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前言
本文是 Calculus II(Thomas’ Calculus)的完整复习总览,覆盖第 10 章至第 16 章的全部核心内容。笔记整合了教材、课堂 PPT 以及 2022-2025 年历年期末考试真题的考点分析。
文中以 【考点】 标注考试高频/必考题型,并注明出现频率(如【3年3考·必考】、【3年2考·高频】、【期中核心·40分】等),帮助你按优先级分配复习时间。
考试结构速览:
| 考试 | 核心内容 | 分数权重 |
|---|
| 期中 | Ch10 级数 (40分) + Ch10 幂级数 (20分) + Ch11 极坐标面积弧长 (20分) + Ch12 空间平面方程/夹角 (20分) | 100分 |
| 期末 Q1 | Ch14 偏导数与微分 | 20-25分 |
| 期末 Q2 | Ch14 极值应用 (无条件极值 + Lagrange乘数法) | 18-25分 |
| 期末 Q3 | Ch15 多重积分 | 30-40分 |
| 期末 Q4 | Ch16 向量场积分 | 20-25分 |
知识脉络总览
章节关联图
flowchart TD
Ch10["Ch10 无穷序列与级数"] --> Ch11["Ch11 参数方程与极坐标"]
Ch11 --> Ch13["Ch13 向量值函数与空间运动"]
Ch10 --> Ch14["Ch14 偏导数"]
Ch12["Ch12 向量与空间几何"] --> Ch13
Ch12 --> Ch14
Ch12 --> Ch15["Ch15 多重积分"]
Ch14 --> Ch15
Ch14 --> Ch16["Ch16 向量场中的积分"]
Ch15 --> Ch16
Ch12 --> Ch16
Ch13 --> Ch16
各章节定位
| 章节 | 核心主题 | 在知识体系中的角色 |
|---|
| Ch10 无穷序列与级数 | 序列极限、级数敛散性、幂级数、Taylor展开 | 函数近似与表示的理论基础,期中考试核心 |
| Ch11 参数方程与极坐标 | 参数曲线微积分、极坐标面积与弧长、圆锥曲线 | 曲线描述的替代方法,平面上的微积分工具 |
| Ch12 向量与空间几何 | 点积/叉积、直线平面方程、二次曲面、柱/球坐标 | 三维空间的基础语言,后续所有章节的前提 |
| Ch13 向量值函数 | 曲线运动、曲率挠率、TNB标架、抛体运动 | 空间中曲线运动的完整描述 |
| Ch14 偏导数 | 偏导数、链式法则、梯度、切平面、极值、Lagrange乘数法 | 一元微积分向多元的推广,期末考试 Q1+Q2 |
| Ch15 多重积分 | 二重/三重积分、坐标变换、Jacobian、质心/转动惯量 | 多元积分学,期末考试 Q3(分值最大) |
| Ch16 向量场积分 | 线积分、曲面积分、Green/Stokes/散度定理 | 多元微积分的顶峰与统一,期末考试 Q4 |
核心思维链
一元微积分 → 无穷级数近似 (Ch10) → 多元函数微分 (Ch14) → 多元函数积分 (Ch15) → 向量场统一理论 (Ch16)
工具链:向量空间几何 (Ch12) → 向量值函数/曲线 (Ch13) → 方向导数/梯度 (Ch14) → 线积分/曲面积分 (Ch16)
坐标链:直角坐标 → 极坐标 (Ch11) → 柱坐标 (Ch12/15) → 球坐标 (Ch12/15) → Jacobian一般变换 (Ch15)
第十章:无穷序列与级数 (Infinite Sequences and Series)
【期中核心】 本章占期中考试约 60 分(级数判别 40 分 + 幂级数 20 分),是期中的绝对重点。
10.1 序列 (Sequences)
基本定义
序列 (Sequence): 定义在正整数集上的函数,记作 {an}n=1∞,an 称为通项 (general term)。
序列的极限 (Limit of a Sequence): 如果对于任意 ε>0,存在正整数 N,使得当 n>N 时,有 ∣an−L∣<ε,则称序列收敛于极限 L:
n→∞liman=L
如果极限不存在(包括趋于无穷大、无穷小、或振荡不收敛),则称序列发散 (diverges)。
有界序列 (Bounded Sequence):
- 如果存在实数 M,使得对所有 n,有 an≤M,则序列上有界 (bounded above)。
- 如果存在实数 m,使得对所有 n,有 an≥m,则序列下有界 (bounded below)。
- 如果序列既上有界又下有界,则称其有界 (bounded)。
单调序列 (Monotonic Sequence):
- 如果对所有 n,an≤an+1,则序列单调递增 (nondecreasing/increasing)。
- 如果对所有 n,an≥an+1,则序列单调递减 (nonincreasing/decreasing)。
重要定理
定理 1 – 单调有界定理 (Monotonic Bounded Theorem):
如果一个序列是单调的且有界,则该序列收敛。具体来说:单调递增 + 上有界 ⇒ 收敛;单调递减 + 下有界 ⇒ 收敛。
定理 2 – 夹逼定理 (Squeeze Theorem for Sequences):
若对所有 n≥n0,有 an≤bn≤cn,且 limn→∞an=limn→∞cn=L,则 limn→∞bn=L。
定理 3 – 函数的极限与序列的极限:
如果 limx→∞f(x)=L,且 f(n)=an 对所有正整数 n 成立,则 limn→∞an=L。这使我们能够使用 L’Hopital 法则计算序列的极限。
定理 4 – 连续函数与序列极限:
若序列 {an} 收敛于 L,且函数 f 在 x=L 处连续,则 limn→∞f(an)=f(L)。
定理 5 – 极限的四则运算:
若 liman=A 且 limbn=B(均收敛),则:
- lim(an±bn)=A±B
- lim(an⋅bn)=A⋅B
- 若 B=0,limbnan=BA
- lim(c⋅an)=c⋅A
常见序列极限
n→∞limnlnn=0
n→∞limnn=1
n→∞limx1/n=1(x>0)
n→∞limxn=0(∣x∣<1)
n→∞lim(1+nx)n=ex
n→∞limn!xn=0(对任意 x)
10.2 无穷级数 (Infinite Series)
定义
无穷级数: 给定序列 {an},无穷级数是其项的和:
n=1∑∞an=a1+a2+a3+⋯
部分和序列 (Sequence of Partial Sums):
sn=k=1∑nak=a1+a2+⋯+an
如果部分和序列 {sn} 收敛于有限极限 S,则称无穷级数收敛于和 S。如果 {sn} 发散,则级数发散。
级数的余项 (Remainder):
Rn=S−sn=an+1+an+2+⋯=k=n+1∑∞ak
几何级数 (Geometric Series)
n=0∑∞arn=a+ar+ar2+ar3+⋯
部分和公式:sn=1−ra(1−rn),r=1
- 若 ∣r∣<1,级数收敛,和为 1−ra
- 若 ∣r∣≥1,级数发散
常用形式:n=0∑∞rn=1−r1,∣r∣<1
伸缩级数 (Telescoping Series)
部分和可以通过相互抵消简化。典型形式:∑(bn−bn+1)
n=1∑∞(n1−n+11)=1
一般方法:使用部分分式分解 (partial fraction decomposition),写出前几项,观察抵消模式。
发散判别法 (nth-Term Test for Divergence)
【考点·基础】 这是判断发散的第一步筛查。
如果 n→∞liman=0(或者极限不存在),则 n=1∑∞an 发散。
注意: 如果 liman=0,此判别法不能得出结论——级数可能收敛也可能发散(如调和级数 ∑n1 满足 an→0 但发散)。
10.3 积分判别法 (The Integral Test) – 【期中核心·40分】
设 {an} 为正项序列。如果存在一个定义在 [1,∞) 上的连续、正值、递减函数 f(x),使得 f(n)=an 对所有正整数 n 成立,则级数和广义积分同敛散:
n=1∑∞an和∫1∞f(x)dx
条件总结:
- f(x) 在 [1,∞) 上连续
- f(x)>0(取正值)
- f(x) 递减(导数 f′(x)<0)
- f(n)=an
余项估计: 若级数收敛,则:
∫n+1∞f(x)dx≤Rn≤∫n∞f(x)dx
p-级数 (p-Series) – 【期中核心·必考】
n=1∑∞np1
- 若 p>1,则 p-级数收敛
- 若 p≤1,则 p-级数发散
特例 – 调和级数 (Harmonic Series): p=1 时发散:
n=1∑∞n1=1+21+31+⋯发散
调和级数发散是微积分中最重要的"反直觉"结果之一:项趋于 0 但级数发散。
10.4 比较判别法 (Comparison Tests) – 【期中核心·40分】
