Calculus II 复习总览

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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 Q1Ch14 偏导数与微分20-25分
期末 Q2Ch14 极值应用 (无条件极值 + Lagrange乘数法)18-25分
期末 Q3Ch15 多重积分30-40分
期末 Q4Ch16 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\{a_n\}_{n=1}^{\infty}ana_n 称为通项 (general term)。

序列的极限 (Limit of a Sequence): 如果对于任意 ε>0\varepsilon > 0,存在正整数 NN,使得当 n>Nn > N 时,有 anL<ε|a_n - L| < \varepsilon,则称序列收敛于极限 LL

limnan=L\lim_{n \to \infty} a_n = 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 MM,使得对所有 nn,有 anMa_n \leq M,则序列上有界 (bounded above)
  • 如果存在实数 mm,使得对所有 nn,有 anma_n \geq 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 nnanan+1a_n \leq a_{n+1},则序列单调递增 (nondecreasing/increasing)
  • 如果对所有 nnanan+1a_n \geq a_{n+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 \Rightarrow 收敛;单调递减 + 下有界 \Rightarrow 收敛。

定理 2 – 夹逼定理 (Squeeze Theorem for Sequences):
若对所有 nn0n \geq n_0,有 anbncna_n \leq b_n \leq c_n,且 limnan=limncn=L\lim_{n\to\infty} a_n = \lim_{n\to\infty} c_n = L,则 limnbn=L\lim_{n\to\infty} b_n = L

定理 3 – 函数的极限与序列的极限:
如果 limxf(x)=L\lim_{x \to \infty} f(x) = L,且 f(n)=anf(n) = a_n 对所有正整数 nn 成立,则 limnan=L\lim_{n \to \infty} a_n = 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}\{a_n\} 收敛于 LL,且函数 ffx=Lx = L 处连续,则 limnf(an)=f(L)\lim_{n\to\infty} f(a_n) = f(L)

定理 5 – 极限的四则运算:
liman=A\lim a_n = Alimbn=B\lim b_n = B(均收敛),则:

  • lim(an±bn)=A±B\lim (a_n \pm b_n) = A \pm B
  • lim(anbn)=AB\lim (a_n \cdot b_n) = A \cdot B
  • B0B \neq 0limanbn=AB\lim \frac{a_n}{b_n} = \frac{A}{B}
  • lim(can)=cA\lim (c \cdot a_n) = c \cdot A

常见序列极限

limnlnnn=0\lim_{n\to\infty} \frac{\ln n}{n} = 0

limnnn=1\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{n} = 1

limnx1/n=1(x>0)\lim_{n\to\infty} x^{1/n} = 1 \quad (x > 0)

limnxn=0(x<1)\lim_{n\to\infty} x^n = 0 \quad (|x| < 1)

limn(1+xn)n=ex\lim_{n\to\infty} \left(1 + \frac{x}{n}\right)^n = e^x

limnxnn!=0(对任意 x)\lim_{n\to\infty} \frac{x^n}{n!} = 0 \quad (\text{对任意 } x)


10.2 无穷级数 (Infinite Series)

定义

无穷级数: 给定序列 {an}\{a_n\},无穷级数是其项的和:

n=1an=a1+a2+a3+\sum_{n=1}^{\infty} a_n = a_1 + a_2 + a_3 + \cdots

部分和序列 (Sequence of Partial Sums):

sn=k=1nak=a1+a2++ans_n = \sum_{k=1}^{n} a_k = a_1 + a_2 + \cdots + a_n

如果部分和序列 {sn}\{s_n\} 收敛于有限极限 SS,则称无穷级数收敛于和 SS。如果 {sn}\{s_n\} 发散,则级数发散。

级数的余项 (Remainder):

Rn=Ssn=an+1+an+2+=k=n+1akR_n = S - s_n = a_{n+1} + a_{n+2} + \cdots = \sum_{k=n+1}^{\infty} a_k

几何级数 (Geometric Series)

n=0arn=a+ar+ar2+ar3+\sum_{n=0}^{\infty} ar^n = a + ar + ar^2 + ar^3 + \cdots

部分和公式:sn=a(1rn)1r,r1s_n = \frac{a(1 - r^n)}{1 - r}, \quad r \neq 1

  • r<1|r| < 1,级数收敛,和为 a1r\displaystyle \frac{a}{1-r}
  • r1|r| \geq 1,级数发散

常用形式:n=0rn=11r,r<1\displaystyle \sum_{n=0}^{\infty} r^n = \frac{1}{1 - r}, \quad |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:(bnbn+1)\sum (b_n - b_{n+1})

n=1(1n1n+1)=1\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{n} - \frac{1}{n+1}\right) = 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 limnan0\displaystyle \lim_{n\to\infty} a_n \neq 0(或者极限不存在),则 n=1an\displaystyle \sum_{n=1}^{\infty} a_n 发散。

注意: 如果 liman=0\lim a_n = 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 1n\sum \frac{1}{n} 满足 an0a_n \to 0 但发散)。


10.3 积分判别法 (The Integral Test) – 【期中核心·40分】

{an}\{a_n\} 为正项序列。如果存在一个定义在 [1,)[1, \infty) 上的连续、正值、递减函数 f(x)f(x),使得 f(n)=anf(n) = a_n 对所有正整数 nn 成立,则级数和广义积分同敛散:

n=1an1f(x)dx\sum_{n=1}^{\infty} a_n \quad \text{和} \quad \int_1^{\infty} f(x)\,dx

条件总结:

  1. f(x)f(x)[1,)[1, \infty) 上连续
  2. f(x)>0f(x) > 0(取正值)
  3. f(x)f(x) 递减(导数 f(x)<0f'(x) < 0
  4. f(n)=anf(n) = a_n

余项估计: 若级数收敛,则:

n+1f(x)dxRnnf(x)dx\int_{n+1}^{\infty} f(x)\,dx \leq R_n \leq \int_n^{\infty} f(x)\,dx

p-级数 (p-Series) – 【期中核心·必考】

n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}

  • p>1p > 1,则 p-级数收敛
  • p1p \leq 1,则 p-级数发散

特例 – 调和级数 (Harmonic Series): p=1p = 1 时发散:

n=11n=1+12+13+发散\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n} = 1 + \frac{1}{2} + \frac{1}{3} + \cdots \quad \text{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)

an\sum a_nbn\sum b_n 为正项级数,满足对所有 nNn \geq N0anbn0 \leq a_n \leq b_n

  • 如果 bn\sum b_n 收敛,则 an\sum a_n 收敛
  • 如果 an\sum a_n 发散,则 bn\sum b_n 发散

极限比较判别法 (Limit Comparison Test)

an\sum a_nbn\sum b_n 为正项级数。考虑极限:

limnanbn=c\lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{b_n} = c

  • 如果 0<c<0 < c < \inftycc 为有限正数),则两级数同敛散
  • 如果 c=0c = 0bn\sum b_n 收敛,则 an\sum a_n 收敛
  • 如果 c=c = \inftybn\sum b_n 发散,则 an\sum a_n 发散

使用策略:

  1. 找出级数的主导项
  2. 选择合适的比较级数(通常是 p-级数或几何级数)
  3. 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)

an\sum a_n 为项级数。令:

limnan+1an=ρ\lim_{n\to\infty} \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right| = \rho

  • 如果 ρ<1\rho < 1,则级数绝对收敛
  • 如果 ρ>1\rho > 1(或 ρ=\rho = \infty),则级数发散
  • 如果 ρ=1\rho = 1,判别法无结论

适用场景: 通项含有阶乘 (n!n!)、指数 (ana^nrnr^n)、或乘积项。

根值判别法 (Root Test)

an\sum a_n 为项级数。令:

limnann=ρ\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{|a_n|} = \rho

  • 如果 ρ<1\rho < 1,则级数绝对收敛
  • 如果 ρ>1\rho > 1(或 ρ=\rho = \infty),则级数发散
  • 如果 ρ=1\rho = 1,判别法无结论

适用场景: 通项含有 nn 次幂(如 an=()na_n = (\cdots)^n 形式)。

有用的事实: limnnn=1\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{n} = 1limnn!n=\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{n!} = \infty


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)n1bn\sum_{n=1}^{\infty} (-1)^{n-1} b_nbn>0b_n > 0)。如果满足以下三个条件:

  1. bn>0b_n > 0 对所有 nn
  2. {bn}\{b_n\} 是递减序列(即 bn+1bnb_{n+1} \leq b_n
  3. limnbn=0\lim_{n\to\infty} b_n = 0

则交错级数收敛

余项估计: Rnbn+1|R_n| \leq b_{n+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: (1)n1n=ln2\sum \frac{(-1)^{n-1}}{n} = \ln 2(条件收敛的经典例子)

绝对收敛 (Absolute Convergence)

级数 an\sum a_n 绝对收敛 如果 an\sum |a_n| 收敛。

定理: 绝对收敛 \Rightarrow 收敛。

条件收敛 (Conditional Convergence)

级数 an\sum a_n 条件收敛 如果它收敛但非绝对收敛(即 an\sum a_n 收敛而 an\sum |a_n| 发散)。

绝对收敛级数的重排定理:

  • 如果 an\sum a_n 绝对收敛,则其任意重排均收敛于相同的和。
  • 如果 an\sum a_n 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

  1. 检查第 n 项: liman0\lim a_n \neq 0?则发散(nth-Term Test)。
  2. 检查特殊类型:
    • 几何级数?arn1\sum ar^{n-1}r<1|r| < 1 收敛。
    • p-级数?1/np\sum 1/n^pp>1p > 1 收敛。
    • 伸缩级数?直接求部分和极限。
  3. 检查正项级数:
    • 含阶乘或 nn 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。
  4. 检查交错级数: 使用交错级数判别法。
  5. 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=ax = a

n=0cn(xa)n\sum_{n=0}^{\infty} c_n (x - a)^n

其中 aa 称为幂级数的中心 (center)cnc_n系数 (coefficients)

幂级数的收敛性

存在三种可能:

  1. 仅在 x=ax = a 处收敛(半径 R=0R = 0
  2. 对所有 xRx \in \mathbb{R} 收敛(半径 R=R = \infty
  3. 存在 R>0R > 0,使得级数在 xa<R|x - a| < R 时收敛,在 xa>R|x - a| > R 时发散

