具体描述
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《高等数学(下册)专题精讲与同步演练》 内容简介: 本书是为高等数学学习者量身打造的专题精讲与同步演练相结合的学习用书。全书紧密围绕高等数学(下册)的核心内容,以章节为单位,层层递进,深入剖析每一个知识点。本书旨在帮助读者建立扎实的理论基础,掌握解题的思路和方法,从而有效提升高等数学的应试能力和综合应用能力。 本书特色: 紧扣教材,体系完整: 本书以主流高等数学教材(如同济大学版)为蓝本,精心组织内容,涵盖了高等数学(下册)的全部重要章节,包括多元函数微分学、多元函数积分学、向量场及其积分、无穷级数、微分方程、特殊函数等。每个章节的编排均遵循教材的逻辑顺序,确保学习的连贯性和系统性。 专题精讲,深入浅出: 针对每个核心知识点,本书都进行了深入浅出的专题讲解。讲解力求条理清晰,概念辨析到位,公式推导严谨,定理证明易于理解。我们将抽象的数学概念与直观的几何意义相结合,并通过大量的例题进行阐释,帮助读者从不同角度理解和掌握知识。 例题丰富,覆盖面广: 例题是检验和巩固知识的重要手段。本书精心挑选了大量具有代表性的例题,这些例题覆盖了各个知识点可能出现的各种题型和解题技巧。例题的解析详尽,步骤清晰,不仅展示了具体的解题过程,更强调了背后的数学思想和方法,引导读者学会举一反三。 同步演练,强化提升: 在每个专题讲解完成后,都配有大量的同步练习题。这些练习题难度适中,题型多样,紧贴教材和考试要求,旨在帮助读者及时巩固所学知识,查漏补缺。练习题的设置由易到难,由基础到综合,循序渐进,确保读者在练习中不断提升解题能力。 精选习题,难度适宜: 除了同步练习,本书还精选了一部分综合性更强、难度更高的习题,旨在为有更高追求的学习者提供挑战。这些习题往往融合了多个知识点,需要读者综合运用所学知识进行分析和解答,有助于培养和锻炼学生的数学思维能力。 解题思路剖析,技巧点拨: 对于一些典型的、有难度的题目,本书将在答案解析中着重剖析其解题思路和关键步骤,点拨常用的解题技巧和方法。这有助于读者在遇到新问题时,能够更有效地分析问题,找到解决问题的突破口。 重点难点突出,答疑解惑: 书中会根据高等数学的特点,对容易混淆的概念、易错的环节、常见的难点问题进行重点提示和解释,帮助读者提前规避学习中的“陷阱”,有效解决学习中的困惑。 结构清晰,阅读体验佳: 本书的版式设计科学合理,字体大小适中,排版清晰,便于阅读。各章节之间过渡自然,整体结构一目了然,为读者提供良好的学习体验。 适用对象: 高等数学(下册)的学习者,包括各类高等院校、高职高专的学生。 需要系统复习高等数学(下册)的考研学生。 对高等数学感兴趣,希望深入学习相关知识的自学者。 希望通过练习巩固和提升高等数学解题能力的社会人士。 学习建议: 1. 紧跟课堂,同步学习: 建议读者在学习高等数学(下册)课堂教学的同时,同步阅读本书相应的章节。先理解教材内容,再对照本书的专题精讲,加深对知识点的理解。 2. 精读例题,悟透方法: 仔细阅读并尝试独立完成本书中的例题,理解例题的解题思路和所运用的方法技巧。尝试不看解析,独立思考,遇到困难再参考解析。 3. 认真演练,熟能生巧: 完成每个专题后的同步练习题,并认真核对答案。对于错题,要深入分析错误原因,是概念不清,还是计算失误,或是思路错误,然后针对性地进行订正和巩固。 4. 反复琢磨,攻克难点: 对于本书中强调的重点、难点以及提供的综合性习题,要花更多的时间去琢磨和练习,力求真正掌握。 5. 温故知新,系统复习: 在完成一个章节的学习后,可以回顾本章节的所有内容,特别是之前做错的题目,巩固记忆,形成知识体系。在学期末或考前,系统复习全书内容。 《高等数学(下册)专题精讲与同步演练》 旨在成为您在高等数学学习道路上的得力助手,助您在数学的世界里游刃有余,取得优异的成绩。 --- 第一章 多元函数微分学 1.1 多元函数的概念与几何表示 学习目标: 理解多元函数的定义、定义域和值域,掌握多元函数的几何表示方法。 知识点精讲: 多元函数的定义: 介绍了二元函数、三元函数等一般多元函数的定义。强调了自变量的集合(定义域)和因变量的取值范围(值域)。 定义域的确定: 重点讲解了如何根据函数表达式的限制条件(如分母不为零、被开方数非负、对数真数大于零等)来确定多元函数的定义域。 几何表示: 二元函数z=f(x,y)的几何表示: 介绍了二元函数的图像在三维空间中构成一个曲面。讲解了如何通过曲面来直观理解函数的性质。 等值线(或称轮廓线): 介绍了当z=f(x,y)=c时,在xy平面上描绘出的曲线,称为函数f(x,y)的等值线。通过等值线的疏密和形状,可以间接分析曲面的高低起伏和形状。 