直接比较判别法 (Direct Comparison Test)
设 ∑an 和 ∑bn 为正项级数,满足对所有 n≥N 有 0≤an≤bn。
- 如果 ∑bn 收敛,则 ∑an 收敛
- 如果 ∑an 发散,则 ∑bn 发散
极限比较判别法 (Limit Comparison Test)
设 ∑an 和 ∑bn 为正项级数。考虑极限:
n→∞limbnan=c
- 如果 0<c<∞(c 为有限正数),则两级数同敛散
- 如果 c=0 且 ∑bn 收敛,则 ∑an 收敛
- 如果 c=∞ 且 ∑bn 发散,则 ∑an 发散
使用策略:
- 找出级数的主导项
- 选择合适的比较级数(通常是 p-级数或几何级数)
- 计算极限
10.5 比值判别法与根值判别法 (Ratio and Root Tests) – 【期中核心·40分】
比值判别法 (Ratio Test)
设 ∑an 为项级数。令:
n→∞limanan+1=ρ
- 如果 ρ<1,则级数绝对收敛
- 如果 ρ>1(或 ρ=∞),则级数发散
- 如果 ρ=1,判别法无结论
适用场景: 通项含有阶乘 (n!)、指数 (an、rn)、或乘积项。
根值判别法 (Root Test)
设 ∑an 为项级数。令:
n→∞limn∣an∣=ρ
- 如果 ρ<1,则级数绝对收敛
- 如果 ρ>1(或 ρ=∞),则级数发散
- 如果 ρ=1,判别法无结论
适用场景: 通项含有 n 次幂(如 an=(⋯)n 形式)。
有用的事实: limn→∞nn=1,limn→∞nn!=∞
10.6 交错级数、绝对收敛与条件收敛 – 【期中核心】
交错级数判别法 (Alternating Series Test / Leibniz Test)
设级数具有形式 ∑n=1∞(−1)n−1bn(bn>0)。如果满足以下三个条件:
- bn>0 对所有 n
- {bn} 是递减序列(即 bn+1≤bn)
- limn→∞bn=0
则交错级数收敛。
余项估计: ∣Rn∣≤bn+1,即近似误差不超过第一个被省略的项的绝对值。
交错调和级数: ∑n(−1)n−1=ln2(条件收敛的经典例子)
绝对收敛 (Absolute Convergence)
级数 ∑an 绝对收敛 如果 ∑∣an∣ 收敛。
定理: 绝对收敛 ⇒ 收敛。
条件收敛 (Conditional Convergence)
级数 ∑an 条件收敛 如果它收敛但非绝对收敛(即 ∑an 收敛而 ∑∣an∣ 发散)。
绝对收敛级数的重排定理:
- 如果 ∑an 绝对收敛,则其任意重排均收敛于相同的和。
- 如果 ∑an 条件收敛,则可通过重排使其收敛于任意实数(Riemann 重排定理)。
策略总结 – 判断级数收敛性的步骤
- 检查第 n 项: liman=0?则发散(nth-Term Test)。
- 检查特殊类型:
- 几何级数?∑arn−1:∣r∣<1 收敛。
- p-级数?∑1/np:p>1 收敛。
- 伸缩级数?直接求部分和极限。
- 检查正项级数:
- 含阶乘或 n 次幂?比值或根值判别法。
- 含多项式和根号?极限比较判别法。
- 通项可积?积分判别法。
- 检查交错级数: 使用交错级数判别法。
- 区分绝对/条件收敛。
10.7 幂级数 (Power Series) – 【期中·20分】
定义
幂级数 (Power Series) 关于 x=a:
n=0∑∞cn(x−a)n
其中 a 称为幂级数的中心 (center),cn 为系数 (coefficients)。
幂级数的收敛性
存在三种可能:
- 仅在 x=a 处收敛(半径 R=0)
- 对所有 x∈R 收敛(半径 R=∞)
- 存在 R>0,使得级数在 ∣x−a∣<R 时收敛,在 ∣x−a∣>R 时发散
收敛半径 (Radius of Convergence)
求法 1 – 使用比值判别法:
R=n→∞limcn+1cn(若极限存在)
求法 2 – 使用根值判别法:
R=limn→∞n∣cn∣1(若极限存在)
收敛区间 (Interval of Convergence): 端点的收敛性需要单独检验(代入原级数,使用判别法判断)。
逐项微分与逐项积分
定理: 若幂级数的收敛半径为 R>0,则在区间 (a−R,a+R) 内:
- 逐项微分: f′(x)=∑n=1∞ncn(x−a)n−1,收敛半径也为 R。
- 逐项积分: ∫f(x)dx=C+∑n=0∞n+1cn(x−a)n+1,收敛半径也为 R。
幂级数在其收敛区间内部可以像多项式一样逐项微积分,且收敛半径保持不变。
10.8 Taylor 级数与 Maclaurin 级数 (Taylor and Maclaurin Series) – 【期中·20分】
定义
Taylor 级数(在 x=a 处):
f(x)=n=0∑∞n!f(n)(a)(x−a)n
Maclaurin 级数(a=0):
f(x)=n=0∑∞n!f(n)(0)xn
重要 Maclaurin 级数(必须熟记) – 【期中考点·必背】
1. 指数函数 ex:
ex=n=0∑∞n!xn=1+x+2!x2+3!x3+⋯,R=∞
2. 正弦函数 sinx:
sinx=n=0∑∞(2n+1)!(−1)nx2n+1=x−3!x3+5!x5−⋯,R=∞
3. 余弦函数 cosx:
cosx=n=0∑∞(2n)!(−1)nx2n=1−2!x2+4!x4−⋯,R=∞
4. 自然对数 ln(1+x):
ln(1+x)=n=1∑∞n(−1)n−1xn=x−2x2+3x3−⋯,−1<x≤1
5. 反正切 tan−1x(或 arctanx):
tan−1x=n=0∑∞2n+1(−1)nx2n+1=x−3x3+5x5−⋯,−1≤x≤1
6. 二项式级数 (1+x)k:
(1+x)k=n=0∑∞(nk)xn=1+kx+2!k(k−1)x2+⋯
其中 (nk)=n!k(k−1)⋯(k−n+1)。收敛区间:∣x∣<1(若 k 不是非负整数)。
7. 几何级数 1−x1:
1−x1=n=0∑∞xn=1+x+x2+x3+⋯,∣x∣<1
10.9 Taylor 级数的收敛性 (Convergence of Taylor Series)
Taylor 定理与余项
Taylor 定理: 如果 f 及其前 n 阶导数在含 a 和 x 的区间上连续,且 f(n+1) 在该区间上存在,则:
f(x)=Pn(x)+Rn(x)
其中 Pn(x) 为 n 阶 Taylor 多项式,Rn(x) 为余项。
Lagrange 形式的余项:
Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(c)(x−a)n+1
其中 c 是 a 与 x 之间的某个数。
Lagrange 误差界 – 【考点】
如果对于 a 与 x 之间的所有 t,有 ∣f(n+1)(t)∣≤M,则:
∣Rn(x)∣≤(n+1)!M∣x−a∣n+1
要证明 Taylor 级数等于原函数,需证明 limn→∞Rn(x)=0。
标准反例: f(x)={e−1/x2,0,x=0x=0 在 x=0 的所有导数为 0,Maclaurin 级数为 0,但 f(x)=0(当 x=0)。
10.10 二项式级数及其应用 (The Binomial Series and Applications)
二项式级数
对任意实数 k:
(1+x)k=n=0∑∞(nk)xn
- 若 k 为非负整数,级数为有限项(普通二项式定理)
- 若 k 不是非负整数,级数在 ∣x∣<1 时收敛
Taylor 级数的应用:
- 数值近似计算: 用 Taylor 多项式近似定积分(如 ∫01e−x2dx)
- 求极限: 如 limx→0x3sinx−x=−61
第十一章:参数方程与极坐标 (Parametric Equations and Polar Coordinates)
【期中·20分】 本章极坐标面积与弧长是期中必考内容。
11.1 参数化与平面曲线
参数方程用一个参数 t 来描述曲线上点的坐标:
x=f(t),y=g(t),t∈I
常见参数化:
| 曲线 | 参数方程 |
|---|
| 直线 | x=x0+at,y=y0+bt |
| 圆 | x=h+Rcost,y=k+Rsint |
| 椭圆 | x=h+acost,y=k+bsint |
| 摆线 (Cycloid) | x=a(t−sint),y=a(1−cost) |
消去参数的三种方法:
- 从一个方程解出 t,代入另一个方程
- 利用三角恒等式(如 cos2t+sin2t=1)
- 代数处理
11.2 参数曲线的微积分 (Calculus with Parametric Curves) – 【考点】
一阶导数(切线斜率)
dxdy=dx/dtdy/dt=x′(t)y′(t)
- 如果 dx/dt=0 且 dy/dt=0,则切线是垂直的
- 如果 dy/dt=0 且 dx/dt=0,则切线是水平的
二阶导数
dx2d2y=dtdxdtd(dxdy)
注意:dx2d2y=d2x/dt2d2y/dt2!
