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第六章 多元函数微积分

考试大纲

  1. 理解多元函数的概念,理解二元函数的几何意义
  2. 了解二元函数的极限与连续的概念
  3. 理解多元函数偏导数和全微分的概念
  4. 掌握复合函数一阶、二阶偏导数的求法
  5. 了解隐函数存在定理,会求多元隐函数的偏导数
  6. 理解多元函数极值和条件极值的概念
  7. 掌握多元函数极值存在的必要条件
  8. 了解二元函数极值存在的充分条件
  9. 会求二元函数的极值,会用拉格朗日乘数法求条件极值
  10. 理解二重积分的概念,了解二重积分的性质
  11. 掌握二重积分的计算方法(直角坐标、极坐标)

核心知识点

1. 多元函数的基本概念

二元函数:DD 是平面上的一个点集,如果对于每个点 P(x,y)DP(x, y) \in D,变量 zz 按照一定法则总有确定的值和它对应,则称 zz 是变量 xxyy二元函数,记为:

z=f(x,y),(x,y)Dz = f(x, y), \quad (x, y) \in D

点集 DD 称为该函数的定义域xxyy 称为自变量zz 称为因变量

二元函数的几何意义: 二元函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 的图形是一张曲面。


2. 二元函数的极限与连续

二重极限: 设函数 f(x,y)f(x, y) 在开区间(或闭区域)DD 内有定义,P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0)DD 的内点或边界点。如果对于任意给定的正数 ε\varepsilon,总存在正数 δ\delta,使得对于适合不等式:

0<PP0=(xx0)2+(yy0)2<δ0 < |PP_0| = \sqrt{(x - x_0)^2 + (y - y_0)^2} < \delta

的一切点 P(x,y)DP(x, y) \in D,都有 f(x,y)A<ε|f(x, y) - A| < \varepsilon 成立,则称常数 AA 为函数 f(x,y)f(x, y)(x,y)(x0,y0)(x, y) \to (x_0, y_0) 时的极限,记作:

lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=Af(x,y)A (ρ0)\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} f(x, y) = A \quad \text{或} \quad f(x, y) \to A \ (\rho \to 0)

其中 ρ=PP0\rho = |PP_0|

注意: 二重极限存在,是指 P(x,y)P(x, y)任何方式趋于 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 时,函数都无限接近于 AA。如果 P(x,y)P(x, y) 以不同方式趋于 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 时,函数趋于不同的值,则可断定这函数的极限不存在。

连续: 如果 lim(x,y)(x0,y0)f(x,y)=f(x0,y0)\lim_{(x, y) \to (x_0, y_0)} f(x, y) = f(x_0, y_0),则称函数 f(x,y)f(x, y) 在点 P0(x0,y0)P_0(x_0, y_0) 连续


3. 偏导数

偏导数定义: 设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 的某一邻域内有定义,当 yy 固定在 y0y_0xxx0x_0 处有增量 Δx\Delta x 时,相应地函数有增量 f(x0+Δx,y0)f(x0,y0)f(x_0 + \Delta x, y_0) - f(x_0, y_0)。如果极限:

limΔx0f(x0+Δx,y0)f(x0,y0)Δx\lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0 + \Delta x, y_0) - f(x_0, y_0)}{\Delta x}

存在,则称此极限为函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处对 xx偏导数,记作:

zxx=x0,y=y0,fxx=x0,y=y0,zxx=x0,y=y0,fx(x0,y0)\left. \frac{\partial z}{\partial x} \right|_{x=x_0, y=y_0}, \quad \left. \frac{\partial f}{\partial x} \right|_{x=x_0, y=y_0}, \quad \left. z_x \right|_{x=x_0, y=y_0}, \quad f_x(x_0, y_0)

类似地,可定义对 yy 的偏导数 fy(x0,y0)f_y(x_0, y_0)