收敛半径 (Radius of Convergence)

求法 1 – 使用比值判别法:

R=limncncn+1(若极限存在)R = \lim_{n\to\infty} \left|\frac{c_n}{c_{n+1}}\right| \quad \text{(若极限存在)}

求法 2 – 使用根值判别法:

R=1limncnn(若极限存在)R = \frac{1}{\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{|c_n|}} \quad \text{(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>0R > 0,则在区间 (aR,a+R)(a-R, a+R) 内:

  1. 逐项微分: f(x)=n=1ncn(xa)n1f'(x) = \sum_{n=1}^{\infty} n c_n (x-a)^{n-1},收敛半径也为 RR
  2. 逐项积分: f(x)dx=C+n=0cnn+1(xa)n+1\int f(x)\,dx = C + \sum_{n=0}^{\infty} \frac{c_n}{n+1} (x-a)^{n+1},收敛半径也为 RR

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=ax = a 处):

f(x)=n=0f(n)(a)n!(xa)nf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(a)}{n!} (x - a)^n

Maclaurin 级数(a=0a = 0):

f(x)=n=0f(n)(0)n!xnf(x) = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n

重要 Maclaurin 级数(必须熟记) – 【期中考点·必背】

1. 指数函数 exe^x

ex=n=0xnn!=1+x+x22!+x33!+,R=e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!} = 1 + x + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \cdots, \quad R = \infty

2. 正弦函数 sinx\sin x

sinx=n=0(1)nx2n+1(2n+1)!=xx33!+x55!,R=\sin x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \cdots, \quad R = \infty

3. 余弦函数 cosx\cos x

cosx=n=0(1)nx2n(2n)!=1x22!+x44!,R=\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \cdots, \quad R = \infty

4. 自然对数 ln(1+x)\ln(1+x)

ln(1+x)=n=1(1)n1xnn=xx22+x33,1<x1\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \cdots, \quad -1 < x \leq 1

5. 反正切 tan1x\tan^{-1} x(或 arctanx\arctan x):

tan1x=n=0(1)nx2n+12n+1=xx33+x55,1x1\tan^{-1} x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1} = x - \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} - \cdots, \quad -1 \leq x \leq 1

6. 二项式级数 (1+x)k(1+x)^k

(1+x)k=n=0(kn)xn=1+kx+k(k1)2!x2+(1+x)^k = \sum_{n=0}^{\infty} \binom{k}{n} x^n = 1 + kx + \frac{k(k-1)}{2!}x^2 + \cdots

其中 (kn)=k(k1)(kn+1)n!\binom{k}{n} = \frac{k(k-1)\cdots(k-n+1)}{n!}。收敛区间:x<1|x| < 1(若 kk 不是非负整数)。

7. 几何级数 11x\frac{1}{1-x}

11x=n=0xn=1+x+x2+x3+,x<1\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^{\infty} x^n = 1 + x + x^2 + x^3 + \cdots, \quad |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 ff 及其前 nn 阶导数在含 aaxx 的区间上连续,且 f(n+1)f^{(n+1)} 在该区间上存在,则:

f(x)=Pn(x)+Rn(x)f(x) = P_n(x) + R_n(x)

其中 Pn(x)P_n(x)nn 阶 Taylor 多项式,Rn(x)R_n(x) 为余项。

Lagrange 形式的余项:

Rn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!} (x - a)^{n+1}

其中 ccaaxx 之间的某个数。

Lagrange 误差界 – 【考点】

如果对于 aaxx 之间的所有 tt,有 f(n+1)(t)M|f^{(n+1)}(t)| \leq M,则:

Rn(x)M(n+1)!xan+1|R_n(x)| \leq \frac{M}{(n+1)!} |x - a|^{n+1}

要证明 Taylor 级数等于原函数,需证明 limnRn(x)=0\lim_{n\to\infty} R_n(x) = 0

标准反例: f(x)={e1/x2,x00,x=0f(x) = \begin{cases} e^{-1/x^2}, & x \neq 0 \\ 0, & x = 0 \end{cases}x=0x=0 的所有导数为 0,Maclaurin 级数为 0,但 f(x)0f(x) \neq 0(当 x0x \neq 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 kk

(1+x)k=n=0(kn)xn(1+x)^k = \sum_{n=0}^{\infty} \binom{k}{n} x^n

  • kk 为非负整数,级数为有限项(普通二项式定理)
  • kk 不是非负整数,级数在 x<1|x| < 1 时收敛

Taylor 级数的应用:

  1. 数值近似计算: 用 Taylor 多项式近似定积分(如 01ex2dx\int_0^1 e^{-x^2}dx
  2. 求极限:limx0sinxxx3=16\lim_{x\to 0} \frac{\sin x - x}{x^3} = -\frac{1}{6}

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 tt 来描述曲线上点的坐标:

x=f(t),y=g(t),tIx = f(t), \quad y = g(t), \quad t \in I

常见参数化:

曲线参数方程
直线x=x0+at,y=y0+btx = x_0 + at,\quad y = y_0 + bt
x=h+Rcost,y=k+Rsintx = h + R\cos t,\quad y = k + R\sin t
椭圆x=h+acost,y=k+bsintx = h + a\cos t,\quad y = k + b\sin t
摆线 (Cycloid)x=a(tsint),y=a(1cost)x = a(t - \sin t),\quad y = a(1 - \cos t)

消去参数的三种方法:

  1. 从一个方程解出 tt,代入另一个方程
  2. 利用三角恒等式(如 cos2t+sin2t=1\cos^2 t + \sin^2 t = 1
  3. 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)

dydx=dy/dtdx/dt=y(t)x(t)\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt} = \frac{y'(t)}{x'(t)}

  • 如果 dx/dt=0dx/dt = 0dy/dt0dy/dt \neq 0,则切线是垂直的
  • 如果 dy/dt=0dy/dt = 0dx/dt0dx/dt \neq 0,则切线是水平的

二阶导数

d2ydx2=ddt(dydx)dxdt\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{\frac{d}{dt}\left(\frac{dy}{dx}\right)}{\frac{dx}{dt}}

注意:d2ydx2d2y/dt2d2x/dt2\frac{d^2y}{dx^2} \neq \frac{d^2y/dt^2}{d^2x/dt^2}

参数曲线的弧长

L=αβ(dxdt)2+(dydt)2  dtL = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\; dt

旋转曲面的表面积

xx 轴旋转y0y \geq 0):

S=αβ2πy(dxdt)2+(dydt)2  dtS = \int_{\alpha}^{\beta} 2\pi y \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\; dt

yy 轴旋转x0x \geq 0):

S=αβ2πx(dxdt)2+(dydt)2  dtS = \int_{\alpha}^{\beta} 2\pi x \sqrt{\left(\frac{dx}{dt}\right)^2 + \left(\frac{dy}{dt}\right)^2}\; dt


11.3 极坐标 (Polar Coordinates)

极坐标由 (r,θ)(r, \theta) 确定:

  • rr:从极点(原点)到该点的有向距离
  • θ\theta:从极轴(正 xx 轴)逆时针测量的角度

转换公式:

x=rcosθ,y=rsinθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta

r2=x2+y2,tanθ=yxr^2 = x^2 + y^2, \quad \tan\theta = \frac{y}{x}


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 xx(r,θ)(r, -\theta)(r,πθ)(-r, \pi-\theta)
关于 yy(r,πθ)(r, \pi-\theta)(r,θ)(-r, -\theta)
关于极点(r,θ)(-r, \theta)(r,θ+π)(r, \theta+\pi)

常见极坐标曲线:

曲线方程特征
心形线 (Cardioid)r=a(1±cosθ)r = a(1 \pm \cos\theta)r=a(1±sinθ)r = a(1 \pm \sin\theta)心形,一个尖端
蜗线 (Limaçon)r=a±bcosθr = a \pm b\cos\thetar=a±bsinθr = a \pm b\sin\theta取决于 a/ba/b 比值
玫瑰线 (Rose)r=acos(nθ)r = a\cos(n\theta)r=asin(nθ)r = a\sin(n\theta)nn 奇数:nn 瓣;nn 偶数:2n2n
双纽线 (Lemniscate)r2=a2cos(2θ)r^2 = a^2\cos(2\theta)r2=a2sin(2θ)r^2 = a^2\sin(2\theta)8 字形
阿基米德螺旋线r=aθr = a\theta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=αβ12r2  dθ=12αβ[f(θ)]2  dθ\boxed{A = \int_{\alpha}^{\beta} \frac{1}{2} r^2\; d\theta = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta} [f(\theta)]^2\; d\theta}

两条极坐标曲线之间的面积:

A=12αβ([f(θ)]2[g(θ)]2)dθA = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta} \left([f(\theta)]^2 - [g(\theta)]^2\right) d\theta

其中 f(θ)g(θ)0f(\theta) \geq g(\theta) \geq 0ff 是外曲线,gg 是内曲线)。

经典例题 – 心形线面积: r=a(1+cosθ)r = a(1 + \cos\theta)

A=1202πa2(1+cosθ)2dθ=32πa2A = \frac{1}{2}\int_0^{2\pi} a^2(1 + \cos\theta)^2\,d\theta = \frac{3}{2}\pi a^2

极坐标弧长

L=αβr2+(drdθ)2  dθL = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{r^2 + \left(\frac{dr}{d\theta}\right)^2}\; d\theta

极坐标切线斜率

dydx=rsinθ+rcosθrcosθrsinθ,r=drdθ\frac{dy}{dx} = \frac{r'\sin\theta + r\cos\theta}{r'\cos\theta - r\sin\theta}, \quad r' = \frac{dr}{d\theta}


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 FF(焦点)与到定直线 LL(准线)距离之比为定值 ee(离心率)的点的轨迹:

PFPD=e\frac{PF}{PD} = e

离心率类型标准形式
e=0e = 0圆 (Circle)x2+y2=a2x^2 + y^2 = a^2
0<e<10 < e < 1椭圆 (Ellipse)x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1, c2=a2b2c^2 = a^2 - b^2
e=1e = 1抛物线 (Parabola)y2=4pxy^2 = 4px, 焦点 (p,0)(p, 0)
e>1e > 1双曲线 (Hyperbola)x2a2y2b2=1\frac{x^2}{a^2} - \frac{y^2}{b^2} = 1, c2=a2+b2c^2 = a^2 + b^2