参数曲线的弧长
L=∫αβ(dtdx)2+(dtdy)2dt
旋转曲面的表面积
绕 x 轴旋转(y≥0):
S=∫αβ2πy(dtdx)2+(dtdy)2dt
绕 y 轴旋转(x≥0):
S=∫αβ2πx(dtdx)2+(dtdy)2dt
11.3 极坐标 (Polar Coordinates)
极坐标由 (r,θ) 确定:
- r:从极点(原点)到该点的有向距离
- θ:从极轴(正 x 轴)逆时针测量的角度
转换公式:
x=rcosθ,y=rsinθ
r2=x2+y2,tanθ=xy
11.4 极坐标中的图形绘制
对称性测试:
| 对称类型 | 测试条件 |
|---|
| 关于 x 轴 | (r,−θ) 或 (−r,π−θ) |
| 关于 y 轴 | (r,π−θ) 或 (−r,−θ) |
| 关于极点 | (−r,θ) 或 (r,θ+π) |
常见极坐标曲线:
| 曲线 | 方程 | 特征 |
|---|
| 心形线 (Cardioid) | r=a(1±cosθ) 或 r=a(1±sinθ) | 心形,一个尖端 |
| 蜗线 (Limaçon) | r=a±bcosθ 或 r=a±bsinθ | 取决于 a/b 比值 |
| 玫瑰线 (Rose) | r=acos(nθ) 或 r=asin(nθ) | n 奇数:n 瓣;n 偶数:2n 瓣 |
| 双纽线 (Lemniscate) | r2=a2cos(2θ) 或 r2=a2sin(2θ) | 8 字形 |
| 阿基米德螺旋线 | r=aθ | 螺旋,间距均匀 |
11.5 极坐标中的面积与弧长 – 【期中·20分】
极坐标面积 – 【考点】核心公式
A=∫αβ21r2dθ=21∫αβ[f(θ)]2dθ
两条极坐标曲线之间的面积:
A=21∫αβ([f(θ)]2−[g(θ)]2)dθ
其中 f(θ)≥g(θ)≥0(f 是外曲线,g 是内曲线)。
经典例题 – 心形线面积: r=a(1+cosθ)
A=21∫02πa2(1+cosθ)2dθ=23πa2
极坐标弧长
L=∫αβr2+(dθdr)2dθ
极坐标切线斜率
dxdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ,r′=dθdr
11.6 圆锥曲线 (Conic Sections)
焦点-准线定义: 圆锥曲线是平面内到定点 F(焦点)与到定直线 L(准线)距离之比为定值 e(离心率)的点的轨迹:
PDPF=e
| 离心率 | 类型 | 标准形式 |
|---|
| e=0 | 圆 (Circle) | x2+y2=a2 |
| 0<e<1 | 椭圆 (Ellipse) | a2x2+b2y2=1, c2=a2−b2 |
| e=1 | 抛物线 (Parabola) | y2=4px, 焦点 (p,0) |
| e>1 | 双曲线 (Hyperbola) | a2x2−b2y2=1, c2=a2+b2 |
11.7 极坐标中的圆锥曲线 – 【考点】
统一极坐标方程:
r=1±ecosθed或r=1±esinθed
根据 e 分类:
- e<1:椭圆
- e=1:抛物线
- e>1:双曲线
第十二章:向量与空间几何 (Vectors and Geometry of Space)
【期中·20分】 空间平面方程与夹角是期中重点。本章也是 Ch13-16 的 3D 基础。
12.1 三维坐标系
右手坐标系: 右手手指从正 x 轴弯向正 y 轴时,拇指指向正 z 轴。
距离公式:
∣P1P2∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2
球面方程: 以 (x0,y0,z0) 为球心、a 为半径:
(x−x0)2+(y−y0)2+(z−z0)2=a2
12.2 向量 (Vectors)
分量形式: PQ=⟨x2−x1,y2−y1,z2−z1⟩
向量大小: ∣v∣=v12+v22+v32
运算:
- 加法:u+v=⟨u1+v1,u2+v2,u3+v3⟩
- 标量乘法:ku=⟨ku1,ku2,ku3⟩
标准基向量: i=⟨1,0,0⟩, j=⟨0,1,0⟩, k=⟨0,0,1⟩
单位向量: u=∣v∣v
12.3 点积 (The Dot Product) – 【考点】
u⋅v=u1v1+u2v2+u3v3
角度公式:
u⋅v=∣u∣∣v∣cosθ,θ=cos−1(∣u∣∣v∣u⋅v)
正交条件: u⋅v=0
向量投影:
projvu=(∣v∣2u⋅v)v
标量分量: ∣u∣cosθ=∣v∣u⋅v
功 (Work): W=F⋅D=∣F∣∣D∣cosθ
方向余弦: cos2α+cos2β+cos2γ=1
12.4 叉积 (The Cross Product) – 【考点】
u×v=iu1v1ju2v2ku3v3
展开:
u×v=(u2v3−u3v2)i−(u1v3−u3v1)j+(u1v2−u2v1)k
性质:
- 反交换律:v×u=−(u×v)
- 平行条件:u×v=0⟺u∥v
- 标准基:i×j=k,j×k=i,k×i=j
几何意义: ∣u×v∣=∣u∣∣v∣sinθ 等于以 u 和 v 为邻边的平行四边形面积。
三角形面积: Area=21∣u×v∣
三重标量积(体积):
(u×v)⋅w=u1v1w1u2v2w2u3v3w3
∣(u×v)⋅w∣ = 平行六面体体积,四面体体积 = 61∣(u×v)⋅w∣
力矩 (Torque): τ=r×F
12.5 空间中的直线和平面 (Lines and Planes in Space) – 【期中·20分】
空间直线的方程
设直线过 P0(x0,y0,z0) 且平行于 v=⟨a,b,c⟩。
向量方程: r(t)=r0+tv
参数方程: x=x0+at,y=y0+bt,z=z0+ct
对称方程: ax−x0=by−y0=cz−z0(a,b,c 均不为 0)
空间平面方程 – 【期中·20分·必考】
平面由一个点和一个法向量 (normal vector) 确定。
向量方程: n⋅P0P=0
分量方程: A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0
简化形式: Ax+By+Cz=D,其中法向量 n=⟨A,B,C⟩
由三点求平面: n=PQ×PR
点到平面的距离
d=∣n∣∣PS⋅n∣=A2+B2+C2∣Ax1+By1+Cz1−D∣
两平面的夹角
θ=cos−1(∣n1∣∣n2∣∣n1⋅n2∣)
- 平行平面:n1=kn2
- 垂直平面:n1⋅n2=0
两平面交线
交线的方向向量 = 两平面法向量的叉积:v=n1×n2
点到直线的距离
d=∣v∣∣PS×v∣
12.6 柱面和二次曲面 (Cylinders and Quadric Surfaces) – 【考点】
二次曲面快速判定表
| 标准形式 | 类型 |
|---|
| a2x2+b2y2+c2z2=1 | 椭球面 (Ellipsoid) |
| a2x2+b2y2=cz | 椭圆抛物面 (Elliptic Paraboloid) |
| b2y2−a2x2=cz | 双曲抛物面 / 马鞍面 (Hyperbolic Paraboloid) |
| a2x2+b2y2=c2z2 | 椭圆锥面 (Elliptic Cone) |
| a2x2+b2y2−c2z2=1 | 单叶双曲面 (Hyperboloid of One Sheet) |
| c2z2−a2x2−b2y2=1 | 双叶双曲面 (Hyperboloid of Two Sheets) |
记忆技巧(观察符号和常数):
- 所有项为正 + 右边 = 1 → 椭球面
- 两个平方项 + 一个一次项 → 抛物面
- 一个负号 → 鞍面(双曲抛物面)
- 两个正 + 一个负 + 右边 = 1 → 单叶双曲面
- 一个正 + 两个负 + 右边 = 1 → 双叶双曲面
- 只有平方项 + 右边 = 0 → 锥面
柱坐标系 (Cylindrical Coordinates) – 【考点·Ch15基础】
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z
r2=x2+y2,tanθ=xy
体积元: dV=rdzdrdθ
球坐标系 (Spherical Coordinates) – 【考点·Ch15基础】
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
其中 ρ≥0,0≤ϕ≤π,0≤θ<2π。
体积元: dV=ρ2sinϕdρdϕdθ
与柱坐标的关系: r=ρsinϕ,z=ρcosϕ