几何意义: 偏导数 fx(x0,y0)f_x(x_0, y_0) 就是曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 被平面 y=y0y = y_0 所截得的曲线在点 M0M_0 处的切线 M0TxM_0 T_xxx 轴的斜率。

高阶偏导数: 二阶偏导数有四个:

x(zx)=2zx2=fxx(x,y),y(zx)=2zxy=fxy(x,y)\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = f_{xx}(x, y), \quad \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = f_{xy}(x, y)

x(zy)=2zyx=fyx(x,y),y(zy)=2zy2=fyy(x,y)\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} = f_{yx}(x, y), \quad \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right) = \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = f_{yy}(x, y)

定理: 如果函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 的两个二阶混合偏导数 2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}2zyx\frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x} 在区域 DD 内连续,则在该区域内这两个二阶混合偏导数必相等,即:

2zxy=2zyx\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial^2 z}{\partial y \partial x}


4. 全微分

全微分定义: 如果函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y) 的全增量:

Δz=f(x+Δx,y+Δy)f(x,y)\Delta z = f(x + \Delta x, y + \Delta y) - f(x, y)

可表示为:

Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)\Delta z = A \Delta x + B \Delta y + o(\rho)

其中 AABB 不依赖于 Δx\Delta xΔy\Delta y 而仅与 xxyy 有关,ρ=(Δx)2+(Δy)2\rho = \sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2},则称函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y) 可微分,而 AΔx+BΔyA \Delta x + B \Delta y 称为函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y)全微分,记作 dzdz,即:

dz=AΔx+BΔydz = A \Delta x + B \Delta y

必要条件: 如果函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y) 可微分,则该函数在点 (x,y)(x, y) 的偏导数 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} 必定存在,且函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y) 的全微分为:

dz=zxdx+zydydz = \frac{\partial z}{\partial x} dx + \frac{\partial z}{\partial y} dy

充分条件: 如果函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 的偏导数 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y} 在点 (x,y)(x, y) 连续,则函数在该点可微分。


5. 多元复合函数求导法则

链式法则: 如果函数 u=φ(t)u = \varphi(t)v=ψ(t)v = \psi(t) 都在点 tt 可导,函数 z=f(u,v)z = f(u, v) 在对应点 (u,v)(u, v) 具有连续偏导数,则复合函数 z=f[φ(t),ψ(t)]z = f[\varphi(t), \psi(t)] 在点 tt 可导,且有:

dzdt=zududt+zvdvdt\frac{dz}{dt} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{du}{dt} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{dv}{dt}

中间变量为多元函数: 如果函数 u=φ(x,y)u = \varphi(x, y)v=ψ(x,y)v = \psi(x, y) 都在点 (x,y)(x, y) 具有对 xx 及对 yy 的偏导数,函数 z=f(u,v)z = f(u, v) 在对应点 (u,v)(u, v) 具有连续偏导数,则复合函数 z=f[φ(x,y),ψ(x,y)]z = f[\varphi(x, y), \psi(x, y)] 在点 (x,y)(x, y) 的两个偏导数都存在,且有:

zx=zuux+zvvx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial x}

zy=zuuy+zvvy\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial y}


6. 隐函数求导公式

隐函数存在定理 1: 设函数 F(x,y)F(x, y) 在点 P(x0,y0)P(x_0, y_0) 的某一邻域内具有连续偏导数,且 F(x0,y0)=0F(x_0, y_0) = 0Fy(x0,y0)0F_y(x_0, y_0) \neq 0,则方程 F(x,y)=0F(x, y) = 0 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续导数的函数 y=f(x)y = f(x),它满足条件 y0=f(x0)y_0 = f(x_0),并有:

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

隐函数存在定理 2: 设函数 F(x,y,z)F(x, y, z) 在点 P(x0,y0,z0)P(x_0, y_0, z_0) 的某一邻域内具有连续偏导数,且 F(x0,y0,z0)=0F(x_0, y_0, z_0) = 0Fz(x0,y0,z0)0F_z(x_0, y_0, z_0) \neq 0,则方程 F(x,y,z)=0F(x, y, z) = 0 在点 (x0,y0,z0)(x_0, y_0, z_0) 的某一邻域内恒能唯一确定一个连续且具有连续偏导数的函数 z=f(x,y)z = f(x, y),它满足条件 z0=f(x0,y0)z_0 = f(x_0, y_0),并有:

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}


7. 多元函数的极值

极值定义: 设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 的定义域为 DDP0(x0,y0)P_0(x_0, y_0)DD 的内点。若存在 P0P_0 的某个邻域 U(P0)DU(P_0) \subset D,使得对于该邻域内异于 P0P_0 的任何点 (x,y)(x, y),都有:

f(x,y)<f(x0,y0)f(x, y) < f(x_0, y_0)

则称函数 f(x,y)f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0)极大值 f(x0,y0)f(x_0, y_0),点 (x0,y0)(x_0, y_0) 称为函数 f(x,y)f(x, y)极大值点;若都有 f(x,y)>f(x0,y0)f(x, y) > f(x_0, y_0),则称函数 f(x,y)f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0)极小值,点 (x0,y0)(x_0, y_0) 称为函数 f(x,y)f(x, y)极小值点

必要条件: 设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 具有偏导数,且在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处有极值,则有:

fx(x0,y0)=0,fy(x0,y0)=0f_x(x_0, y_0) = 0, \quad f_y(x_0, y_0) = 0

充分条件: 设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 的某邻域内连续且有一阶及二阶连续偏导数,又 fx(x0,y0)=0f_x(x_0, y_0) = 0fy(x0,y0)=0f_y(x_0, y_0) = 0,令:

fxx(x0,y0)=A,fxy(x0,y0)=B,fyy(x0,y0)=Cf_{xx}(x_0, y_0) = A, \quad f_{xy}(x_0, y_0) = B, \quad f_{yy}(x_0, y_0) = C

f(x,y)f(x, y)(x0,y0)(x_0, y_0) 处是否取得极值的条件如下:

  1. ACB2>0AC - B^2 > 0 时具有极值,且当 A<0A < 0 时有极大值,当 A>0A > 0 时有极小值
  2. ACB2<0AC - B^2 < 0 时没有极值
  3. ACB2=0AC - B^2 = 0 时可能有极值,也可能没有极值,还需另作讨论

条件极值(拉格朗日乘数法): 要找函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在附加条件 φ(x,y)=0\varphi(x, y) = 0 下的可能极值点,可以先作拉格朗日函数:

L(x,y)=f(x,y)+λφ(x,y)L(x, y) = f(x, y) + \lambda \varphi(x, y)

其中 λ\lambda 为参数。求其对 xxyy 的一阶偏导数,并使之为零,然后与方程 φ(x,y)=0\varphi(x, y) = 0 联立起来:

{fx(x,y)+λφx(x,y)=0fy(x,y)+λφy(x,y)=0φ(x,y)=0\begin{cases} f_x(x, y) + \lambda \varphi_x(x, y) = 0 \\ f_y(x, y) + \lambda \varphi_y(x, y) = 0 \\ \varphi(x, y) = 0 \end{cases}

由这方程组解出 xxyyλ\lambda,这样得到的 (x,y)(x, y) 就是函数 f(x,y)f(x, y) 在附加条件 φ(x,y)=0\varphi(x, y) = 0 下的可能极值点。


8. 二重积分

二重积分定义:f(x,y)f(x, y) 是有界闭区域 DD 上的有界函数。将闭区域 DD 任意分成 nn 个小闭区域 Δσ1,Δσ2,,Δσn\Delta \sigma_1, \Delta \sigma_2, \cdots, \Delta \sigma_n,其中 Δσi\Delta \sigma_i 表示第 ii 个小闭区域,也表示它的面积。在每个 Δσi\Delta \sigma_i 上任取一点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i),作乘积 f(ξi,ηi)Δσif(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_ii=1,2,,ni = 1, 2, \cdots, n),并作和 i=1nf(ξi,ηi)Δσi\sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_i。如果当各小闭区域的直径中的最大值 λ0\lambda \to 0 时,这和的极限总存在,且与闭区域 DD 的分法及点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i) 的取法无关,则称此极限为函数 f(x,y)f(x, y) 在闭区域 DD 上的二重积分,记作 Df(x,y)dσ\iint_D f(x, y) \, d\sigma,即:

Df(x,y)dσ=limλ0i=1nf(ξi,ηi)Δσi\iint_D f(x, y) \, d\sigma = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_i

几何意义:f(x,y)0f(x, y) \geq 0 时,二重积分 Df(x,y)dσ\iint_D f(x, y) \, d\sigma 表示以 DD 为底,以曲面 z=f(x,y)z = f(x, y) 为顶的曲顶柱体的体积。

性质:

  1. 线性性质:

    D[αf(x,y)+βg(x,y)]dσ=αDf(x,y)dσ+βDg(x,y)dσ\iint_D [\alpha f(x, y) + \beta g(x, y)] \, d\sigma = \alpha \iint_D f(x, y) \, d\sigma + \beta \iint_D g(x, y) \, d\sigma

  2. 区域可加性: 如果闭区域 DD 被有限条曲线分为有限个部分闭区域,则在 DD 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和。

  3. 保号性: 如果在 DD 上,f(x,y)g(x,y)f(x, y) \leq g(x, y),则有:

    Df(x,y)dσDg(x,y)dσ\iint_D f(x, y) \, d\sigma \leq \iint_D g(x, y) \, d\sigma

  4. 估值定理:MMmm 分别是 f(x,y)f(x, y) 在闭区域 DD 上的最大值和最小值,σ\sigmaDD 的面积,则有:

    mσDf(x,y)dσMσm\sigma \leq \iint_D f(x, y) \, d\sigma \leq M\sigma

  5. 中值定理: 设函数 f(x,y)f(x, y) 在闭区域 DD 上连续,σ\sigmaDD 的面积,则在 DD 上至少存在一点 (ξ,η)(\xi, \eta),使得:

    Df(x,y)dσ=f(ξ,η)σ\iint_D f(x, y) \, d\sigma = f(\xi, \eta) \cdot \sigma


9. 二重积分的计算

(1)直角坐标系

X 型区域: D={(x,y)φ1(x)yφ2(x),axb}D = \{(x, y) | \varphi_1(x) \leq y \leq \varphi_2(x), a \leq x \leq b\}

Df(x,y)dσ=ab[φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy]dx=abdxφ1(x)φ2(x)f(x,y)dy\iint_D f(x, y) \, d\sigma = \int_a^b \left[ \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x, y) \, dy \right] dx = \int_a^b dx \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x, y) \, dy

Y 型区域: D={(x,y)ψ1(y)xψ2(y),cyd}D = \{(x, y) | \psi_1(y) \leq x \leq \psi_2(y), c \leq y \leq d\}

Df(x,y)dσ=cd[ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx]dy=cddyψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx\iint_D f(x, y) \, d\sigma = \int_c^d \left[ \int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)} f(x, y) \, dx \right] dy = \int_c^d dy \int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)} f(x, y) \, dx

(2)极坐标系

当积分区域 DD 是圆域、圆环域或扇形域,或被积函数含有 x2+y2x^2 + y^2 时,利用极坐标计算较为方便。

变换公式: x=ρcosθx = \rho \cos\thetay=ρsinθy = \rho \sin\theta

面积元素: dσ=ρdρdθd\sigma = \rho \, d\rho \, d\theta

Df(x,y)dxdy=Df(ρcosθ,ρsinθ)ρdρdθ\iint_D f(x, y) \, dx \, dy = \iint_D f(\rho \cos\theta, \rho \sin\theta) \rho \, d\rho \, d\theta