11.7 极坐标中的圆锥曲线 – 【考点】

统一极坐标方程:

r=ed1±ecosθr=ed1±esinθr = \frac{ed}{1 \pm e\cos\theta} \quad \text{或} \quad r = \frac{ed}{1 \pm e\sin\theta}

根据 ee 分类:

  • e<1e < 1:椭圆
  • e=1e = 1:抛物线
  • e>1e > 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=(x2x1)2+(y2y1)2+(z2z1)2|P_1P_2| = \sqrt{(x_2 - x_1)^2 + (y_2 - y_1)^2 + (z_2 - z_1)^2}

球面方程:(x0,y0,z0)(x_0, y_0, z_0) 为球心、aa 为半径:

(xx0)2+(yy0)2+(zz0)2=a2(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2 + (z - z_0)^2 = a^2


12.2 向量 (Vectors)

分量形式: PQ=x2x1,y2y1,z2z1\overrightarrow{PQ} = \langle x_2 - x_1, y_2 - y_1, z_2 - z_1 \rangle

向量大小: v=v12+v22+v32|\mathbf{v}| = \sqrt{v_1^2 + v_2^2 + v_3^2}

运算:

  • 加法:u+v=u1+v1,u2+v2,u3+v3\mathbf{u} + \mathbf{v} = \langle u_1+v_1, u_2+v_2, u_3+v_3 \rangle
  • 标量乘法:ku=ku1,ku2,ku3k\mathbf{u} = \langle ku_1, ku_2, ku_3 \rangle

标准基向量: i=1,0,0\mathbf{i} = \langle 1, 0, 0 \rangle, j=0,1,0\mathbf{j} = \langle 0, 1, 0 \rangle, k=0,0,1\mathbf{k} = \langle 0, 0, 1 \rangle

单位向量: u=vv\mathbf{u} = \frac{\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|}


12.3 点积 (The Dot Product) – 【考点】

uv=u1v1+u2v2+u3v3\mathbf{u} \cdot \mathbf{v} = u_1v_1 + u_2v_2 + u_3v_3

角度公式:

uv=uvcosθ,θ=cos1(uvuv)\mathbf{u} \cdot \mathbf{v} = |\mathbf{u}||\mathbf{v}|\cos\theta, \quad \theta = \cos^{-1}\left(\frac{\mathbf{u} \cdot \mathbf{v}}{|\mathbf{u}||\mathbf{v}|}\right)

正交条件: uv=0\mathbf{u} \cdot \mathbf{v} = 0

向量投影:

projvu=(uvv2)v\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \left(\frac{\mathbf{u} \cdot \mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}\right)\mathbf{v}

标量分量: ucosθ=uvv|\mathbf{u}|\cos\theta = \frac{\mathbf{u} \cdot \mathbf{v}}{|\mathbf{v}|}

功 (Work): W=FD=FDcosθW = \mathbf{F} \cdot \mathbf{D} = |\mathbf{F}||\mathbf{D}|\cos\theta

方向余弦: cos2α+cos2β+cos2γ=1\cos^2\alpha + \cos^2\beta + \cos^2\gamma = 1


12.4 叉积 (The Cross Product) – 【考点】

u×v=ijku1u2u3v1v2v3\mathbf{u} \times \mathbf{v} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ u_1 & u_2 & u_3 \\ v_1 & v_2 & v_3 \end{vmatrix}

展开:

u×v=(u2v3u3v2)i(u1v3u3v1)j+(u1v2u2v1)k\mathbf{u} \times \mathbf{v} = (u_2v_3 - u_3v_2)\mathbf{i} - (u_1v_3 - u_3v_1)\mathbf{j} + (u_1v_2 - u_2v_1)\mathbf{k}

性质:

  • 反交换律:v×u=(u×v)\mathbf{v} \times \mathbf{u} = -(\mathbf{u} \times \mathbf{v})
  • 平行条件:u×v=0    uv\mathbf{u} \times \mathbf{v} = \mathbf{0} \iff \mathbf{u} \parallel \mathbf{v}
  • 标准基:i×j=k,j×k=i,k×i=j\mathbf{i} \times \mathbf{j} = \mathbf{k}, \mathbf{j} \times \mathbf{k} = \mathbf{i}, \mathbf{k} \times \mathbf{i} = \mathbf{j}

几何意义: u×v=uvsinθ|\mathbf{u} \times \mathbf{v}| = |\mathbf{u}||\mathbf{v}|\sin\theta 等于以 u\mathbf{u}v\mathbf{v} 为邻边的平行四边形面积

三角形面积: Area=12u×v\text{Area} = \frac{1}{2}|\mathbf{u} \times \mathbf{v}|

三重标量积(体积):

(u×v)w=u1u2u3v1v2v3w1w2w3(\mathbf{u} \times \mathbf{v}) \cdot \mathbf{w} = \begin{vmatrix} u_1 & u_2 & u_3 \\ v_1 & v_2 & v_3 \\ w_1 & w_2 & w_3 \end{vmatrix}

(u×v)w|(\mathbf{u} \times \mathbf{v}) \cdot \mathbf{w}| = 平行六面体体积,四面体体积 = 16(u×v)w\frac{1}{6}|(\mathbf{u} \times \mathbf{v}) \cdot \mathbf{w}|

力矩 (Torque): τ=r×F\boldsymbol{\tau} = \mathbf{r} \times \mathbf{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)P_0(x_0, y_0, z_0) 且平行于 v=a,b,c\mathbf{v} = \langle a, b, c \rangle

向量方程: r(t)=r0+tv\mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + t\mathbf{v}

参数方程: x=x0+at,  y=y0+bt,  z=z0+ctx = x_0 + at,\; y = y_0 + bt,\; z = z_0 + ct

对称方程: xx0a=yy0b=zz0c\frac{x - x_0}{a} = \frac{y - y_0}{b} = \frac{z - z_0}{c}a,b,ca,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: nP0P=0\mathbf{n} \cdot \overrightarrow{P_0P} = 0

分量方程: A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0A(x - x_0) + B(y - y_0) + C(z - z_0) = 0

简化形式: Ax+By+Cz=DAx + By + Cz = D,其中法向量 n=A,B,C\mathbf{n} = \langle A, B, C \rangle

由三点求平面: n=PQ×PR\mathbf{n} = \overrightarrow{PQ} \times \overrightarrow{PR}

点到平面的距离

d=PSnn=Ax1+By1+Cz1DA2+B2+C2d = \frac{|\overrightarrow{PS} \cdot \mathbf{n}|}{|\mathbf{n}|} = \frac{|Ax_1 + By_1 + Cz_1 - D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}

两平面的夹角

θ=cos1(n1n2n1n2)\theta = \cos^{-1}\left(\frac{|\mathbf{n}_1 \cdot \mathbf{n}_2|}{|\mathbf{n}_1||\mathbf{n}_2|}\right)

  • 平行平面:n1=kn2\mathbf{n}_1 = k\mathbf{n}_2
  • 垂直平面:n1n2=0\mathbf{n}_1 \cdot \mathbf{n}_2 = 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\mathbf{v} = \mathbf{n}_1 \times \mathbf{n}_2

点到直线的距离

d=PS×vvd = \frac{|\overrightarrow{PS} \times \mathbf{v}|}{|\mathbf{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
x2a2+y2b2+z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}+\frac{z^2}{c^2}=1椭球面 (Ellipsoid)
x2a2+y2b2=zc\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=\frac{z}{c}椭圆抛物面 (Elliptic Paraboloid)
y2b2x2a2=zc\frac{y^2}{b^2}-\frac{x^2}{a^2}=\frac{z}{c}双曲抛物面 / 马鞍面 (Hyperbolic Paraboloid)
x2a2+y2b2=z2c2\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=\frac{z^2}{c^2}椭圆锥面 (Elliptic Cone)
x2a2+y2b2z2c2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}-\frac{z^2}{c^2}=1单叶双曲面 (Hyperboloid of One Sheet)
z2c2x2a2y2b2=1\frac{z^2}{c^2}-\frac{x^2}{a^2}-\frac{y^2}{b^2}=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 \to 椭球面
  • 两个平方项 + 一个一次项 \to 抛物面
  • 一个负号 \to 鞍面(双曲抛物面)
  • 两个正 + 一个负 + 右边 = 1 \to 单叶双曲面
  • 一个正 + 两个负 + 右边 = 1 \to 双叶双曲面
  • 只有平方项 + 右边 = 0 \to 锥面

柱坐标系 (Cylindrical Coordinates) – 【考点·Ch15基础】

x=rcosθ,y=rsinθ,z=zx = r\cos\theta,\quad y = r\sin\theta,\quad z = z

r2=x2+y2,tanθ=yxr^2 = x^2 + y^2,\quad \tan\theta = \frac{y}{x}

体积元: dV=r  dz  dr  dθdV = r \; dz \; dr \; d\theta


球坐标系 (Spherical Coordinates) – 【考点·Ch15基础】

x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕx = \rho\sin\phi\cos\theta,\quad y = \rho\sin\phi\sin\theta,\quad z = \rho\cos\phi

其中 ρ0\rho \geq 00ϕπ0 \leq \phi \leq \pi0θ<2π0 \leq \theta < 2\pi

体积元: dV=ρ2sinϕ  dρ  dϕ  dθdV = \rho^2 \sin\phi \; d\rho \; d\phi \; d\theta

与柱坐标的关系: r=ρsinϕr = \rho\sin\phiz=ρcosϕz = \rho\cos\phi


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\mathbf{r}(t) = \langle f(t), g(t), h(t) \rangle = f(t)\,\mathbf{i} + g(t)\,\mathbf{j} + h(t)\,\mathbf{k}