三元函数u=f(x,y,z)的几何表示: 介绍了三元函数的图像在四维空间中(虽然无法直接可视化),但可以通过其等值面(f(x,y,z)=c)在三维空间中的表示来理解。 例题解析: 例1:求函数 $f(x,y) = sqrt{1-x^2-y^2} + frac{1}{sqrt{x+y-1}}$ 的定义域。 思路剖析: 需要同时满足根号内的非负性和分母不为零的条件。 步骤: 1. 由 $sqrt{1-x^2-y^2}$ 得 $1-x^2-y^2 geq 0$,即 $x^2+y^2 leq 1$。表示以原点为圆心,半径为1的圆及其内部。 2. 由 $sqrt{x+y-1}$ 得 $x+y-1 > 0$,即 $x+y > 1$。表示直线 $y=-x+1$ 上方区域。 3. 综合上述两个条件,定义域为圆 $x^2+y^2=1$ 内部且位于直线 $x+y=1$ 上方的区域。 例2:描述函数 $z = x^2 + y^2$ 的图像和等值线。 思路剖析: 图像是旋转抛物面,等值线是同心圆。 步骤: 1. 图像: 当x=0时,z=y^2,是抛物线;当y=0时,z=x^2,是抛物线。对称地,绕z轴旋转,形成一个开口向上的旋转抛物面。 2. 等值线: 令 $x^2+y^2=c$ ($c geq 0$)。当c=0时,是原点;当c>0时,是半径为 $sqrt{c}$ 的圆。圆心都在原点。 同步演练: 1. 求下列函数的定义域: (a) $f(x,y) = ln(x^2+y^2-1)$ (b) $g(x,y,z) = sqrt{4-x^2-y^2-z^2} + frac{1}{x+y+z}$ 2. 描述函数 $f(x,y) = xy$ 的等值线。 3. 已知二元函数 $f(x,y)$ 的图像是一张平面,且过点 (1,1,2) 和 (2,2,4),求该函数的表达式。 1.2 极限与连续 学习目标: 理解多元函数极限的定义,掌握求多元函数极限的方法,理解多元函数在闭区域上的连续性。 知识点精讲: 多元函数极限的定义: 直观理解: 当点 (x,y) 趋近于 (x₀,y₀) 时,f(x,y) 趋近于常数L。 ε-δ 定义: 对于任意给定的 $varepsilon > 0$,总存在 $delta > 0$,使得当 $0 < sqrt{(x-x_0)^2+(y-y_0)^2} < delta$ 时,都有 $|f(x,y)-L| < varepsilon$。 重要提示: 多元函数的极限存在,要求从任何方向、任何路径趋近于 (x₀,y₀) 时,极限值都相等。如果存在两个不同的路径趋近于 (x₀,y₀) 得到不同的极限值,则极限不存在。 求极限的方法: 直接代入法: 如果函数在 (x₀,y₀) 附近连续,则可以直接将 (x₀,y₀) 代入。 利用无穷小量代换: 将复杂的函数化为已知极限的无穷小量。 化为单变量函数极限: 引入参数或变量代换,将二元函数极限转化为单变量函数极限。例如,令 $x=x_0+tcos heta, y=y_0+tsin heta$,当 $t o 0$ 时,观察极限是否与 $ heta$ 有关。 夹逼准则(Squeeze Theorem): 如果能找到两个函数 $g(x,y)$ 和 $h(x,y)$,使得 $g(x,y) leq f(x,y) leq h(x,y)$,且 $lim_{(x,y) o(x_0,y_0)} g(x,y) = lim_{(x,y) o(x_0,y_0)} h(x,y) = L$,则 $lim_{(x,y) o(x_0,y_0)} f(x,y) = L$。 判断极限不存在: 沿不同路径趋近,极限值不同: 例如,沿x轴 ($y=0$) 和沿y轴 ($x=0$) 趋近,得到不同的极限值。 变量代换后,极限值与引入的变量有关: 例如,令 $y=kx$,当 $(x,y) o (0,0)$ 时,极限值与k有关。 利用极坐标代换: 令 $x=rcos heta, y=rsin heta$,当 $r o 0$ 时,如果极限依赖于 $ heta$,则极限不存在。 连续性: 定义: 函数 $f(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 处连续,是指 $lim_{(x,y) o(x_0,y_0)} f(x,y) = f(x_0,y_0)$。 几何意义: 函数的图像在点 $(x_0,y_0)$ 处没有“断点”、“洞”或“跳跃”。 连续函数的性质: 基本初等函数的连续性: 多项式函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数等在各自的定义域内是连续的。 四则运算的连续性: 连续函数的和、差、积、商(分母不为零)在相应定义域内是连续的。 