典型例题

例题 1:求偏导数

z=x2sin2y+exyz = x^2 \sin 2y + e^{xy},求 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y}2zxy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y}

解:

zx=2xsin2y+yexy\frac{\partial z}{\partial x} = 2x \sin 2y + ye^{xy}

zy=2x2cos2y+xexy\frac{\partial z}{\partial y} = 2x^2 \cos 2y + xe^{xy}

2zxy=y(zx)=4xcos2y+exy+xyexy\frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right) = 4x \cos 2y + e^{xy} + xye^{xy}

=4xcos2y+(1+xy)exy= \boxed{4x \cos 2y + (1 + xy)e^{xy}}

例题 2:复合函数求导

z=eusinvz = e^u \sin vu=xyu = xyv=x+yv = x + y,求 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y}

解:

zx=zuux+zvvx=eusinvy+eucosv1\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial x} = e^u \sin v \cdot y + e^u \cos v \cdot 1

=exy[ysin(x+y)+cos(x+y)]= e^{xy}[y \sin(x + y) + \cos(x + y)]

zy=zuuy+zvvy=eusinvx+eucosv1\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u} \frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v} \frac{\partial v}{\partial y} = e^u \sin v \cdot x + e^u \cos v \cdot 1

=exy[xsin(x+y)+cos(x+y)]= e^{xy}[x \sin(x + y) + \cos(x + y)]

例题 3:隐函数求导

x2+y2+z24z=0x^2 + y^2 + z^2 - 4z = 0,求 zx\frac{\partial z}{\partial x}zy\frac{\partial z}{\partial y}

解:

F(x,y,z)=x2+y2+z24zF(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2 - 4z,则:

Fx=2x,Fy=2y,Fz=2z4F_x = 2x, \quad F_y = 2y, \quad F_z = 2z - 4

由隐函数求导公式:

zx=FxFz=2x2z4=x2z\frac{\partial z}{\partial x} = -\frac{F_x}{F_z} = -\frac{2x}{2z - 4} = \boxed{\frac{x}{2 - z}}

zy=FyFz=2y2z4=y2z\frac{\partial z}{\partial y} = -\frac{F_y}{F_z} = -\frac{2y}{2z - 4} = \boxed{\frac{y}{2 - z}}

例题 4:求极值

求函数 f(x,y)=x3y3+3x2+3y29xf(x, y) = x^3 - y^3 + 3x^2 + 3y^2 - 9x 的极值。

解:

先解方程组:

fx(x,y)=3x2+6x9=0,fy(x,y)=3y2+6y=0f_x(x, y) = 3x^2 + 6x - 9 = 0, \quad f_y(x, y) = -3y^2 + 6y = 0

求得驻点为 (1,0)(1, 0)(1,2)(1, 2)(3,0)(-3, 0)(3,2)(-3, 2)

再求出二阶偏导数:

fxx(x,y)=6x+6,fxy(x,y)=0,fyy(x,y)=6y+6f_{xx}(x, y) = 6x + 6, \quad f_{xy}(x, y) = 0, \quad f_{yy}(x, y) = -6y + 6

在点 (1,0)(1, 0) 处:A=12A = 12B=0B = 0C=6C = 6ACB2=72>0AC - B^2 = 72 > 0,且 A>0A > 0,所以函数在 (1,0)(1, 0) 处有极小值 f(1,0)=5f(1, 0) = -5

在点 (1,2)(1, 2) 处:A=12A = 12B=0B = 0C=6C = -6ACB2=72<0AC - B^2 = -72 < 0,所以 f(1,2)f(1, 2) 不是极值

在点 (3,0)(-3, 0) 处:A=12A = -12B=0B = 0C=6C = 6ACB2=72<0AC - B^2 = -72 < 0,所以 f(3,0)f(-3, 0) 不是极值

在点 (3,2)(-3, 2) 处:A=12A = -12B=0B = 0C=6C = -6ACB2=72>0AC - B^2 = 72 > 0,且 A<0A < 0,所以函数在 (3,2)(-3, 2) 处有极大值 f(3,2)=31f(-3, 2) = 31