导数: r(t)=f(t),g(t),h(t)\mathbf{r}'(t) = \langle f'(t), g'(t), h'(t) \rangle

单位切线向量: T(t)=r(t)r(t)\mathbf{T}(t) = \frac{\mathbf{r}'(t)}{|\mathbf{r}'(t)|}

光滑曲线: r(t)\mathbf{r}'(t) 连续且 r(t)0\mathbf{r}'(t) \neq \mathbf{0}

常数长度的向量函数性质: 如果 r(t)=c|\mathbf{r}(t)| = c,则 r(t)r(t)=0\mathbf{r}(t) \cdot \mathbf{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 v0v_0,角度 α\alpha

位置:

x(t)=(v0cosα)t,y(t)=(v0sinα)t12gt2x(t) = (v_0\cos\alpha)\,t, \quad y(t) = (v_0\sin\alpha)\,t - \frac{1}{2}gt^2

轨迹方程(Cartesian Equation):

y=(tanα)xg2v02cos2αx2y = (\tan\alpha)\,x - \frac{g}{2v_0^2\cos^2\alpha}\,x^2

关键量:

公式
飞行时间tf=2v0sinαgt_f = \frac{2v_0\sin\alpha}{g}
射程 (Range)R=v02sin(2α)gR = \frac{v_0^2\sin(2\alpha)}{g}
最大高度ymax=(v0sinα)22gy_{\max} = \frac{(v_0\sin\alpha)^2}{2g}

最大射程: α=45\alpha = 45^\circ 时,Rmax=v02gR_{\max} = \frac{v_0^2}{g}


13.3 空间曲线的弧长 (Arc Length in Space)

L=abr(t)dt=ab[f(t)]2+[g(t)]2+[h(t)]2dtL = \int_a^b |\mathbf{r}'(t)|\,dt = \int_a^b \sqrt{[f'(t)]^2 + [g'(t)]^2 + [h'(t)]^2}\,dt

弧长微分: ds=r(t)dtds = |\mathbf{r}'(t)|\,dt

速率: Speed=v(t)=dsdt\text{Speed} = |\mathbf{v}(t)| = \frac{ds}{dt}

弧长参数化性质: drds=1\left|\frac{d\mathbf{r}}{ds}\right| = 1drds=T\frac{d\mathbf{r}}{ds} = \mathbf{T}


13.4 曲率与曲线的法向量 (Curvature and Normal Vector) – 【考点】

曲率定义

κ=dTds\kappa = \left|\frac{d\mathbf{T}}{ds}\right|

最重要公式: κ(t)=r(t)×r(t)r(t)3=v×av3\kappa(t) = \frac{|\mathbf{r}'(t) \times \mathbf{r}''(t)|}{|\mathbf{r}'(t)|^3} = \frac{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}{|\mathbf{v}|^3}【考点·核心】

平面曲线 y=f(x)y = f(x)

κ(x)=y(1+(y)2)3/2\kappa(x) = \frac{|y''|}{(1 + (y')^2)^{3/2}}

曲率半径: ρ=1κ\rho = \frac{1}{\kappa}

主单位法向量 (Principal Unit Normal)

N(t)=T(t)T(t)\mathbf{N}(t) = \frac{\mathbf{T}'(t)}{|\mathbf{T}'(t)|}

也可用叉积公式:N=(v×a)×vv×av\mathbf{N} = \frac{(\mathbf{v} \times \mathbf{a}) \times \mathbf{v}}{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|\,|\mathbf{v}|}


13.5 加速度的切向与法向分量 – 【考点】

a=aTT+aNN\mathbf{a} = a_T\,\mathbf{T} + a_N\,\mathbf{N}

分量公式1公式2
aTa_Tdvdt\frac{d|\mathbf{v}|}{dt}vav\frac{\mathbf{v}\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{v}|}
aNa_Nκv2\kappa|\mathbf{v}|^2v×av\frac{|\mathbf{v}\times\mathbf{a}|}{|\mathbf{v}|}
  • aTa_T:反映速率大小的变化(加速/减速)
  • aNa_N:反映运动方向的改变(转弯)
  • aN=a2aT2a_N = \sqrt{|\mathbf{a}|^2 - a_T^2}aT2+aN2=a2a_T^2 + a_N^2 = |\mathbf{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\mathbf{T}单位切线向量T=rr\mathbf{T} = \frac{\mathbf{r}'}{|\mathbf{r}'|}
N\mathbf{N}主单位法向量N=TT\mathbf{N} = \frac{\mathbf{T}'}{|\mathbf{T}'|}
B\mathbf{B}副法向量B=T×N=v×av×a\mathbf{B} = \mathbf{T} \times \mathbf{N} = \frac{\mathbf{v} \times \mathbf{a}}{|\mathbf{v} \times \mathbf{a}|}

挠率 (Torsion)

τ=(r×r)rr×r2\tau = \frac{(\mathbf{r}' \times \mathbf{r}'') \cdot \mathbf{r}'''}{|\mathbf{r}' \times \mathbf{r}''|^2}

  • τ=0\tau = 0:平面曲线
  • τ>0\tau > 0:右手螺旋方向扭转

Frenet-Serret 公式

dTds=κN,dNds=κT+τB,dBds=τN\frac{d\mathbf{T}}{ds} = \kappa \mathbf{N}, \quad \frac{d\mathbf{N}}{ds} = -\kappa \mathbf{T} + \tau \mathbf{B}, \quad \frac{d\mathbf{B}}{ds} = -\tau \mathbf{N}


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)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)=kf(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)=kf(x, y, z) = k 定义的曲面(如 x2+y2+z2=kx^2 + y^2 + z^2 = 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)(x, y) 可以从无穷多个方向路径趋近 (x0,y0)(x_0, y_0)。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)xyx2+y2\lim_{(x,y)\to(0,0)} \frac{xy}{x^2+y^2}

  • 路径 y=0y = 0:极限 =0= 0
  • 路径 y=xy = x:极限 =12= \frac{1}{2}
  • 两个不同极限     \implies DNE

极坐标法(证明极限存在):x=rcosθx = r\cos\theta, y=rsinθy = r\sin\theta,若 r0r \to 0 时结果与 θ\theta 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)=fx(x0,y0)=limh0f(x0+h,y0)f(x0,y0)hf_x(x_0, y_0) = \frac{\partial f}{\partial x}\bigg|_{(x_0,y_0)} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0 + h, y_0) - f(x_0, y_0)}{h}

fy(x0,y0)=fy(x0,y0)=limh0f(x0,y0+h)f(x0,y0)hf_y(x_0, y_0) = \frac{\partial f}{\partial y}\bigg|_{(x_0,y_0)} = \lim_{h \to 0} \frac{f(x_0, y_0 + h) - f(x_0, y_0)}{h}

求导规则:fxf_x 时把 yy 视为常数,求 fyf_y 时把 xx 视为常数。

高阶偏导数:

2fx2=fxx,2fy2=fyy,2fyx=fxy,2fxy=fyx\frac{\partial^2 f}{\partial x^2} = f_{xx}, \quad \frac{\partial^2 f}{\partial y^2} = f_{yy}, \quad \frac{\partial^2 f}{\partial y \partial x} = f_{xy}, \quad \frac{\partial^2 f}{\partial x \partial y} = f_{yx}

Clairaut 定理: 如果 fxyf_{xy}fyxf_{yx} 连续,则 fxy=fyxf_{xy} = f_{yx}


14.4 链式法则 (The Chain Rule) – 【3年3考·必考】

情况一:z=f(x,y)z = f(x, y)x=g(t)x = g(t)y=h(t)y = h(t)

dzdt=fxdxdt+fydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt}

情况二:z=f(u,v)z = f(u, v)u=g(x,y)u = g(x, y)v=h(x,y)v = h(x, y)

zx=fuux+fvvx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}

zy=fuuy+fvvy\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial f}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial y}

隐函数求导

情形一: F(x,y)=0F(x, y) = 0yy 隐式定义为 xx 的函数:

dydx=FxFy\frac{dy}{dx} = -\frac{F_x}{F_y}

情形二: F(x,y,z)=0F(x, y, z) = 0zz 隐式定义为 x,yx, y 的函数:

zx=FxFz,zy=FyFz\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{F_x}{F_z}, \quad \frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{F_y}{F_z}


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\nabla f(x, y) = \langle f_x, f_y \rangle, \quad \nabla f(x, y, z) = \langle f_x, f_y, f_z \rangle

方向导数

沿单位向量 u\mathbf{u} 的方向导数:

Duf=fu=fcosθD_{\mathbf{u}} f = \nabla f \cdot \mathbf{u} = |\nabla f| \cos\theta

关键性质:

  • f\nabla f 指向 ff 增加最快的方向
  • 最大增长率 = f|\nabla f|
  • f\nabla f 垂直于等高线(当 f0\nabla f \neq \mathbf{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)z = f(x, y) 在点 (x0,y0,z0)(x_0, y_0, z_0) 处的切平面:

zz0=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)z - z_0 = f_x(x_0, y_0)(x - x_0) + f_y(x_0, y_0)(y - y_0)

法向量:n=fx,fy,1\mathbf{n} = \langle f_x, f_y, -1 \rangle

线性化 (Linearization)

L(x,y)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)L(x, y) = f(x_0, y_0) + f_x(x_0, y_0)(x - x_0) + f_y(x_0, y_0)(y - y_0)

切平面 z=L(x,y)z = L(x, y) 就是 f(x,y)f(x, y)(x0,y0)(x_0, y_0) 处的标准线性近似。

全微分 (Total Differential)

dz=fxdx+fydy=zxdx+zydydz = f_x\,dx + f_y\,dy = \frac{\partial z}{\partial x}dx + \frac{\partial z}{\partial y}dy

误差估计: Δzdz=zxΔx+zyΔy\Delta z \approx dz = \frac{\partial z}{\partial x}\Delta x + \frac{\partial z}{\partial y}\Delta y


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)=0f_x(a, b) = 0fy(a,b)=0f_y(a, b) = 0(即 f=0\nabla f = \mathbf{0}

二阶导数检验 (Second Derivative Test): 计算 Hessian 行列式:

D=fxxfyy(fxy)2D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2

DDfxxf_{xx}结论
D>0D > 0fxx>0f_{xx} > 0局部极小值 (Local Minimum)
D>0D > 0fxx<0f_{xx} < 0局部极大值 (Local Maximum)
D<0D < 0鞍点 (Saddle Point)
D=0D = 0不确定 (Inconclusive)