复合函数的连续性: 如果 $u=g(x,y)$ 在点 $(x_0,y_0)$ 连续,且 $z=f(u)$ 在 $u_0=g(x_0,y_0)$ 处连续,则复合函数 $z=f(g(x,y))$ 在点 $(x_0,y_0)$ 连续。 闭区域上的连续性: 连续函数在闭有界区域上必能取得最大值和最小值(极值定理)。 例题解析: 例1:求极限 $lim_{(x,y) o(1,2)} (x^2y + 3xy^2)$。 思路剖析: 函数是多项式函数,在点 (1,2) 处连续,可以直接代入。 步骤: $1^2 cdot 2 + 3 cdot 1 cdot 2^2 = 2 + 12 = 14$。 例2:求极限 $lim_{(x,y) o(0,0)} frac{x^2y}{x^2+y^2}$。 思路剖析: 直接代入为 $frac{0}{0}$ 型,考虑变量代换或夹逼准则。 方法一(极坐标): 令 $x=rcos heta, y=rsin heta$。 当 $(x,y) o(0,0)$ 时, $r o 0$。 $lim_{r o 0} frac{(rcos heta)^2(rsin heta)}{(rcos heta)^2+(rsin heta)^2} = lim_{r o 0} frac{r^3cos^2 hetasin heta}{r^2(cos^2 heta+sin^2 heta)} = lim_{r o 0} frac{r^3cos^2 hetasin heta}{r^2} = lim_{r o 0} rcos^2 hetasin heta = 0$。 因为极限与 $ heta$ 无关,所以极限为0。 方法二(夹逼准则): 因为 $x^2 geq 0, y^2 geq 0$, 所以 $x^2 leq x^2+y^2$ 且 $y^2 leq x^2+y^2$。 所以 $0 leq frac{x^2}{x^2+y^2} leq 1$。 则 $0 leq |frac{x^2y}{x^2+y^2}| = frac{x^2}{x^2+y^2} |y| leq |y|$。 当 $(x,y) o(0,0)$ 时, $|y| o 0$,且0的极限是0。 由夹逼准则,$lim_{(x,y) o(0,0)} frac{x^2y}{x^2+y^2} = 0$。 例3:判断函数 $f(x,y) = egin{cases} frac{xy}{x^2+y^2}, & (x,y)
eq (0,0) \ 0, & (x,y) = (0,0) end{cases}$ 在点 (0,0) 处是否连续。 思路剖析: 需要计算 $lim_{(x,y) o(0,0)} frac{xy}{x^2+y^2}$ 是否等于 $f(0,0)=0$。 步骤: 沿直线 $y=kx$ 趋近: $lim_{x o 0} frac{x(kx)}{x^2+(kx)^2} = lim_{x o 0} frac{kx^2}{x^2(1+k^2)} = frac{k}{1+k^2}$。 由于极限值与k有关(例如,当k=1时为1/2,当k=2时为2/5),所以 $lim_{(x,y) o(0,0)} frac{xy}{x^2+y^2}$ 不存在。 因此,函数在点 (0,0) 处不连续。 同步演练: 1. 计算下列极限: (a) $lim_{(x,y) o(0,1)} frac{sin(xy)}{xy+1}$ (b) $lim_{(x,y) o(0,0)} frac{x^3+y^3}{x^2+y^2}$ (c) $lim_{(x,y) o(0,0)} frac{x-y}{sqrt{x^2+y^2}}$ 2. 确定下列函数在指定点的连续性: $f(x,y) = egin{cases} frac{x^2-y^2}{x^2+y^2}, & (x,y)
eq (0,0) \ 0, & (x,y) = (0,0) end{cases}$ 在点 (0,0) 处。 3. 设函数 $f(x,y)$ 在闭区域D上连续,证明:存在一点 $(x_0, y_0) in D$,使得 $f(x_0, y_0) = M$,其中M是函数f在D上的最大值。 1.3 偏导数与全微分 学习目标: 理解偏导数的概念,掌握偏导数的计算方法,理解全微分的概念,掌握全微分的计算。 知识点精讲: 偏导数: 定义: 在讨论多元函数关于某个自变量的变化率时,保持其他自变量不变,将其视为关于该自变量的单变量函数求导。 记号: $frac{partial z}{partial x}$ 或 $f_x(x,y)$ 表示函数 $z=f(x,y)$ 对x的偏导数;$frac{partial z}{partial y}$ 或 $f_y(x,y)$ 表示对y的偏导数。 计算方法: 将除自变量外的其他变量视为常数,然后按照单变量函数的求导法则进行计算。 