第十三章:向量值函数与空间运动 (Vector-Valued Functions and Motion in Space)
13.1 空间曲线及其切线
向量值函数定义:
r(t)=⟨f(t),g(t),h(t)⟩=f(t)i+g(t)j+h(t)k
导数: r′(t)=⟨f′(t),g′(t),h′(t)⟩
单位切线向量: T(t)=∣r′(t)∣r′(t)
光滑曲线: r′(t) 连续且 r′(t)=0。
常数长度的向量函数性质: 如果 ∣r(t)∣=c,则 r(t)⋅r′(t)=0。
13.2 积分与抛体运动 (Projectile Motion) – 【考点】
理想抛体运动
从原点发射,初速率 v0,角度 α:
位置:
x(t)=(v0cosα)t,y(t)=(v0sinα)t−21gt2
轨迹方程(Cartesian Equation):
y=(tanα)x−2v02cos2αgx2
关键量:
| 量 | 公式 |
|---|
| 飞行时间 | tf=g2v0sinα |
| 射程 (Range) | R=gv02sin(2α) |
| 最大高度 | ymax=2g(v0sinα)2 |
最大射程: α=45∘ 时,Rmax=gv02
13.3 空间曲线的弧长 (Arc Length in Space)
L=∫ab∣r′(t)∣dt=∫ab[f′(t)]2+[g′(t)]2+[h′(t)]2dt
弧长微分: ds=∣r′(t)∣dt
速率: Speed=∣v(t)∣=dtds
弧长参数化性质: dsdr=1,dsdr=T
13.4 曲率与曲线的法向量 (Curvature and Normal Vector) – 【考点】
曲率定义
κ=dsdT
最重要公式: κ(t)=∣r′(t)∣3∣r′(t)×r′′(t)∣=∣v∣3∣v×a∣ – 【考点·核心】
平面曲线 y=f(x):
κ(x)=(1+(y′)2)3/2∣y′′∣
曲率半径: ρ=κ1
主单位法向量 (Principal Unit Normal)
N(t)=∣T′(t)∣T′(t)
也可用叉积公式:N=∣v×a∣∣v∣(v×a)×v
13.5 加速度的切向与法向分量 – 【考点】
a=aTT+aNN
| 分量 | 公式1 | 公式2 |
|---|
| aT | dtd∣v∣ | ∣v∣v⋅a |
| aN | κ∣v∣2 | ∣v∣∣v×a∣ |
- aT:反映速率大小的变化(加速/减速)
- aN:反映运动方向的改变(转弯)
- aN=∣a∣2−aT2,aT2+aN2=∣a∣2
13.6 挠率与副法向量 (Torsion and the Binormal Vector) – 【TNB标架·考点】
Frenet 标架 (TNB Frame)
| 向量 | 名称 | 定义 |
|---|
| T | 单位切线向量 | T=∣r′∣r′ |
| N | 主单位法向量 | N=∣T′∣T′ |
| B | 副法向量 | B=T×N=∣v×a∣v×a |
挠率 (Torsion)
τ=∣r′×r′′∣2(r′×r′′)⋅r′′′
- τ=0:平面曲线
- τ>0:右手螺旋方向扭转
Frenet-Serret 公式
dsdT=κN,dsdN=−κT+τB,dsdB=−τN
第十四章:偏导数 (Partial Derivatives)
【期末 Q1+Q2·共38-50分】 偏导数计算、链式法则、极值是考试重点。
14.1 多元函数 (Functions of Several Variables)
二元函数 z=f(x,y) 的图形是三维空间中的一张曲面。
等高线 (Level Curves): 方程 f(x,y)=k 定义的曲线。等高线密集意味着曲面陡峭;稀疏意味着平缓。
等值面 (Level Surfaces): 三元函数 f(x,y,z)=k 定义的曲面(如 x2+y2+z2=k 是同心球面)。
14.2 高维空间中的极限与连续性
关键区别: 在二元微积分中,(x,y) 可以从无穷多个方向和路径趋近 (x0,y0)。只有当沿着所有可能的路径极限都相同,极限才存在。
两路径检验法 (Two-Path Test): 如果沿两条不同路径趋近得到不同的极限,则极限不存在 (DNE)。
经典例题: lim(x,y)→(0,0)x2+y2xy
- 路径 y=0:极限 =0
- 路径 y=x:极限 =21
- 两个不同极限 ⟹ DNE
极坐标法(证明极限存在): 令 x=rcosθ, y=rsinθ,若 r→0 时结果与 θ 无关,则极限存在。
14.3 偏导数 (Partial Derivatives) – 【3年3考·必考】
定义
fx(x0,y0)=∂x∂f(x0,y0)=h→0limhf(x0+h,y0)−f(x0,y0)
fy(x0,y0)=∂y∂f(x0,y0)=h→0limhf(x0,y0+h)−f(x0,y0)
求导规则: 求 fx 时把 y 视为常数,求 fy 时把 x 视为常数。
高阶偏导数:
∂x2∂2f=fxx,∂y2∂2f=fyy,∂y∂x∂2f=fxy,∂x∂y∂2f=fyx
Clairaut 定理: 如果 fxy 和 fyx 连续,则 fxy=fyx。
14.4 链式法则 (The Chain Rule) – 【3年3考·必考】
情况一:z=f(x,y),x=g(t),y=h(t)
dtdz=∂x∂fdtdx+∂y∂fdtdy
情况二:z=f(u,v),u=g(x,y),v=h(x,y)
∂x∂z=∂u∂f∂x∂u+∂v∂f∂x∂v
∂y∂z=∂u∂f∂y∂u+∂v∂f∂y∂v
隐函数求导
情形一: F(x,y)=0 将 y 隐式定义为 x 的函数:
dxdy=−FyFx
情形二: F(x,y,z)=0 将 z 隐式定义为 x,y 的函数:
∂x∂z=−FzFx,∂y∂z=−FzFy
14.5 方向导数与梯度向量 (Directional Derivatives and Gradient)
梯度
∇f(x,y)=⟨fx,fy⟩,∇f(x,y,z)=⟨fx,fy,fz⟩
方向导数
沿单位向量 u 的方向导数:
Duf=∇f⋅u=∣∇f∣cosθ
关键性质:
- ∇f 指向 f 增加最快的方向
- 最大增长率 = ∣∇f∣
- ∇f 垂直于等高线(当 ∇f=0 时)
14.6 切平面与微分 (Tangent Planes and Differentials) – 【3年2考·高频】
切平面方程
曲面 z=f(x,y) 在点 (x0,y0,z0) 处的切平面:
z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)
法向量:n=⟨fx,fy,−1⟩
线性化 (Linearization)
L(x,y)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0)
切平面 z=L(x,y) 就是 f(x,y) 在 (x0,y0) 处的标准线性近似。
全微分 (Total Differential)
dz=fxdx+fydy=∂x∂zdx+∂y∂zdy
误差估计: Δz≈dz=∂x∂zΔx+∂y∂zΔy
14.7 极值与鞍点 (Extreme Values and Saddle Points) – 【3年2考·高频】
无条件极值 – Hessian 判别法
临界点:fx(a,b)=0 且 fy(a,b)=0(即 ∇f=0)
二阶导数检验 (Second Derivative Test): 计算 Hessian 行列式:
D=fxxfyy−(fxy)2
| D | fxx | 结论 |
|---|
| D>0 | fxx>0 | 局部极小值 (Local Minimum) |
| D>0 | fxx<0 | 局部极大值 (Local Maximum) |
| D<0 | – | 鞍点 (Saddle Point) |
| D=0 | – | 不确定 (Inconclusive) |
经典鞍点函数: f(x,y)=x2−y2 在 (0,0) 处。
闭有界区域上的绝对极值
- 求区域内部的临界点
- 求 f 在区域边界上的极值(参数化边界,转化为一元函数问题)
- 比较所有候选值,最大者为绝对最大值,最小者为绝对最小值
14.8 Lagrange 乘数法 (Lagrange Multipliers) – 【3年3考·必考】
条件极值 — 单个约束
求 f(x,y) 在约束 g(x,y)=k 下的极值,求解方程组:
∇f=λ∇g,g(x,y)=k
即:
fx=λgx,fy=λgy,g(x,y)=k
几何意义: 在最优点处,f 的等高线与约束曲线 g=k 相切,即 ∇f∥∇g。
