线性微分方程

y(n)+p1y(n−1)+...+pny(0)=0y^{(n)}+p_1y^{(n-1)}+...+p_ny^{(0)}=0

特征方程为rn+p1rn−1+...+pn=0r^n+p_1r^{n-1}+...+p_n=0

  • 若方程中每有一个 k 重实根,结果中就多一项(C_0+C_1x+...C_{k-1}x^{k-1})e^

  • 若方程中每有一对虚根 (r1,r2=α±βir_1,r_2=\alpha\pm\beta i),结果中就多一项(C_1cos\beta x+C_2sin\beta x)e^

最后就是这些结果加起来为y=\sum(C_0+C_1x+...C_{k-1}x^{k-1})e^{rk}+\sum(C_1cos\beta x+C_2sin\beta x)e^

# 高阶非齐次线性方程

y(n)+p1y(n−1)+...+pny(0)=f(x)y^{(n)}+p_1y^{(n-1)}+...+p_ny^{(0)}=f(x)

可以先解导出齐次方程y(n)+p1y(n−1)+...+pny(0)=0y^{(n)}+p_1y^{(n-1)}+...+p_ny^{(0)}=0 的通解\bar

再找一个非齐次的特解y∗y^*

则y=yˉ+y∗y=\bar{y}+y^*

例:2y′′+y′−y=2ex2y''+y'-y=2e^x

可以猜特解为y=Q(x)eλx解得y=ex+C1e−x+C2e12x可以猜特解为y=Q(x)e^{\lambda x}\\解得 y=e^x+C_1e^{-x}+C_2e^{\frac{1}{2}x}

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