例题 5:计算二重积分

计算 Dxydσ\iint_D xy \, d\sigma,其中 DD 是由直线 y=1y = 1x=2x = 2y=xy = x 所围成的闭区域。

解:

画出积分区域 DD,它是 X 型区域:

D={(x,y)1yx,1x2}D = \{(x, y) | 1 \leq y \leq x, 1 \leq x \leq 2\}

Dxydσ=12[1xxydy]dx=12[xy22]1xdx\iint_D xy \, d\sigma = \int_1^2 \left[ \int_1^x xy \, dy \right] dx = \int_1^2 \left[ x \cdot \frac{y^2}{2} \right]_1^x dx

=12(x32x2)dx=[x48x24]12= \int_1^2 \left( \frac{x^3}{2} - \frac{x}{2} \right) dx = \left[ \frac{x^4}{8} - \frac{x^2}{4} \right]_1^2

=(16844)(1814)=(21)(18)=98= \left( \frac{16}{8} - \frac{4}{4} \right) - \left( \frac{1}{8} - \frac{1}{4} \right) = (2 - 1) - \left( -\frac{1}{8} \right) = \boxed{\frac{9}{8}}

例题 6:极坐标计算二重积分

计算 Dex2y2dxdy\iint_D e^{-x^2-y^2} \, dx \, dy,其中 DD 是由中心在原点、半径为 aa 的圆周所围成的闭区域。

解:

在极坐标系中,闭区域 DD 可表示为:

0ρa,0θ2π0 \leq \rho \leq a, \quad 0 \leq \theta \leq 2\pi

Dex2y2dxdy=Deρ2ρdρdθ\iint_D e^{-x^2-y^2} \, dx \, dy = \iint_D e^{-\rho^2} \cdot \rho \, d\rho \, d\theta

=02π[0aeρ2ρdρ]dθ=02π[12eρ2]0adθ= \int_0^{2\pi} \left[ \int_0^a e^{-\rho^2} \rho \, d\rho \right] d\theta = \int_0^{2\pi} \left[ -\frac{1}{2} e^{-\rho^2} \right]_0^a d\theta

=12(1ea2)02πdθ=π(1ea2)= \frac{1}{2}(1 - e^{-a^2}) \int_0^{2\pi} d\theta = \boxed{\pi(1 - e^{-a^2})}


易错点提醒

常见错误

  1. 求偏导数时忘记把其他变量看作常数

    • xx 求偏导时,yy 是常数
    • yy 求偏导时,xx 是常数
  2. 混合偏导数不相等时误认为相等

    • 只有当二阶混合偏导数连续时,才有 fxy=fyxf_{xy} = f_{yx}
  3. 求复合函数偏导时漏项

    • 链式法则要求经过所有中间变量
  4. 求极值时忘记检验充分条件

    • 驻点不一定是极值点,需用 ACB2AC - B^2 判断
  5. 二重积分积分次序选择不当

    • 根据被积函数和积分区域选择合适的积分次序
    • 必要时交换积分次序

本章小结

  1. 理解多元函数的概念,掌握二元函数的极限与连续
  2. 熟练掌握偏导数和全微分的计算
  3. 掌握多元复合函数和隐函数的求导法则
  4. 会求多元函数的极值和条件极值
  5. 掌握二重积分的概念、性质和计算方法(直角坐标、极坐标)

考研高数复习建议

基础阶段(现在-6月)

  • 通读教材,理解基本概念
  • 做课后习题,掌握基本方法
  • 整理笔记,形成知识框架

强化阶段(7-9月)

  • 系统做题,总结题型和解题技巧
  • 重点突破薄弱环节
  • 开始做历年真题

冲刺阶段(10-12月)

  • 模拟考试,限时训练
  • 回顾错题,查漏补缺
  • 背诵公式,保持题感

祝各位考生金榜题名!

考研加油!