三个变量的情况
对于 f(x,y,z) 受约束 g(x,y,z)=k:
fx=λgx,fy=λgy,fz=λgz,g=k
多个约束
∇f=λ∇g+μ∇h
典型应用问题:
- 最大化/最小化面积、体积、距离
- 点到平面的最短距离
- 经济学中的效用最大化(Maximize U(x,y) subject to p1x+p2y=I)
一阶近似(线性化):
f(x,y)≈f(a,b)+fx(a,b)(x−a)+fy(a,b)(y−b)
二阶 Taylor 多项式:
f(a+h,b+k)≈f(a,b)+hfx+kfy+21(h2fxx+2hkfxy+k2fyy)
紧凑形式(算子记号):
f(a+h,b+k)=m=0∑nm!1(h∂x∂+k∂y∂)mf(a,b)+Rn
14.10 带约束变量的偏导数
关键恒等式(热力学中有用):
(∂y∂x)z⋅(∂z∂y)x⋅(∂x∂z)y=−1
第十五章:多重积分 (Multiple Integrals)
【期末 Q3·30-40分】 多重积分是期末分值最大的章节。二重积分交换次序每年必考。
15.1-15.2 二重积分 (Double Integrals) – 【3年3考·必考·最重要】
矩形区域上的二重积分 (Fubini 定理)
∬Rf(x,y)dA=∫ab∫cdf(x,y)dydx=∫cd∫abf(x,y)dxdy
一般区域 – 【考点·交换积分次序】
Type I 区域(垂直简单区域):
D={(x,y)∣a≤x≤b,g1(x)≤y≤g2(x)}
∬Df(x,y)dA=∫x=ax=b∫y=g1(x)y=g2(x)f(x,y)dydx
Type II 区域(水平简单区域):
D={(x,y)∣c≤y≤d,h1(y)≤x≤h2(y)}
∬Df(x,y)dA=∫y=cy=d∫x=h1(y)x=h2(y)f(x,y)dxdy
交换积分次序 – 【3年3考·必考】
经典例子:∫01∫x1ey2dydx
先积 y 时 ey2 无初等原函数,但交换次序后:
∫01∫0yey2dxdy=∫01yey2dy=21(e−1)
步骤:
- 从原积分限画出积分区域
- 将区域重新描述为另一种 Type
- 写出新的积分限
15.3 用二重积分求面积
A=∬D1dA=∬DdA
在极坐标下:A=∬Drdrdθ
15.4 极坐标下的二重积分
极坐标变换
x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθ
∬Df(x,y)dA=∬Df(rcosθ,rsinθ)rdrdθ
适合使用极坐标的情况:
- 积分区域是圆形、环形、扇形
- 被积函数含有 x2+y2
- 积分限在直角坐标下复杂但在极坐标下变为常数
15.5-15.6 二重积分的应用:质量、矩、质心
质量: m=∬Dδ(x,y)dA
一阶矩:
Mx=∬Dyδ(x,y)dA,My=∬Dxδ(x,y)dA
质心:
xˉ=mMy,yˉ=mMx
转动惯量:
Ix=∬Dy2δdA,Iy=∬Dx2δdA,IO=Ix+Iy
曲面积分求表面积
A=∬D1+(∂x∂z)2+(∂y∂z)2dA
15.7 直角坐标下的三重积分
对于长方形盒子 [a,b]×[c,d]×[p,q]:
∭DfdV=∫ab∫cd∫pqf(x,y,z)dzdydx
六种可能的积分次序: dzdydx, dzdxdy, dydzdx, dydxdz, dxdydz, dxdzdy
用三重积分求体积: V=∭D1dV
15.8 柱坐标下的三重积分 – 【3年2考·高频】
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z,dV=rdzdrdθ
∭DfdV=∫θ=αβ∫r=g1(θ)g2(θ)∫z=u1(r,θ)u2(r,θ)frdzdrdθ
适合使用柱坐标的情况:
- 积分区域关于 z 轴具有旋转对称性
- 被积函数含有 x2+y2
- 区域在 xy 平面的投影是圆形或扇形
15.9 球坐标下的三重积分 – 【3年2考·高频】
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
dV=ρ2sinϕdρdϕdθ
∭DfdV=∫θ=αβ∫ϕ=ϕ1ϕ2∫ρ=g1g2fρ2sinϕdρdϕdθ
适合使用球坐标的情况:
- 积分区域是球体、球壳、球冠、锥体
- 被积函数含有 x2+y2+z2=ρ2
15.10 变量替换与 Jacobian – 【考点】
二重积分的变量替换
∬Df(x,y)dxdy=∬D′f(x(u,v),y(u,v))∣J(u,v)∣dudv
其中 Jacobian:
J(u,v)=∂(u,v)∂(x,y)=xuyuxvyv
三重积分的 Jacobian
J(u,v,w)=∂(u,v,w)∂(x,y,z)=xuyuzuxvyvzvxwywzw
常见坐标变换的 Jacobian
| 变换 | J |
|---|
| 极坐标 (r,θ) | J=r |
| 柱坐标 (r,θ,z) | J=r |
| 球坐标 (ρ,ϕ,θ) | J=ρ2sinϕ |
第十六章:向量场中的积分 (Integration in Vector Fields)
【期末 Q4·20-25分】 三大定理(Green, Stokes, 散度定理)是本章核心。
16.1 向量场 (Vector Fields)
二维向量场: F(x,y)=⟨M(x,y),N(x,y)⟩
三维向量场: F(x,y,z)=⟨M,N,P⟩
梯度场与势函数
如果存在标量函数 f 使得 F=∇f,则称 F 为梯度场(保守场),f 称为势函数。
保守场判别法
二维判别法: ∂y∂M=∂x∂N
三维判别法 – 旋度判别 (Curl Test):
curlF=∇×F=i∂x∂Mj∂y∂Nk∂z∂P
保守场的充要条件(在单连通区域上):curlF=0
重要: curl test 仅在单连通区域上才是充分的。
求势函数的方法: 逐次积分,从 fx=M 开始。
16.2 标量函数的线积分 (Line Integrals of Scalar Functions)
∫Cf(x,y,z)ds=∫abf(r(t))∣r′(t)∣dt
其中 ds=∣r′(t)∣dt=(dx/dt)2+(dy/dt)2+(dz/dt)2dt
物理意义:
- 线的质量:M=∫Cδ(x,y,z)ds
- 曲线的弧长:∫C1ds=弧长
16.3 向量场的线积分 (Line Integrals of Vector Fields) – 【3年2考·高频】
做功 (Work) – 【3年2考·高频】
∫CF⋅dr=∫abF(r(t))⋅r′(t)dt
分量形式:
∫CMdx+Ndy+Pdz=∫ab[Mdtdx+Ndtdy+Pdtdz]dt
环量 (Circulation): 闭合回路的线积分 ∮CF⋅dr
方向依赖性: ∫−CF⋅dr=−∫CF⋅dr
通量 (Flux Across a Plane Curve) – 【3年3考·必考】
在二维中,向量场穿过曲线 C 的通量:
Flux=∫CF⋅nds=∫CMdy−Ndx
16.4 路径无关性与线积分基本定理 (Fundamental Theorem for Line Integrals)
路径无关性 (Path Independence)
以下条件在连通区域上等价:
- F 是保守场(F=∇f)
- ∫CF⋅dr 路径无关
- 沿任意闭合路径的积分为零:∮CF⋅dr=0
- ∂y∂M=∂x∂N (2D) 或 curlF=0 (3D)
线积分基本定理 (FTLI)
若 F=∇f,则:
∫C∇f⋅dr=f(B)−f(A)
经典反例: F=⟨x2+y2−y,x2+y2x⟩ 在去掉原点的平面上满足 ∂M/∂y=∂N/∂x,但绕原点的闭合路径积分不为零(等于 2π)。
16.5 Green 定理 (Green’s Theorem) – 【3年2考·高频】
∮CMdx+Ndy=∬R(∂x∂N−∂y∂M)dA
∮CF⋅nds=∬R(∂x∂M+∂y∂N)dA=∬RdivFdA
即:
∮CMdy−Ndx=∬R(∂x∂M+∂y∂N)dA
用 Green 定理求面积
A=21∮C(xdy−ydx)
应用条件:
- C 是闭合曲线
- C 是简单曲线(不自交)
- C 取正向(逆时针,区域在左侧)
- C 分段光滑
- M,N 及其偏导数在包含 R 的区域上连续
带洞区域: 外边界取正向(逆时针),内边界取反向(顺时针)。
16.6 曲面与曲面积 (Surfaces and Area) – 【考点·基础】
曲面的参数化
| 曲面 | 参数化 |
|---|
| 平面 z=f(x,y) | r(x,y)=⟨x,y,f(x,y)⟩ |