经典鞍点函数: f(x,y)=x2y2f(x, y) = x^2 - y^2(0,0)(0, 0) 处。

闭有界区域上的绝对极值

  1. 求区域内部的临界点
  2. ff 在区域边界上的极值(参数化边界,转化为一元函数问题)
  3. 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

f(x,y)f(x, y) 在约束 g(x,y)=kg(x, y) = k 下的极值,求解方程组:

f=λg,g(x,y)=k\nabla f = \lambda \nabla g, \quad g(x, y) = k

即:

fx=λgx,fy=λgy,g(x,y)=kf_x = \lambda g_x, \quad f_y = \lambda g_y, \quad g(x, y) = k

几何意义: 在最优点处,ff 的等高线与约束曲线 g=kg = k 相切,即 fg\nabla f \parallel \nabla g

三个变量的情况

对于 f(x,y,z)f(x, y, z) 受约束 g(x,y,z)=kg(x, y, z) = k

fx=λgx,fy=λgy,fz=λgz,g=kf_x = \lambda g_x, \quad f_y = \lambda g_y, \quad f_z = \lambda g_z, \quad g = k

多个约束

f=λg+μh\nabla f = \lambda \nabla g + \mu \nabla h

典型应用问题:

  1. 最大化/最小化面积、体积、距离
  2. 点到平面的最短距离
  3. 经济学中的效用最大化(Maximize U(x,y)U(x, y) subject to p1x+p2y=Ip_1x + p_2y = I

14.9 二元函数的泰勒公式 (Taylor’s Formula for Two Variables)

一阶近似(线性化):

f(x,y)f(a,b)+fx(a,b)(xa)+fy(a,b)(yb)f(x, y) \approx f(a, b) + f_x(a, b)(x - a) + f_y(a, b)(y - b)

二阶 Taylor 多项式:

f(a+h,b+k)f(a,b)+hfx+kfy+12(h2fxx+2hkfxy+k2fyy)f(a+h, b+k) \approx f(a,b) + hf_x + kf_y + \frac{1}{2}(h^2f_{xx} + 2hkf_{xy} + k^2f_{yy})

紧凑形式(算子记号):

f(a+h,b+k)=m=0n1m!(hx+ky)mf(a,b)+Rnf(a+h, b+k) = \sum_{m=0}^{n} \frac{1}{m!}\left(h\frac{\partial}{\partial x} + k\frac{\partial}{\partial y}\right)^m f(a, b) + R_n


14.10 带约束变量的偏导数

关键恒等式(热力学中有用):

(xy)z(yz)x(zx)y=1\left(\frac{\partial x}{\partial y}\right)_z \cdot \left(\frac{\partial y}{\partial z}\right)_x \cdot \left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)_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=abcdf(x,y)dydx=cdabf(x,y)dxdy\iint_R f(x,y)\,dA = \int_a^b \int_c^d f(x,y)\,dy\,dx = \int_c^d \int_a^b f(x,y)\,dx\,dy

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)axb,  g1(x)yg2(x)}D = \{(x,y) \mid a \leq x \leq b,\; g_1(x) \leq y \leq g_2(x)\}

Df(x,y)dA=x=ax=by=g1(x)y=g2(x)f(x,y)dydx\iint_D f(x,y)\,dA = \int_{x=a}^{x=b} \int_{y=g_1(x)}^{y=g_2(x)} f(x,y)\,dy\,dx

Type II 区域(水平简单区域):

D={(x,y)cyd,  h1(y)xh2(y)}D = \{(x,y) \mid c \leq y \leq d,\; h_1(y) \leq x \leq h_2(y)\}

Df(x,y)dA=y=cy=dx=h1(y)x=h2(y)f(x,y)dxdy\iint_D f(x,y)\,dA = \int_{y=c}^{y=d} \int_{x=h_1(y)}^{x=h_2(y)} f(x,y)\,dx\,dy

交换积分次序 – 【3年3考·必考】

经典例子:01x1ey2dydx\int_0^1 \int_x^1 e^{y^2}\,dy\,dx

先积 yyey2e^{y^2} 无初等原函数,但交换次序后:

010yey2dxdy=01yey2dy=12(e1)\int_0^1 \int_0^y e^{y^2}\,dx\,dy = \int_0^1 y e^{y^2}\,dy = \frac{1}{2}(e-1)

步骤:

  1. 从原积分限画出积分区域
  2. 将区域重新描述为另一种 Type
  3. 写出新的积分限

15.3 用二重积分求面积

A=D1dA=DdAA = \iint_D 1\,dA = \iint_D dA

在极坐标下:A=DrdrdθA = \iint_D r\,dr\,d\theta


15.4 极坐标下的二重积分

极坐标变换

x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθx = r \cos\theta,\quad y = r \sin\theta,\quad dA = r\,dr\,d\theta

Df(x,y)dA=Df(rcosθ,rsinθ)  rdrdθ\iint_D f(x,y)\,dA = \iint_D f(r\cos\theta, r\sin\theta)\; r\,dr\,d\theta

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+y2x^2 + y^2
  • 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)dAm = \iint_D \delta(x,y)\,dA

一阶矩:

Mx=Dyδ(x,y)dA,My=Dxδ(x,y)dAM_x = \iint_D y\,\delta(x,y)\,dA, \quad M_y = \iint_D x\,\delta(x,y)\,dA

质心:

xˉ=Mym,yˉ=Mxm\bar{x} = \frac{M_y}{m}, \quad \bar{y} = \frac{M_x}{m}

转动惯量:

Ix=Dy2δdA,Iy=Dx2δdA,IO=Ix+IyI_x = \iint_D y^2\,\delta\,dA, \quad I_y = \iint_D x^2\,\delta\,dA, \quad I_O = I_x + I_y

曲面积分求表面积

A=D1+(zx)2+(zy)2  dAA = \iint_D \sqrt{1 + \left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial z}{\partial y}\right)^2}\; dA


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][a,b] \times [c,d] \times [p,q]

DfdV=abcdpqf(x,y,z)dzdydx\iiint_D f\,dV = \int_a^b \int_c^d \int_p^q f(x,y,z)\,dz\,dy\,dx

六种可能的积分次序: dzdydxdz\,dy\,dx, dzdxdydz\,dx\,dy, dydzdxdy\,dz\,dx, dydxdzdy\,dx\,dz, dxdydzdx\,dy\,dz, dxdzdydx\,dz\,dy

用三重积分求体积: V=D1dVV = \iiint_D 1\,dV


15.8 柱坐标下的三重积分 – 【3年2考·高频】

x=rcosθ,y=rsinθ,z=z,dV=rdzdrdθx = r \cos\theta,\quad y = r \sin\theta,\quad z = z,\quad dV = r\,dz\,dr\,d\theta

DfdV=θ=αβr=g1(θ)g2(θ)z=u1(r,θ)u2(r,θ)f  rdzdrdθ\iiint_D f\,dV = \int_{\theta=\alpha}^{\beta} \int_{r=g_1(\theta)}^{g_2(\theta)} \int_{z=u_1(r,\theta)}^{u_2(r,\theta)} f\; r\,dz\,dr\,d\theta

适合使用柱坐标的情况:

  • 积分区域关于 zz 轴具有旋转对称性
  • 被积函数含有 x2+y2x^2 + y^2
  • 区域在 xyxy 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=ρcosϕx = \rho\sin\phi\cos\theta,\quad y = \rho\sin\phi\sin\theta,\quad z = \rho\cos\phi

dV=ρ2sinϕ  dρdϕdθdV = \rho^2 \sin\phi\; d\rho\,d\phi\,d\theta

DfdV=θ=αβϕ=ϕ1ϕ2ρ=g1g2f  ρ2sinϕ  dρdϕdθ\iiint_D f\,dV = \int_{\theta=\alpha}^{\beta} \int_{\phi=\phi_1}^{\phi_2} \int_{\rho=g_1}^{g_2} f\; \rho^2\sin\phi\; d\rho\,d\phi\,d\theta

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=ρ2x^2 + y^2 + z^2 = \rho^2

15.10 变量替换与 Jacobian – 【考点】

二重积分的变量替换

Df(x,y)dxdy=Df(x(u,v),y(u,v))  J(u,v)  dudv\iint_D f(x,y)\,dx\,dy = \iint_{D'} f(x(u,v), y(u,v))\; |J(u,v)|\; du\,dv

其中 Jacobian:

J(u,v)=(x,y)(u,v)=xuxvyuyvJ(u,v) = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} x_u & x_v \\ y_u & y_v \end{vmatrix}

三重积分的 Jacobian

J(u,v,w)=(x,y,z)(u,v,w)=xuxvxwyuyvywzuzvzwJ(u,v,w) = \frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)} = \begin{vmatrix} x_u & x_v & x_w \\ y_u & y_v & y_w \\ z_u & z_v & z_w \end{vmatrix}

常见坐标变换的 Jacobian

变换JJ
极坐标 (r,θ)(r,\theta)J=rJ = r
柱坐标 (r,θ,z)(r,\theta,z)J=rJ = r
球坐标 (ρ,ϕ,θ)(\rho,\phi,\theta)J=ρ2sinϕJ = \rho^2 \sin\phi

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)\mathbf{F}(x, y) = \langle M(x, y), N(x, y) \rangle

三维向量场: F(x,y,z)=M,N,P\mathbf{F}(x, y, z) = \langle M, N, P \rangle

梯度场与势函数

如果存在标量函数 ff 使得 F=f\mathbf{F} = \nabla f,则称 F\mathbf{F}梯度场(保守场)ff 称为势函数

保守场判别法

二维判别法: My=Nx\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x}

三维判别法 – 旋度判别 (Curl Test):

curlF=×F=ijkxyzMNP\text{curl}\,\mathbf{F} = \nabla \times \mathbf{F} = \begin{vmatrix} \mathbf{i} & \mathbf{j} & \mathbf{k} \\ \frac{\partial}{\partial x} & \frac{\partial}{\partial y} & \frac{\partial}{\partial z} \\ M & N & P \end{vmatrix}