几何意义: $frac{partial z}{partial x}(x_0, y_0)$ 表示曲面 $z=f(x,y)$ 在点 $(x_0, y_0, f(x_0,y_0))$ 处,沿着平行于x轴方向的切线的斜率。同理,$frac{partial z}{partial y}(x_0, y_0)$ 表示沿着平行于y轴方向的切线的斜率。 高阶偏导数: 记号: $frac{partial^2 z}{partial x^2} = frac{partial}{partial x}(frac{partial z}{partial x})$,$frac{partial^2 z}{partial ypartial x} = frac{partial}{partial y}(frac{partial z}{partial x})$,$frac{partial^2 z}{partial xpartial y} = frac{partial}{partial x}(frac{partial z}{partial y})$,$frac{partial^2 z}{partial y^2} = frac{partial}{partial y}(frac{partial z}{partial y})$。 混合偏导数: $frac{partial^2 z}{partial ypartial x}$ 和 $frac{partial^2 z}{partial xpartial y}$ 称为混合偏导数。 Clairaut 定理(混合偏导数连续性定理): 如果二阶偏导数 $frac{partial^2 z}{partial xpartial y}$ 和 $frac{partial^2 z}{partial ypartial x}$ 在点 $(x_0,y_0)$ 的某个邻域内存在且在此点连续,则在该点处混合偏导数相等,即 $frac{partial^2 z}{partial ypartial x} = frac{partial^2 z}{partial xpartial y}$。 全微分: 定义: 如果函数 $z=f(x,y)$ 在点 $(x,y)$ 的某个邻域内有定义,且当 $Delta x, Delta y$ 趋于零时,函数增量 $Delta z = f(x+Delta x, y+Delta y) - f(x,y)$ 可以写成 $Delta z = ADelta x + BDelta y + o(sqrt{(Delta x)^2+(Delta y)^2})$ 的形式,其中A和B是仅与x, y有关的常数,则称函数f(x,y)在点(x,y)处可微。$ADelta x + BDelta y$ 称为函数f(x,y)在点(x,y)处全微分,记作 $dz$。 可微的判定: 如果函数 $f(x,y)$ 在点 $(x_0, y_0)$ 的一阶偏导数 $frac{partial f}{partial x}$ 和 $frac{partial f}{partial y}$ 存在,并且在点 $(x_0, y_0)$ 连续,则函数 $f(x,y)$ 在点 $(x_0, y_0)$ 可微。 全微分的计算: 如果函数 $z=f(x,y)$ 可微,则其全微分 $dz = frac{partial f}{partial x} dx + frac{partial f}{partial y} dy$。 几何意义: 函数在某一点处可微,意味着该点处的曲面可以用一个平面(切平面)来近似。全微分 $dz$ 就代表了在这个切平面上,当x和y分别变化 $dx$ 和 $dy$ 时,z的变化量。 例题解析: 例1:求函数 $f(x,y) = x^3y^2 + e^{xy}$ 对x和y的偏导数。 思路剖析: 分别将y视为常数求导,或将x视为常数求导。 步骤: 对x求偏导:$frac{partial f}{partial x} = 3x^2y^2 + y e^{xy}$。 对y求偏导:$frac{partial f}{partial y} = 2x^3y + x e^{xy}$。 例2:求函数 $f(x,y) = egin{cases} x^2sin(frac{1}{x}) + y^2sin(frac{1}{y}), & x
eq 0, y