| 球面 x2+y2+z2=a2 | r(ϕ,θ)=⟨asinϕcosθ,asinϕsinθ,acosϕ⟩ |
| 柱面 x2+y2=a2 | r(θ,z)=⟨acosθ,asinθ,z⟩ |
曲面积微元
参数曲面: dS=∣ru×rv∣dudv
显式曲面 z=f(x,y): dS=1+fx2+fy2dxdy
16.7 曲面积分 (Surface Integrals)
标量函数的曲面积分
∬Sf(x,y,z)dS=∬Df(r(u,v))∣ru×rv∣dudv
向量场的曲面积分 – 通量 (Flux) – 【3年3考·必考】
∬SF⋅dS=∬SF⋅ndS=∬DF(r(u,v))⋅(ru×rv)dudv
显式曲面 z=g(x,y) 取向上法向量:
∬SF⋅dS=∬D[−M∂x∂g−N∂y∂g+P]dxdy
物理意义:
- 若 F 是流速场,通量 = 流体穿过曲面的净体积流率
- 若 F 是电场,通量与高斯定律有关
16.8 Stokes 定理 (Stokes’ Theorem)
∮CF⋅dr=∬S(curlF)⋅ndS=∬S(∇×F)⋅dS
正向规则(右手法则): 沿 C 的正方向行走,头指向曲面法向量方向,曲面在左侧。
Green 定理是 Stokes 定理的特例: 取 S 为 xy-平面上的区域,n=k。
Stokes 定理推论:
- 若 F 保守(curlF=0),则 ∮CF⋅dr=0
- 闭合曲面上旋度的通量为零
16.9 散度定理 – 高斯定理 (Divergence Theorem / Gauss’s Theorem)
∬SF⋅ndS=∭DdivFdV=∭D∇⋅FdV
散度: divF=∇⋅F=∂x∂M+∂y∂N+∂z∂P
- divF>0:该点为"源"(source)
- divF<0:该点为"汇"(sink)
- divF=0:无源场(solenoidal / divergence-free)
应用前提:
- 曲面 S 必须是闭合的
- F 的分量及偏导数在区域内连续
- 法向量取向外方向
16.10 统一理论 – 三大定理的关系
所有定理都是微积分基本定理 (FTC) 在不同维度下的推广:
| 定理 | 维度 | 公式 |
|---|
| FTC | 1D | ∫abf′(x)dx=f(b)−f(a) |
| FTLI | 1D → 2D/3D | ∫C∇f⋅dr=f(B)−f(A) |
| Green | 2D | ∮CF⋅dr=∬R(Nx−My)dA |
| Stokes | 2D/3D | ∮CF⋅dr=∬S(∇×F)⋅ndS |
| Gauss | 3D | ∬SF⋅ndS=∭D∇⋅FdV |
共同模式: 区域边界上的积分 = 区域内部某种"导数"的积分。
三个关键算子:
- 梯度 (Gradient): 标量 → 向量,∇f=⟨fx,fy,fz⟩
- 旋度 (Curl): 向量 → 向量,∇×F
- 散度 (Divergence): 向量 → 标量,∇⋅F
两个重要恒等式:
- ∇×(∇f)=0(梯度场无旋)
- ∇⋅(∇×F)=0(旋度场无散)
16.11 定理选择决策树 (Theorem Selection Decision Tree) – 【考点·非常重要】
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
| 给定一个积分问题:
1. 是线积分吗 (Line Integral)? ├─ 标量函数 f (不是向量场) │ └─ 直接参数化 C,∫ f(r(t))|r'(t)|dt │ ├─ 向量场 F,非闭合路径 │ ├─ F 保守吗?→ 是 → 用 FTLI:求 f,算 f(B)-f(A) │ └─ 否 → 直接参数化并积分 │ └─ 向量场 F,闭合路径 (∮) ├─ 是 2D 问题吗? │ └─ 是 → Green 定理:∮Mdx+Ndy = ∬(N_x-M_y)dA │ └─ 也可考虑 通量形式:∮Mdy-Ndx = ∬(M_x+N_y)dA │ └─ 是 3D 问题吗? └─ 可找到以 C 为边界的曲面 S 吗? └─ 是 → Stokes 定理:∮F·dr = ∬(curl F)·n dS
2. 是曲面积分吗 (Surface Integral)? ├─ 标量函数 f │ └─ 参数化曲面,∬ f(r(u,v))|r_u×r_v| du dv │ └─ 向量场 F(通量) ├─ 曲面是闭合的吗? │ ├─ 是 → 散度定理 (Gauss):∬F·n dS = ∭ div F dV │ └─ 否 → 直接参数化或投影法 │ └─ 被积函数是 curl F 吗? └─ 是 → 考虑用 Stokes 定理转为边界线积分
3. 需要算面积吗? └─ 平面区域:A = ½∮(x dy - y dx)(Green 定理面积公式)
|
记忆口诀:
- “梯度→保守→路径无关→基本定理”
- “Green 在平面,Stokes 在空间”
- “旋度过面等于环量绕线”(Stokes 定理)
- “散度过体等于通量绕面”(散度定理)
- “闭合路径 → 想 Green/Stokes;闭合曲面 → 想 Gauss”
附录 A:公式总表
A.1 第10章:无穷序列与无穷级数
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| limn→∞nlnn=0 | 无 | – | 序列极限 |
| limn→∞nn=1 | 无 | – | 序列极限 |
| limn→∞n!xn=0 | 任意 x | – | 序列极限 |
| ∑n=0∞arn=1−ra | ∣r∣<1 | a: 首项, r: 公比 | 几何级数求和 |
| ∑n=1∞np1 | p>1 收敛, p≤1 发散 | p: 幂指数 | p-级数敛散 |
| ∑an 同敛散于 ∫1∞f(x)dx | f(x) 正/连续/递减, f(n)=an | – | 积分判别法 |
| limn→∞bnan=c (0<c<∞) | an,bn>0 | c: 极限值 | 极限比较判别法 |
| ρ=limanan+1 | 任意项级数 | ρ: 比值极限 | 比值判别法 |
| ρ=limn∣an∣ | 任意项级数 | ρ: 根值极限 | 根值判别法 |
| ∑(−1)n−1bn 收敛 | bn>0, bn↘, bn→0 | bn: 正项绝对值 | 交错级数判别法 |
| ∣Rn∣≤bn+1 | 交错级数判别法条件满足 | Rn: 余项 | 交错级数误差估计 |
| ∑cn(x−a)n | cn 为系数, a 为中心 | – | 幂级数表达式 |
| R=limcn+1cn | 极限存在 | R: 收敛半径 | 求幂级数收敛半径 |
| ex=∑n=0∞n!xn | ∀x∈R | – | 函数展开/求极限 |
| sinx=∑n=0∞(2n+1)!(−1)nx2n+1 | ∀x∈R | – | 函数展开/求极限 |
| cosx=∑n=0∞(2n)!(−1)nx2n | ∀x∈R | – | 函数展开/求极限 |
| ln(1+x)=∑n=1∞n(−1)n−1xn | −1<x≤1 | – | 函数展开 |
| tan−1x=∑n=0∞2n+1(−1)nx2n+1 | ∣x∣≤1 | – | 函数展开 |
| 1−x1=∑n=0∞xn | ∣x∣<1 | – | 几何级数 |
| (1+x)k=∑n=0∞(nk)xn | ∣x∣<1(若k∈/N) | (nk): 广义二项式系数 | 二项式级数 |
| Rn(x)=(n+1)!f(n+1)(c)(x−a)n+1 | f 在 [a,x] 上 n+1 阶可导 | c: a 与 x 之间的数 | Taylor余项估计 |
| ∣Rn(x)∣≤(n+1)!M∣x−a∣n+1 | ∣f(n+1)(t)∣≤M | M: 导数的上界 | Lagrange误差界 |
A.2 第11章:参数方程与极坐标
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| dxdy=dx/dtdy/dt | dx/dt=0 | t: 参数 | 参数曲线切线斜率 |
| dx2d2y=dx/dtd(dy/dx)/dt | dx/dt=0 | – | 参数曲线凹凸性 |
| L=∫αβ(dx/dt)2+(dy/dt)2dt | 光滑曲线, 不自交 | α,β: 参数区间 | 参数曲线弧长 |
| S=∫2πy(dx/dt)2+(dy/dt)2dt | y≥0 | – | 绕x轴旋转面面积 |
| x=rcosθ,y=rsinθ | 无 | r,θ: 极坐标 | 极坐标转直角坐标 |
