第六章 多元函数微积分
考试大纲
- 理解多元函数的概念,理解二元函数的几何意义
- 了解二元函数的极限与连续的概念
- 理解多元函数偏导数和全微分的概念
- 掌握复合函数一阶、二阶偏导数的求法
- 了解隐函数存在定理,会求多元隐函数的偏导数
- 理解多元函数极值和条件极值的概念
- 掌握多元函数极值存在的必要条件
- 了解二元函数极值存在的充分条件
- 会求二元函数的极值,会用拉格朗日乘数法求条件极值
- 理解二重积分的概念,了解二重积分的性质
- 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: 设 是平面上的一个点集,如果对于每个点 ,变量 按照一定法则总有确定的值和它对应,则称 是变量 、 的二元函数,记为:
点集 称为该函数的定义域,、 称为自变量, 称为因变量。
二元函数的几何意义: 二元函数 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 在开区间(或闭区域) 内有定义, 是 的内点或边界点。如果对于任意给定的正数 ,总存在正数 ,使得对于适合不等式:
的一切点 ,都有 成立,则称常数 为函数 当 时的极限,记作:
其中 。
注意: 二重极限存在,是指 以任何方式趋于 时,函数都无限接近于 。如果 以不同方式趋于 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 ,则称函数 在点 连续。
3. 偏导数
偏导数定义: 设函数 在点 的某一邻域内有定义,当 固定在 而 在 处有增量 时,相应地函数有增量 。如果极限:
存在,则称此极限为函数 在点 处对 的偏导数,记作:
类似地,可定义对 的偏导数 。
几何意义: 偏导数 就是曲面 被平面 所截得的曲线在点 处的切线 对 轴的斜率。
高阶偏导数: 二阶偏导数有四个:
定理: 如果函数 的两个二阶混合偏导数 及 在区域 内连续,则在该区域内这两个二阶混合偏导数必相等,即:
4. 全微分
全微分定义: 如果函数 在点 的全增量:
可表示为:
其中 、 不依赖于 、 而仅与 、 有关,,则称函数 在点 可微分,而 称为函数 在点 的全微分,记作 ,即:
必要条件: 如果函数 在点 可微分,则该函数在点 的偏导数 、 必定存在,且函数 在点 的全微分为:
充分条件: 如果函数 的偏导数 、 在点 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 及 都在点 可导,函数 在对应点 具有连续偏导数,则复合函数 在点 可导,且有:
中间变量为多元函数: 如果函数 及 都在点 具有对 及对 的偏导数,函数 在对应点 具有连续偏导数,则复合函数 在点 的两个偏导数都存在,且有:
6. 隐函数求导公式
隐函数存在定理 1: 设函数 在点 的某一邻域内具有连续偏导数,且 ,,则方程 在点 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 ,它满足条件 ,并有:
隐函数存在定理 2: 设函数 在点 的某一邻域内具有连续偏导数,且 ,,则方程 在点 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 ,它满足条件 ,并有:
7. 多元函数的极值
极值定义: 设函数 的定义域为 , 为 的内点。若存在 的某个邻域 ,使得对于该邻域内异于 的任何点 ,都有:
则称函数 在点 有极大值 ,点 称为函数 的极大值点;若都有 ,则称函数 在点 有极小值,点 称为函数 的极小值点。
必要条件: 设函数 在点 具有偏导数,且在点 处有极值,则有:
充分条件: 设函数 在点 的某邻域内连续且有一阶及二阶连续偏导数,又 ,,令:
则 在 处是否取得极值的条件如下:
- 时具有极值,且当 时有极大值,当 时有极小值
- 时没有极值
- 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 在附加条件 下的可能极值点,可以先作拉格朗日函数:
其中 为参数。求其对 与 的一阶偏导数,并使之为零,然后与方程 联立起来:
由这方程组解出 、 及 ,这样得到的 就是函数 在附加条件 下的可能极值点。
8. 二重积分
二重积分定义: 设 是有界闭区域 上的有界函数。将闭区域 任意分成 个小闭区域 ,其中 表示第 个小闭区域,也表示它的面积。在每个 上任取一点 ,作乘积 (),并作和 。如果当各小闭区域的直径中的最大值 时,这和的极限总存在,且与闭区域 的分法及点 的取法无关,则称此极限为函数 在闭区域 上的二重积分,记作 ,即:
几何意义: 当 时,二重积分 表示以 为底,以曲面 为顶的曲顶柱体的体积。
性质:
线性性质:
区域可加性: 如果闭区域 被有限条曲线分为有限个部分闭区域,则在 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和。
保号性: 如果在 上,,则有:
估值定理: 设 、 分别是 在闭区域 上的最大值和最小值, 是 的面积,则有:
中值定理: 设函数 在闭区域 上连续, 是 的面积,则在 上至少存在一点 ,使得:
9. 二重积分的计算
(1)直角坐标系
X 型区域:
Y 型区域:
(2)极坐标系
当积分区域 是圆域、圆环域或扇形域,或被积函数含有 时,利用极坐标计算较为方便。
变换公式: ,
面积元素:
典型例题
例题 1:求偏导数
设 ,求 、、。
解:
例题 2:复合函数求导
设 ,,,求 和 。
解:
例题 3:隐函数求导
设 ,求 和 。
解:
设 ,则:
由隐函数求导公式:
例题 4:求极值
求函数 的极值。
解:
先解方程组:
求得驻点为 、、、。
再求出二阶偏导数:
在点 处:,,,,且 ,所以函数在 处有极小值
在点 处:,,,,所以 不是极值
在点 处:,,,,所以 不是极值
在点 处:,,,,且 ,所以函数在 处有极大值
例题 5:计算二重积分
计算 ,其中 是由直线 、 及 所围成的闭区域。
解:
画出积分区域 ,它是 X 型区域:
例题 6:极坐标计算二重积分
计算 ,其中 是由中心在原点、半径为 的圆周所围成的闭区域。
解:
在极坐标系中,闭区域 可表示为:
易错点提醒
常见错误
求偏导数时忘记把其他变量看作常数
- 对 求偏导时, 是常数
- 对 求偏导时, 是常数
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
求复合函数偏导时漏项
- 链式法则要求经过所有中间变量
求极值时忘记检验充分条件
- 驻点不一定是极值点,需用 判断
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
- 理解多元函数的概念,掌握二元函数的极限与连续
- 熟练掌握偏导数和全微分的计算
- 掌握多元复合函数和隐函数的求导法则
- 会求多元函数的极值和条件极值
- 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!