保守场的充要条件(在单连通区域上):curlF=0\text{curl}\,\mathbf{F} = \mathbf{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=Mf_x = 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\int_C f(x,y,z)\,ds = \int_a^b f(\mathbf{r}(t))\,|\mathbf{r}'(t)|\,dt

其中 ds=r(t)dt=(dx/dt)2+(dy/dt)2+(dz/dt)2dtds = |\mathbf{r}'(t)|\,dt = \sqrt{(dx/dt)^2 + (dy/dt)^2 + (dz/dt)^2}\,dt

物理意义:

  • 线的质量:M=Cδ(x,y,z)dsM = \int_C \delta(x,y,z)\,ds
  • 曲线的弧长:C1ds=弧长\int_C 1\,ds = \text{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】

CFdr=abF(r(t))r(t)dt\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \int_a^b \mathbf{F}(\mathbf{r}(t)) \cdot \mathbf{r}'(t)\,dt

分量形式:

CMdx+Ndy+Pdz=ab[Mdxdt+Ndydt+Pdzdt]dt\int_C M\,dx + N\,dy + P\,dz = \int_a^b \left[ M\frac{dx}{dt} + N\frac{dy}{dt} + P\frac{dz}{dt} \right] dt

环量 (Circulation): 闭合回路的线积分 CFdr\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r}

方向依赖性: CFdr=CFdr\int_{-C} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = -\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r}

通量 (Flux Across a Plane Curve) – 【3年3考·必考】

在二维中,向量场穿过曲线 CC 的通量:

Flux=CFnds=CMdyNdx\text{Flux} = \int_C \mathbf{F} \cdot \mathbf{n}\,ds = \int_C M\,dy - N\,dx


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:

  1. F\mathbf{F} 是保守场(F=f\mathbf{F} = \nabla f
  2. CFdr\int_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} 路径无关
  3. 沿任意闭合路径的积分为零:CFdr=0\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = 0
  4. My=Nx\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x} (2D) 或 curlF=0\text{curl}\,\mathbf{F} = \mathbf{0} (3D)

线积分基本定理 (FTLI)

F=f\mathbf{F} = \nabla f,则:

Cfdr=f(B)f(A)\int_C \nabla f \cdot d\mathbf{r} = f(B) - f(A)

经典反例: F=yx2+y2,xx2+y2\mathbf{F} = \langle \frac{-y}{x^2+y^2}, \frac{x}{x^2+y^2} \rangle 在去掉原点的平面上满足 M/y=N/x\partial M/\partial y = \partial N/\partial x,但绕原点的闭合路径积分不为零(等于 2π2\pi)。


16.5 Green 定理 (Green’s Theorem) – 【3年2考·高频】

环量形式 (Circulation Form / Tangential Form)

CMdx+Ndy=R(NxMy)dA\oint_C M\,dx + N\,dy = \iint_R \left( \frac{\partial N}{\partial x} - \frac{\partial M}{\partial y} \right) dA

通量形式 (Flux Form / Divergence Form)

CFnds=R(Mx+Ny)dA=RdivFdA\oint_C \mathbf{F} \cdot \mathbf{n}\,ds = \iint_R \left( \frac{\partial M}{\partial x} + \frac{\partial N}{\partial y} \right) dA = \iint_R \text{div}\,\mathbf{F}\,dA

即:

CMdyNdx=R(Mx+Ny)dA\oint_C M\,dy - N\,dx = \iint_R \left( \frac{\partial M}{\partial x} + \frac{\partial N}{\partial y} \right) dA

用 Green 定理求面积

A=12C(xdyydx)A = \frac{1}{2} \oint_C (x\,dy - y\,dx)

应用条件:

  1. CC 是闭合曲线
  2. CC 是简单曲线(不自交)
  3. CC 取正向(逆时针,区域在左侧)
  4. CC 分段光滑
  5. M,NM, N 及其偏导数在包含 RR 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)z = f(x,y)r(x,y)=x,y,f(x,y)\mathbf{r}(x,y) = \langle x, y, f(x,y) \rangle
球面 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2 = a^2r(ϕ,θ)=asinϕcosθ,asinϕsinθ,acosϕ\mathbf{r}(\phi,\theta) = \langle a\sin\phi\cos\theta, a\sin\phi\sin\theta, a\cos\phi \rangle
柱面 x2+y2=a2x^2+y^2 = a^2r(θ,z)=acosθ,asinθ,z\mathbf{r}(\theta, z) = \langle a\cos\theta, a\sin\theta, z \rangle

曲面积微元

参数曲面: dS=ru×rvdudvdS = |\mathbf{r}_u \times \mathbf{r}_v|\,du\,dv

显式曲面 z=f(x,y)z = f(x,y) dS=1+fx2+fy2dxdydS = \sqrt{1 + f_x^2 + f_y^2}\,dx\,dy


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×rvdudv\iint_S f(x,y,z)\,dS = \iint_D f(\mathbf{r}(u,v))\,|\mathbf{r}_u \times \mathbf{r}_v|\,du\,dv

向量场的曲面积分 – 通量 (Flux) – 【3年3考·必考】

SFdS=SFndS=DF(r(u,v))(ru×rv)dudv\iint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iint_S \mathbf{F} \cdot \mathbf{n}\,dS = \iint_D \mathbf{F}(\mathbf{r}(u,v)) \cdot (\mathbf{r}_u \times \mathbf{r}_v)\,du\,dv

显式曲面 z=g(x,y)z = g(x,y) 取向上法向量:

SFdS=D[MgxNgy+P]dxdy\iint_S \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iint_D \left[ -M\frac{\partial g}{\partial x} - N\frac{\partial g}{\partial y} + P \right] dx\,dy

物理意义:

  • F\mathbf{F} 是流速场,通量 = 流体穿过曲面的净体积流率
  • F\mathbf{F} 是电场,通量与高斯定律有关

16.8 Stokes 定理 (Stokes’ Theorem)

CFdr=S(curlF)ndS=S(×F)dS\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\text{curl}\,\mathbf{F}) \cdot \mathbf{n}\,dS = \iint_S (\nabla \times \mathbf{F}) \cdot d\mathbf{S}

正向规则(右手法则): 沿 CC 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:SSxyxy-平面上的区域,n=k\mathbf{n} = \mathbf{k}

Stokes 定理推论:

  • F\mathbf{F} 保守(curlF=0\text{curl}\,\mathbf{F} = \mathbf{0}),则 CFdr=0\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = 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)

SFndS=DdivFdV=DFdV\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathbf{n}\,dS = \iiint_D \text{div}\,\mathbf{F}\,dV = \iiint_D \nabla \cdot \mathbf{F}\,dV

散度: divF=F=Mx+Ny+Pz\text{div}\,\mathbf{F} = \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial M}{\partial x} + \frac{\partial N}{\partial y} + \frac{\partial P}{\partial z}

  • divF>0\text{div}\,\mathbf{F} > 0:该点为"源"(source)
  • divF<0\text{div}\,\mathbf{F} < 0:该点为"汇"(sink)
  • divF=0\text{div}\,\mathbf{F} = 0:无源场(solenoidal / divergence-free)

应用前提:

  1. 曲面 SS 必须是闭合
  2. F\mathbf{F} 的分量及偏导数在区域内连续
  3. 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
FTC1Dabf(x)dx=f(b)f(a)\int_a^b f'(x)\,dx = f(b) - f(a)
FTLI1D \to 2D/3DCfdr=f(B)f(A)\int_C \nabla f \cdot d\mathbf{r} = f(B) - f(A)
Green2DCFdr=R(NxMy)dA\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \iint_R (N_x - M_y) dA
Stokes2D/3DCFdr=S(×F)ndS\oint_C \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla \times \mathbf{F}) \cdot \mathbf{n}\,dS
Gauss3DSFndS=DFdV\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathbf{n}\,dS = \iiint_D \nabla \cdot \mathbf{F}\,dV

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:

  1. 梯度 (Gradient): 标量 \to 向量,f=fx,fy,fz\nabla f = \langle f_x, f_y, f_z \rangle
  2. 旋度 (Curl): 向量 \to 向量,×F\nabla \times \mathbf{F}
  3. 散度 (Divergence): 向量 \to 标量,F\nabla \cdot \mathbf{F}

两个重要恒等式:

  • ×(f)=0\nabla \times (\nabla f) = \mathbf{0}(梯度场无旋)
  • (×F)=0\nabla \cdot (\nabla \times \mathbf{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】