| r2=x2+y2,tanθ=y/x | x=0 | – | 直角坐标转极坐标 |
| A=21∫αβr2dθ | 曲线不自交 | α,β: 角度区间 | 极坐标面积 |
| A=21∫αβ(r外2−r内2)dθ | r外≥r内 | – | 两曲线之间的面积 |
| L=∫αβr2+(dr/dθ)2dθ | 光滑曲线 | – | 极坐标弧长 |
| dxdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ | 分母 =0 | r′=dr/dθ | 极坐标切线斜率 |
| r=1±ecosθed | 焦点在极点 | e: 离心率, d: 焦点到准线距离 | 圆锥曲线极坐标方程 |
A.3 第12章:向量与空间几何
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| ∣PQ∣=(x2−x1)2+(y2−y1)2+(z2−z1)2 | 无 | P1,P2: 两点 | 空间距离 |
| u⋅v=∣u∣∣v∣cosθ | 无 | θ: 两向量夹角 | 求夹角 |
| u⋅v=0⟺u⊥v | 非零向量 | – | 正交判断 |
| projvu=∣v∣2u⋅vv | v=0 | – | 向量投影 |
| u×v=iu1v1ju2v2ku3v3 | 三维向量 | – | 叉积计算 |
| ∣u×v∣=∣u∣∣v∣sinθ | 无 | – | 平行四边形面积 |
| Area△=21∣u×v∣ | 无 | – | 三角形面积 |
| (u×v)⋅w=u1v1w1u2v2w2u3v3w3 | 三维向量 | – | 平行六面体体积 |
| r(t)=r0+tv | v=0 | t: 参数 | 空间直线方程 |
| ax−x0=by−y0=cz−z0 | a,b,c=0 | – | 直线对称方程 |
| A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0)=0 | n=⟨A,B,C⟩ | – | 平面方程 |
| d=A2+B2+C2∣Ax1+By1+Cz1−D∣ | 平面: Ax+By+Cz=D | d: 距离 | 点到平面距离 |
| d=∣v∣∣PS×v∣ | v: 方向向量 | d: 距离 | 点到直线距离 |
| θ=cos−1(∣n1∣∣n2∣∣n1⋅n2∣) | n1,n2: 两平面法向量 | θ: 锐角 | 两平面夹角 |
A.4 第13章:向量值函数与空间运动
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| r′(t)=⟨f′(t),g′(t),h′(t)⟩ | f,g,h 可微 | – | 向量函数求导 |
| T(t)=∣r′(t)∣r′(t) | r′(t)=0 | – | 单位切线向量 |
| L=∫ab∣r′(t)∣dt | 光滑曲线 | – | 空间曲线弧长 |
| κ=∣v∣3∣v×a∣ | v=0 | κ: 曲率, v: 速度, a: 加速度 | 空间曲线曲率 |
| κ=(1+(y′)2)3/2∣y′′∣ | y=f(x) 二阶可导 | – | 平面曲线曲率 |
| ρ=1/κ | κ=0 | ρ: 曲率半径 | 密切圆半径 |
| N=∣T′∣T′ | T′=0 | – | 主单位法向量 |
| B=T×N=∣v×a∣v×a | v×a=0 | – | 副法向量 |
| τ=∣r′×r′′∣2(r′×r′′)⋅r′′′ | 分母 =0 | τ: 挠率 | 空间曲线挠率 |
| a=aTT+aNN | v=0 | aT: 切向分量, aN: 法向分量 | 加速度分解 |
| aT=∣v∣v⋅a | v=0 | – | 切向加速度 |
| aN=∣v∣∣v×a∣ | v=0 | – | 法向加速度 |
| R=gv02sin(2α) | 理想抛体运动 | v0: 初速率, α: 发射角, g: 重力加速度 | 抛体射程 |
| ymax=2g(v0sinα)2 | 理想抛体运动 | – | 抛体最大高度 |
A.5 第14章:偏导数
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| fx=limh→0hf(x+h,y)−f(x,y) | 极限存在 | – | 偏导数定义 |
| dtdz=∂x∂fdtdx+∂y∂fdtdy | f 可微, x,y 可微 | – | 链式法则(情况1) |
| ∂x∂z=∂u∂f∂x∂u+∂v∂f∂x∂v | f 可微, u,v 可微 | – | 链式法则(情况2) |
| dxdy=−FyFx | Fy=0, F(x,y)=0 | – | 隐函数求导 |
| ∂x∂z=−FzFx | Fz=0, F(x,y,z)=0 | – | 隐函数求偏导 |
| ∇f=⟨fx,fy⟩ | f 可微 | – | 梯度 |
| Duf=∇f⋅u | u 为单位向量 | – | 方向导数 |
| maxDuf=∣∇f∣ | u=∇f/∣∇f∣ | – | 最大增长率 |
| z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0) | f 在 (x0,y0) 可微 | – | 切平面方程 |
| L(x,y)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0) | f 在 (x0,y0) 可微 | – | 线性化/线性近似 |
| dz=fxdx+fydy | f 可微 | – | 全微分 |
| D=fxxfyy−(fxy)2 | f 二阶可微 | D: Hessian行列式 | 二阶导数检验(无条件极值) |
| ∇f=λ∇g | f,g 可微, ∇g=0 | λ: Lagrange乘数 | Lagrange乘数法(条件极值) |
| ∇f=λ∇g+μ∇h | f,g,h 可微 | λ,μ: 乘数 | 双约束条件极值 |
| fxy=fyx | fxy,fyx 连续 | – | Clairaut定理 |
| (∂y∂x)z(∂z∂y)x(∂x∂z)y=−1 | F(x,y,z)=0, 各偏导存在 | – | 约束变量循环关系 |
A.6 第15章:多重积分
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| ∬RfdA=∫ab∫cdf(x,y)dydx | f 在矩形 R 上连续 | R=[a,b]×[c,d] | 矩形区域二重积分 |
| ∬DfdA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y)dydx | Type I 区域 | g1,g2: 上下边界函数 | Type I 二重积分 |
| ∬DfdA=∫cd∫h1(y)h2(y)f(x,y)dxdy | Type II 区域 | h1,h2: 左右边界函数 | Type II 二重积分 |
| A=∬DdA | 无 | – | 求面积 |
| V=∭DdV | 无 | – | 求体积 |
| ∬DfdA=∬f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ | 极坐标变换 | r: 径向距离, θ: 角度 | 极坐标二重积分 |
| m=∬DδdA | δ: 面密度函数 | m: 总质量 | 质量计算 |
| xˉ=m1∬DxδdA | m=0 | xˉ,yˉ: 质心坐标 | 质心计算 |
| Ix=∬Dy2δdA | – | Ix: 绕x轴转动惯量 | 转动惯量 |
| A=∬D1+fx2+fy2dA | f 可微 | – | 曲面面积 |
| ∭DfdV=∭f(rcosθ,rsinθ,z)rdzdrdθ | 柱坐标变换 | r,θ,z: 柱坐标 | 柱坐标三重积分 |
| ∭DfdV=∭f(ρsinϕcosθ,…)ρ2sinϕdρdϕdθ | 球坐标变换 | ρ,ϕ,θ: 球坐标 | 球坐标三重积分 |
| ∬Dfdxdy=∬D′f⋅∣J∣dudv | 变量替换 | J=∂(u,v)∂(x,y) | 二重积分变量替换 |
| J(u,v)=xuyuxvyv | – | – | Jacobian 行列式 |
| J极=r | 极坐标 | – | 极坐标 Jacobian |
| J球=ρ2sinϕ | 球坐标 | – | 球坐标 Jacobian |
A.7 第16章:向量场中的积分
| 公式 | 使用条件 | 字母含义 | 适用问题 |
|---|
| ∂y∂M=∂x∂N | 单连通区域 | F=⟨M,N⟩ | 二维保守场判别 |
| ∇×F=0 | 单连通区域 | F=⟨M,N,P⟩ | 三维保守场判别 |
| ∇⋅F=Mx+Ny+Pz | 无 | – | 散度计算 |
| ∫Cfds=∫abf(r(t))∣r′(t)∣dt | 曲线光滑 | ds: 弧长微元 | 标量线积分 |
| ∫CF⋅dr=∫abF(r(t))⋅r′(t)dt | 曲线光滑 | – | 向量线积分(做功) |
| ∫C∇f⋅dr=f(B)−f(A) | F=∇f | A,B: 起点,终点 | 线积分基本定理(FTLI) |
| ∮CMdx+Ndy=∬R(Nx−My)dA | C 正向闭合简单曲线 | – | Green 定理(环量形式) |
| Flux=∮CMdy−Ndx=∬R(Mx+Ny)dA | C 正向闭合简单曲线 | – | Green 定理(通量形式) |
| Flux=∫CF⋅nds=∫CMdy−Ndx | 二维 | n: 向外单位法向量 | 二维通量 |
| A=21∮C(xdy−ydx) | C 正向闭合 | – | Green 面积公式 |
| dS=∣ru×rv∣dudv | 曲面光滑 | – | 曲面积微元(参数) |
| dS=1+fx2+fy2dxdy | z=f(x,y) 可微 | – | 曲面积微元(显式) |
| ∬SF⋅dS=∬DF⋅(ru×rv)dudv | 曲面光滑 | dS=ndS: 有向面元 | 曲面积分(通量) |
| ∮CF⋅dr=∬S(∇×F)⋅ndS | C 为 S 边界, 正定向 | – | Stokes 定理 |
| ∬SF⋅ndS=∭D∇⋅FdV | S 闭合, n 向外 | – | 散度定理(Gauss) |
| ∇×(∇f)=0 | 无 | – | 梯度无旋恒等式 |
| ∇⋅(∇×F)=0 | 无 | – | 旋度无散恒等式 |
附录 B:高频考点总表
期末考点(按考频排序)
| 排序 | 考点名称 | 考频 | 分值范围 | 出现年份 | 所属章节 | 关键技巧 |
|---|
| 1 | 二重积分交换积分次序 | 3年3考·必考 | 8-12分 | 2022, 2023, 2024 | Ch15 | 画积分区域 → 重新描述 → 改写积分限 |
| 2 | 条件极值(Lagrange乘数法) | 3年3考·必考 | 8-10分 | 2022, 2023, 2024 | Ch14 | ∇f=λ∇g, 分情况讨论 |
| 3 | 偏导数+链式法则 | 3年3考·必考 | 8-12分 | 2022, 2023, 2024 | Ch14 | 树形图法, 代入已知值 |
| 4 | 通量(Flux)计算 | 3年3考·必考 | 8-10分 | 2022, 2023, 2024 | Ch16 | Green通量形式或直接曲面积分 |
| 5 | 切平面与法线 | 3年2考·高频 | 6-8分 | 2022, 2024 | Ch14 | z−z0=fx(x0,y0)(x−x0)+fy(x0,y0)(y−y0) |
| 6 | 无条件极值(Hessian判别) | 3年2考·高频 | 8-10分 | 2023, 2024 | Ch14 | 求fx,fy=0 → 计算D=fxxfyy−(fxy)2 |
| 7 | 曲线积分与做功 | 3年2考·高频 | 6-10分 | 2022, 2023 | Ch16 | 直接参数化或FTLI(若保守) |
| 8 | 三重积分坐标变换(柱/球) | 3年2考·高频 | 8-12分 | 2023, 2024 | Ch15 | 柱:dV=rdzdrdθ; 球:dV=ρ2sinϕdρdϕdθ |
| 9 | Green定理 | 3年2考·高频 | 6-8分 | 2022, 2023 | Ch16 | ∮Mdx+Ndy=∬(Nx−My)dA |
| 10 | 极坐标二重积分 | 3年2考·高频 | 6-8分 | 2023, 2024 | Ch15 | dA=rdrdθ, 确定r和θ的范围 |
| 11 | Stokes定理 | 2年1考 | 6-8分 | 2023 | Ch16 | 曲面上的旋度通量 = 边界上的环量 |
| 12 | 散度定理(Gauss) | 2年1考 | 6-8分 | 2022 | Ch16 | ∬F⋅dS=∭∇⋅FdV |
| 13 | 方向导数与梯度 | 2年1考 | 4-6分 | 2024 | Ch14 | Duf=∇f⋅u |
| 14 | 二重积分的应用(质心/质量) | 2年1考 | 4-6分 | 2022 | Ch15 | xˉ=My/m, 利用对称性简化 |
| 15 | 换元法与Jacobian | 2年1考 | 4-6分 | 2023 | Ch15 | J=xuyuxvyv, 取绝对值 |
期中考点
| 排序 | 考点名称 | 考频 | 分值范围 | 所属章节 | 关键技巧 |
|---|
| 1 | 级数敛散性判别 | 期中核心 | 40分 | Ch10 | 按步骤: nth-term → 特殊类型 → 正项判别 → 交错 → 绝对/条件 |
| 2 | 幂级数展开与求和 | 期中核心 | 20分 | Ch10 | 熟记6个基本Maclaurin展开, 通过代换/逐项微积分推导新展开 |
| 3 | 极坐标面积与弧长 | 期中核心 | 20分 | Ch11 | A=21∫r2dθ, L=∫r2+(dr/dθ)2dθ |
| 4 | 空间平面方程/夹角 | 期中核心 | 20分 | Ch12 | n⋅(r−r0)=0, 法向量叉积求n |
按章节看分值分布
| 章节 | 期中分值 | 期末分值 | 总重要性 |
|---|
| Ch10 级数 | 60分 | – | 期中核心(但期末中可能通过级数判别出选择题/填空题) |
| Ch11 极坐标 | 20分 | – | 期中重点 |
| Ch12 空间几何 | 20分 | 基础工具 | 期中重点,期末必备基础 |
| Ch13 向量函数 | 次要 | 基础工具(5分) | 曲率公式是常考点 |
| Ch14 偏导数 | – | 38-50分 | 期末最重要章节 |
| Ch15 多重积分 | – | 30-40分 | 期末分值最高 |
| Ch16 向量场积分 | – | 20-25分 | 期末压轴,定理选择是难点 |
附录 C:资料下载链接
教材与PPT资料
| 资料 | 路径/来源 |
|---|
| 教材 | Thomas’ Calculus, 12th Edition (Pearson, 2010) |
| 各章节PDF | E:\Calculus II\ 目录下 |
| 课堂PPT | E:\Calculus II\ 目录下 |
| 历年期末考试真题 (2022-2025) | E:\Calculus II\ 目录下 |
源文件说明
本文档整合了以下章节独立笔记:
calc2-chapter10-study-notes.md – 第10章 无穷序列与级数calc2-ch11-parametric-polar-notes.md – 第11章 参数方程与极坐标calc2-chapter12-vectors-geometry-space.md – 第12章 向量与空间几何calc2-chapter13-vector-functions-notes.md – 第13章 向量值函数与空间运动Chapter14-Partial-Derivatives-Study-Notes.md – 第14章 偏导数calc2-chapter15-multiple-integrals.md – 第15章 多重积分calc2-ch16-integration-in-vector-fields.md – 第16章 向量场中的积分
复习建议:
- 期中阶段:集中精力攻克第10章级数判别法(比重最大),熟记6个基本Maclaurin展开,掌握极坐标面积公式和空间平面方程。
- 期末阶段:按分值优先级复习。Ch14(偏导数+极值) > Ch15(多重积分) > Ch16(定理)。其中二重积分交换次序和Lagrange乘数法是每年必考,绝对不能失分。
- 考前冲刺:重点回顾附录B中的高频考点总表,确保每个必考题型的解题步骤了然于心。Ch16的定理选择决策树是区分高分的关键。
- 常见错误提醒:极坐标/柱坐标积分不要忘记 r 因子!球坐标不要忘记 ρ2sinϕ 因子!交换积分次序前一定要画图!Lagrange乘数法不要漏掉 λ!
本文基于 Thomas’ Calculus 教材、课堂PPT、以及2022-2025年期末考试真题综合整理