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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\to保守\to路径无关\to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 \to 想 Green/Stokes;闭合曲面 \to 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
limnlnnn=0\lim_{n\to\infty} \frac{\ln n}{n} = 0序列极限
limnnn=1\lim_{n\to\infty} \sqrt[n]{n} = 1序列极限
limnxnn!=0\lim_{n\to\infty} \frac{x^n}{n!} = 0任意 xx序列极限
n=0arn=a1r\sum_{n=0}^{\infty} ar^n = \frac{a}{1-r}r<1|r| < 1aa: 首项, rr: 公比几何级数求和
n=11np\sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{n^p}p>1p>1 收敛, p1p\leq 1 发散pp: 幂指数p-级数敛散
an\sum a_n 同敛散于 1f(x)dx\int_1^{\infty} f(x)dxf(x)f(x) 正/连续/递减, f(n)=anf(n)=a_n积分判别法
limnanbn=c\lim_{n\to\infty} \frac{a_n}{b_n} = c (0<c<0<c<\infty)an,bn>0a_n,b_n > 0cc: 极限值极限比较判别法
ρ=liman+1an\rho = \lim \left|\frac{a_{n+1}}{a_n}\right|任意项级数ρ\rho: 比值极限比值判别法
ρ=limann\rho = \lim \sqrt[n]{|a_n|}任意项级数ρ\rho: 根值极限根值判别法
(1)n1bn\sum (-1)^{n-1}b_n 收敛bn>0b_n>0, bnb_n\searrow, bn0b_n\to 0bnb_n: 正项绝对值交错级数判别法
Rnbn+1|R_n| \leq b_{n+1}交错级数判别法条件满足RnR_n: 余项交错级数误差估计
cn(xa)n\sum c_n (x-a)^ncnc_n 为系数, aa 为中心幂级数表达式
R=limcncn+1R = \lim \left|\frac{c_n}{c_{n+1}}\right|极限存在RR: 收敛半径求幂级数收敛半径
ex=n=0xnn!e^x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^n}{n!}xR\forall x \in \mathbb{R}函数展开/求极限
sinx=n=0(1)nx2n+1(2n+1)!\sin x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{(2n+1)!}xR\forall x \in \mathbb{R}函数展开/求极限
cosx=n=0(1)nx2n(2n)!\cos x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n}}{(2n)!}xR\forall x \in \mathbb{R}函数展开/求极限
ln(1+x)=n=1(1)n1xnn\ln(1+x) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{(-1)^{n-1} x^n}{n}1<x1-1 < x \leq 1函数展开
tan1x=n=0(1)nx2n+12n+1\tan^{-1} x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{(-1)^n x^{2n+1}}{2n+1}x1|x| \leq 1函数展开
11x=n=0xn\frac{1}{1-x} = \sum_{n=0}^{\infty} x^nx<1|x| < 1几何级数
(1+x)k=n=0(kn)xn(1+x)^k = \sum_{n=0}^{\infty} \binom{k}{n} x^nx<1|x|<1(若kNk\notin\mathbb{N}(kn)\binom{k}{n}: 广义二项式系数二项式级数
Rn(x)=f(n+1)(c)(n+1)!(xa)n+1R_n(x) = \frac{f^{(n+1)}(c)}{(n+1)!}(x-a)^{n+1}ff[a,x][a,x]n+1n+1 阶可导cc: aaxx 之间的数Taylor余项估计
Rn(x)M(n+1)!xan+1|R_n(x)| \leq \frac{M}{(n+1)!}|x-a|^{n+1}f(n+1)(t)M|f^{(n+1)}(t)| \leq MMM: 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
dydx=dy/dtdx/dt\frac{dy}{dx} = \frac{dy/dt}{dx/dt}dx/dt0dx/dt \neq 0tt: 参数参数曲线切线斜率
d2ydx2=d(dy/dx)/dtdx/dt\frac{d^2y}{dx^2} = \frac{d(dy/dx)/dt}{dx/dt}dx/dt0dx/dt \neq 0参数曲线凹凸性
L=αβ(dx/dt)2+(dy/dt)2dtL = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{(dx/dt)^2 + (dy/dt)^2}\,dt光滑曲线, 不自交α,β\alpha,\beta: 参数区间参数曲线弧长
S=2πy(dx/dt)2+(dy/dt)2dtS = \int 2\pi y\,\sqrt{(dx/dt)^2+(dy/dt)^2}\,dty0y \geq 0绕x轴旋转面面积
x=rcosθ,  y=rsinθx = r\cos\theta,\; y = r\sin\thetar,θr,\theta: 极坐标极坐标转直角坐标
r2=x2+y2,  tanθ=y/xr^2 = x^2 + y^2,\; \tan\theta = y/xx0x \neq 0直角坐标转极坐标
A=12αβr2dθA = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta} r^2\,d\theta曲线不自交α,β\alpha,\beta: 角度区间极坐标面积
A=12αβ(r2r2)dθA = \frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta}(r_{\text{外}}^2-r_{\text{内}}^2)d\thetarrr_{\text{外}} \geq r_{\text{内}}两曲线之间的面积
L=αβr2+(dr/dθ)2dθL = \int_{\alpha}^{\beta} \sqrt{r^2 + (dr/d\theta)^2}\,d\theta光滑曲线极坐标弧长
dydx=rsinθ+rcosθrcosθrsinθ\frac{dy}{dx} = \frac{r'\sin\theta + r\cos\theta}{r'\cos\theta - r\sin\theta}分母 0\neq 0r=dr/dθr' = dr/d\theta极坐标切线斜率
r=ed1±ecosθr = \frac{ed}{1\pm e\cos\theta}焦点在极点ee: 离心率, dd: 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=(x2x1)2+(y2y1)2+(z2z1)2|\overrightarrow{PQ}| = \sqrt{(x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2+(z_2-z_1)^2}P1,P2P_1,P_2: 两点空间距离
uv=uvcosθ\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = |\mathbf{u}||\mathbf{v}|\cos\thetaθ\theta: 两向量夹角求夹角
uv=0    uv\mathbf{u}\cdot\mathbf{v} = 0 \iff \mathbf{u}\perp\mathbf{v}非零向量正交判断
projvu=uvv2v\operatorname{proj}_{\mathbf{v}}\mathbf{u} = \frac{\mathbf{u}\cdot\mathbf{v}}{|\mathbf{v}|^2}\mathbf{v}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}向量投影
u×v=ijku1u2u3v1v2v3\mathbf{u}\times\mathbf{v} = \begin{vmatrix}\mathbf{i}&\mathbf{j}&\mathbf{k}\\u_1&u_2&u_3\\v_1&v_2&v_3\end{vmatrix}三维向量叉积计算
u×v=uvsinθ|\mathbf{u}\times\mathbf{v}| = |\mathbf{u}||\mathbf{v}|\sin\theta平行四边形面积
Area=12u×v\text{Area}_{\triangle} = \frac{1}{2}|\mathbf{u}\times\mathbf{v}|三角形面积
(u×v)w=u1u2u3v1v2v3w1w2w3(\mathbf{u}\times\mathbf{v})\cdot\mathbf{w} = \begin{vmatrix}u_1&u_2&u_3\\v_1&v_2&v_3\\w_1&w_2&w_3\end{vmatrix}三维向量平行六面体体积
r(t)=r0+tv\mathbf{r}(t) = \mathbf{r}_0 + t\mathbf{v}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}tt: 参数空间直线方程
xx0a=yy0b=zz0c\frac{x-x_0}{a} = \frac{y-y_0}{b} = \frac{z-z_0}{c}a,b,c0a,b,c \neq 0直线对称方程
A(xx0)+B(yy0)+C(zz0)=0A(x-x_0)+B(y-y_0)+C(z-z_0)=0n=A,B,C\mathbf{n} = \langle A,B,C\rangle平面方程
d=Ax1+By1+Cz1DA2+B2+C2d = \frac{|Ax_1+By_1+Cz_1-D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}平面: Ax+By+Cz=DAx+By+Cz=Ddd: 距离点到平面距离
d=PS×vvd = \frac{|\overrightarrow{PS}\times\mathbf{v}|}{|\mathbf{v}|}v\mathbf{v}: 方向向量dd: 距离点到直线距离
θ=cos1(n1n2n1n2)\theta = \cos^{-1}\left(\frac{|\mathbf{n}_1\cdot\mathbf{n}_2|}{|\mathbf{n}_1||\mathbf{n}_2|}\right)n1,n2\mathbf{n}_1,\mathbf{n}_2: 两平面法向量θ\theta: 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)\mathbf{r}'(t) = \langle f'(t), g'(t), h'(t) \ranglef,g,hf,g,h 可微向量函数求导
T(t)=r(t)r(t)\mathbf{T}(t) = \frac{\mathbf{r}'(t)}{|\mathbf{r}'(t)|}r(t)0\mathbf{r}'(t) \neq \mathbf{0}单位切线向量
L=abr(t)dtL = \int_a^b |\mathbf{r}'(t)|\,dt光滑曲线空间曲线弧长
κ=v×av3\kappa = \frac{|\mathbf{v}\times\mathbf{a}|}{|\mathbf{v}|^3}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}κ\kappa: 曲率, v\mathbf{v}: 速度, a\mathbf{a}: 加速度空间曲线曲率
κ=y(1+(y)2)3/2\kappa = \frac{|y''|}{(1+(y')^2)^{3/2}}y=f(x)y=f(x) 二阶可导平面曲线曲率
ρ=1/κ\rho = 1/\kappaκ0\kappa \neq 0ρ\rho: 曲率半径密切圆半径
N=TT\mathbf{N} = \frac{\mathbf{T}'}{|\mathbf{T}'|}T0\mathbf{T}' \neq \mathbf{0}主单位法向量
B=T×N=v×av×a\mathbf{B} = \mathbf{T}\times\mathbf{N} = \frac{\mathbf{v}\times\mathbf{a}}{|\mathbf{v}\times\mathbf{a}|}v×a0\mathbf{v}\times\mathbf{a} \neq \mathbf{0}副法向量
τ=(r×r)rr×r2\tau = \frac{(\mathbf{r}'\times\mathbf{r}'')\cdot\mathbf{r}'''}{|\mathbf{r}'\times\mathbf{r}''|^2}分母 0\neq 0τ\tau: 挠率空间曲线挠率
a=aTT+aNN\mathbf{a} = a_T\mathbf{T} + a_N\mathbf{N}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}aTa_T: 切向分量, aNa_N: 法向分量加速度分解
aT=vava_T = \frac{\mathbf{v}\cdot\mathbf{a}}{|\mathbf{v}|}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}切向加速度
aN=v×ava_N = \frac{|\mathbf{v}\times\mathbf{a}|}{|\mathbf{v}|}v0\mathbf{v} \neq \mathbf{0}法向加速度
R=v02sin(2α)gR = \frac{v_0^2\sin(2\alpha)}{g}理想抛体运动v0v_0: 初速率, α\alpha: 发射角, gg: 重力加速度抛体射程
ymax=(v0sinα)22gy_{\max} = \frac{(v_0\sin\alpha)^2}{2g}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=limh0f(x+h,y)f(x,y)hf_x = \lim_{h\to 0}\frac{f(x+h,y)-f(x,y)}{h}极限存在偏导数定义
dzdt=fxdxdt+fydydt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial f}{\partial x}\frac{dx}{dt} + \frac{\partial f}{\partial y}\frac{dy}{dt}ff 可微, x,yx,y 可微链式法则(情况1)
zx=fuux+fvvx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial f}{\partial u}\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial f}{\partial v}\frac{\partial v}{\partial x}ff 可微, u,vu,v 可微链式法则(情况2)
dydx=FxFy\frac{dy}{dx} = -\frac{F_x}{F_y}Fy0F_y \neq 0, F(x,y)=0F(x,y)=0隐函数求导
zx=FxFz\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{F_x}{F_z}Fz0F_z \neq 0, F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0隐函数求偏导
f=fx,fy\nabla f = \langle f_x, f_y \rangleff 可微梯度
Duf=fuD_{\mathbf{u}}f = \nabla f \cdot \mathbf{u}u\mathbf{u} 为单位向量方向导数
maxDuf=f\max D_{\mathbf{u}}f = |\nabla f|u=f/f\mathbf{u} = \nabla f/|\nabla f|最大增长率
zz0=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)z-z_0 = f_x(x_0,y_0)(x-x_0) + f_y(x_0,y_0)(y-y_0)ff(x0,y0)(x_0,y_0) 可微切平面方程
L(x,y)=f(x0,y0)+fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)L(x,y) = f(x_0,y_0) + f_x(x_0,y_0)(x-x_0) + f_y(x_0,y_0)(y-y_0)ff(x0,y0)(x_0,y_0) 可微线性化/线性近似
dz=fxdx+fydydz = f_x dx + f_y dyff 可微全微分
D=fxxfyy(fxy)2D = f_{xx}f_{yy} - (f_{xy})^2ff 二阶可微DD: Hessian行列式二阶导数检验(无条件极值)
f=λg\nabla f = \lambda \nabla gf,gf,g 可微, g0\nabla g \neq \mathbf{0}λ\lambda: Lagrange乘数Lagrange乘数法(条件极值)
f=λg+μh\nabla f = \lambda \nabla g + \mu \nabla hf,g,hf,g,h 可微λ,μ\lambda,\mu: 乘数双约束条件极值
fxy=fyxf_{xy} = f_{yx}fxy,fyxf_{xy}, f_{yx} 连续Clairaut定理
(xy)z(yz)x(zx)y=1\left(\frac{\partial x}{\partial y}\right)_z\left(\frac{\partial y}{\partial z}\right)_x\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)_y = -1F(x,y,z)=0F(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=abcdf(x,y)dydx\iint_R f\,dA = \int_a^b\int_c^d f(x,y)\,dy\,dxff 在矩形 RR 上连续R=[a,b]×[c,d]R=[a,b]\times[c,d]矩形区域二重积分
DfdA=abg1(x)g2(x)f(x,y)dydx\iint_D f\,dA = \int_a^b\int_{g_1(x)}^{g_2(x)}f(x,y)\,dy\,dxType I 区域g1,g2g_1,g_2: 上下边界函数Type I 二重积分
DfdA=cdh1(y)h2(y)f(x,y)dxdy\iint_D f\,dA = \int_c^d\int_{h_1(y)}^{h_2(y)}f(x,y)\,dx\,dyType II 区域h1,h2h_1,h_2: 左右边界函数Type II 二重积分
A=DdAA = \iint_D dA求面积
V=DdVV = \iiint_D dV求体积
DfdA=f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ\iint_D f\,dA = \iint f(r\cos\theta,r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta极坐标变换rr: 径向距离, θ\theta: 角度极坐标二重积分
m=DδdAm = \iint_D \delta\,dAδ\delta: 面密度函数mm: 总质量质量计算
xˉ=1mDxδdA\bar{x} = \frac{1}{m}\iint_D x\delta\,dAm0m \neq 0xˉ,yˉ\bar{x},\bar{y}: 质心坐标质心计算
Ix=Dy2δdAI_x = \iint_D y^2\delta\,dAIxI_x: 绕x轴转动惯量转动惯量
A=D1+fx2+fy2dAA = \iint_D \sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,dAff 可微曲面面积
DfdV=f(rcosθ,rsinθ,z)rdzdrdθ\iiint_D f\,dV = \iiint f(r\cos\theta,r\sin\theta,z)\,r\,dz\,dr\,d\theta柱坐标变换r,θ,zr,\theta,z: 柱坐标柱坐标三重积分
DfdV=f(ρsinϕcosθ,)ρ2sinϕdρdϕdθ\iiint_D f\,dV = \iiint f(\rho\sin\phi\cos\theta,\ldots)\,\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta球坐标变换ρ,ϕ,θ\rho,\phi,\theta: 球坐标球坐标三重积分
Dfdxdy=DfJdudv\iint_D f\,dx\,dy = \iint_{D'} f\cdot |J|\,du\,dv变量替换J=(x,y)(u,v)J = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}二重积分变量替换
J(u,v)=xuxvyuyvJ(u,v) = \begin{vmatrix}x_u & x_v \\ y_u & y_v\end{vmatrix}Jacobian 行列式
J=rJ_{\text{极}} = r极坐标极坐标 Jacobian
J=ρ2sinϕJ_{\text{球}} = \rho^2\sin\phi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
My=Nx\frac{\partial M}{\partial y} = \frac{\partial N}{\partial x}单连通区域F=M,N\mathbf{F}=\langle M,N\rangle二维保守场判别
×F=0\nabla\times\mathbf{F} = \mathbf{0}单连通区域F=M,N,P\mathbf{F}=\langle M,N,P\rangle三维保守场判别
F=Mx+Ny+Pz\nabla\cdot\mathbf{F} = M_x+N_y+P_z散度计算
Cfds=abf(r(t))r(t)dt\int_C f\,ds = \int_a^b f(\mathbf{r}(t))|\mathbf{r}'(t)|dt曲线光滑dsds: 弧长微元标量线积分
CFdr=abF(r(t))r(t)dt\int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \int_a^b \mathbf{F}(\mathbf{r}(t))\cdot\mathbf{r}'(t)dt曲线光滑向量线积分(做功)
Cfdr=f(B)f(A)\int_C \nabla f \cdot d\mathbf{r} = f(B)-f(A)F=f\mathbf{F}=\nabla fA,BA,B: 起点,终点线积分基本定理(FTLI)
CMdx+Ndy=R(NxMy)dA\oint_C Mdx+Ndy = \iint_R (N_x-M_y)dACC 正向闭合简单曲线Green 定理(环量形式)
Flux=CMdyNdx=R(Mx+Ny)dA\text{Flux} = \oint_C Mdy-Ndx = \iint_R (M_x+N_y)dACC 正向闭合简单曲线Green 定理(通量形式)
Flux=CFnds=CMdyNdx\text{Flux} = \int_C \mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,ds = \int_C Mdy-Ndx二维n\mathbf{n}: 向外单位法向量二维通量
A=12C(xdyydx)A = \frac{1}{2}\oint_C (x\,dy - y\,dx)CC 正向闭合Green 面积公式
dS=ru×rvdudvdS = |\mathbf{r}_u\times\mathbf{r}_v|\,du\,dv曲面光滑曲面积微元(参数)
dS=1+fx2+fy2dxdydS = \sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,dx\,dyz=f(x,y)z=f(x,y) 可微曲面积微元(显式)
SFdS=DF(ru×rv)dudv\iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iint_D \mathbf{F}\cdot(\mathbf{r}_u\times\mathbf{r}_v)du\,dv曲面光滑dS=ndSd\mathbf{S}=\mathbf{n}\,dS: 有向面元曲面积分(通量)
CFdr=S(×F)ndS\oint_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \iint_S (\nabla\times\mathbf{F})\cdot\mathbf{n}\,dSCCSS 边界, 正定向Stokes 定理
SFndS=DFdV\iint_S \mathbf{F}\cdot\mathbf{n}\,dS = \iiint_D \nabla\cdot\mathbf{F}\,dVSS 闭合, n\mathbf{n} 向外散度定理(Gauss)
×(f)=0\nabla\times(\nabla f) = \mathbf{0}梯度无旋恒等式
(×F)=0\nabla\cdot(\nabla\times\mathbf{F}) = 0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, 2024Ch15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, 2024Ch14f=λg\nabla f = \lambda \nabla 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, 2024Ch14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, 2024Ch16Green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, 2024Ch14zz0=fx(x0,y0)(xx0)+fy(x0,y0)(yy0)z-z_0 = f_x(x_0,y_0)(x-x_0)+f_y(x_0,y_0)(y-y_0)
6无条件极值(Hessian判别)3年2考·高频8-10分2023, 2024Ch14fx,fy=0f_x,f_y=0 → 计算D=fxxfyy(fxy)2D=f_{xx}f_{yy}-(f_{xy})^2
7曲线积分与做功3年2考·高频6-10分2022, 2023Ch16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, 2024Ch15柱:dV=rdzdrdθdV=r\,dz\,dr\,d\theta; 球:dV=ρ2sinϕdρdϕdθdV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta
9Green定理3年2考·高频6-8分2022, 2023Ch16Mdx+Ndy=(NxMy)dA\oint Mdx+Ndy = \iint(N_x-M_y)dA
10极坐标二重积分3年2考·高频6-8分2023, 2024Ch15dA=rdrdθdA=r\,dr\,d\theta, 确定rrθ\theta的范围
11Stokes定理2年1考6-8分2023Ch16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2022Ch16FdS=FdV\iint\mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \iiint\nabla\cdot\mathbf{F}\,dV
13方向导数与梯度2年1考4-6分2024Ch14Duf=fuD_{\mathbf{u}}f = \nabla f \cdot \mathbf{u}
14二重积分的应用(质心/质量)2年1考4-6分2022Ch15xˉ=My/m\bar{x} = M_y/m, 利用对称性简化
15换元法与Jacobian2年1考4-6分2023Ch15J=xuxvyuyvJ = \begin{vmatrix}x_u & x_v \\ y_u & y_v\end{vmatrix}, 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Ch11A=12r2dθA=\frac{1}{2}\int r^2d\theta, L=r2+(dr/dθ)2dθL=\int\sqrt{r^2+(dr/d\theta)^2}d\theta
4空间平面方程/夹角期中核心20分Ch12n(rr0)=0\mathbf{n}\cdot(\mathbf{r}-\mathbf{r}_0)=0, 法向量叉积求n\mathbf{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PDFE:\Calculus II\ 目录下
课堂PPTE:\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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 常见错误提醒:极坐标/柱坐标积分不要忘记 rr 因子!球坐标不要忘记 ρ2sinϕ\rho^2\sin\phi 因子!交换积分次序前一定要画图!Lagrange乘数法不要漏掉 λ\lambda

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


Calculus II 复习总览
https://brightnewmoon.top/2026/06/06/Calculus-II-Review/
作者
BrightNewMoon
发布于
2026年6月6日
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