eq 0 \ 0, & x=0 ext{ 或 } y=0 end{cases}$ 在点(0,0)处的一阶偏导数。 思路剖析: 严格按照定义计算。 步骤: $frac{partial f}{partial x}(0,0) = lim_{Delta x o 0} frac{f(0+Delta x, 0) - f(0,0)}{Delta x} = lim_{Delta x o 0} frac{(Delta x)^2sin(frac{1}{Delta x}) + 0 - 0}{Delta x} = lim_{Delta x o 0} Delta x sin(frac{1}{Delta x})$。 因为 $|sin(frac{1}{Delta x})| leq 1$,所以 $|Delta x sin(frac{1}{Delta x})| leq |Delta x|$。当 $Delta x o 0$ 时,$Delta x o 0$。由夹逼准则,$frac{partial f}{partial x}(0,0) = 0$。 同理,$frac{partial f}{partial y}(0,0) = 0$。 例3:求函数 $z = x^3 - 3xy^2$ 的全微分。 思路剖析: 先计算偏导数,然后代入全微分公式。 步骤: $frac{partial z}{partial x} = 3x^2 - 3y^2$。 $frac{partial z}{partial y} = -6xy$。 $dz = frac{partial z}{partial x} dx + frac{partial z}{partial y} dy = (3x^2 - 3y^2)dx - 6xy dy$。 同步演练: 1. 求下列函数的偏导数: (a) $f(x,y) = arctan(frac{y}{x})$ (b) $z = ln(sqrt{x^2+y^2})$ 2. 求函数 $f(x,y) = x^2y + y^3$ 的二阶偏导数,包括 $frac{partial^2 f}{partial x^2}, frac{partial^2 f}{partial y^2}, frac{partial^2 f}{partial x partial y}, frac{partial^2 f}{partial y partial x}$。 3. 判断函数 $f(x,y) = |xy|$ 在点 (0,0) 处是否可微。 4. 求函数 $z = sin(x+y^2)$ 的全微分。 1.4 向量值函数与空间曲线 学习目标: 理解向量值函数的概念,掌握空间曲线的参数方程表示,理解曲线的切线和法平面。 知识点精讲: 向量值函数: 定义: 映射 $vec{r}(t) = f(t)vec{i} + g(t)vec{j} + h(t)vec{k}$,其中 $f(t), g(t), h(t)$ 是自变量t的实值函数。 几何意义: 向量值函数表示一个空间曲线。向量 $vec{r}(t)$ 的终点描绘出该曲线。 空间曲线的参数方程: 表示形式: $x = phi(t)$, $y = psi(t)$, $z = chi(t)$,其中t是参数。 与向量值函数的对应: $vec{r}(t) = phi(t)vec{i} + psi(t)vec{j} + chi(t)vec{k}$。 空间曲线的切线: 切向量: 如果向量值函数 $vec{r}(t)$ 在 $t_0$ 处可导,且 $vec{r}'(t_0)
eq vec{0}$,则 $vec{r}'(t_0)$ 是曲线在对应点处的切向量。 切线方程: 曲线在点 $P_0 = (x_0, y_0, z_0)$ 处的切线方向向量为 $vec{v} = (frac{dx}{dt}|_{t_0}, frac{dy}{dt}|_{t_0}, frac{dz}{dt}|_{t_0})$。切线方程可以表示为参数方程形式: $frac{x-x_0}{frac{dx}{dt}|_{t_0}} = frac{y-y_0}{frac{dy}{dt}|_{t_0}} = frac{z-z_0}{frac{dz}{dt}|_{t_0}}$。 或者向量形式:$vec{r}(t) = vec{r}_0 + tvec{v}$,其中 $vec{r}_0$ 是点 $P_0$ 的位置向量。 法平面: 定义: 过曲线上某点,且垂直于该点切向量的平面。 法平面方程: 如果点 $P_0 = (x_0, y_0, z_0)$ 是曲线上一点,切向量为 $vec{v} = (a,b,c)$,则法平面的方程为 $a(x-x_0) + b(y-y_0) + c(z-z_0) = 0$。 例题解析: 例1:设空间曲线C的参数方程为 $x=t, y=2cos t, z=2sin t$ (t为参数)。求曲线在 $t=frac{pi}{2}$ 处的切线方程和法平面方程。 思路剖析: 首先找到曲线在 $t=frac{pi}{2}$ 处的点,然后求出该点的切向量,最后写出切线和法平面方程。 步骤: 1. 点: 当 $t=frac{pi}{2}$ 时, $x = frac{pi}{2}$, $y = 2cos(frac{pi}{2}) = 0$, $z = 2sin(frac{pi}{2}) = 2$。所以点为 $P_0 = (frac{pi}{2}, 0, 2)$。 2. 切向量: $frac{dx}{dt} = 1$ $frac{dy}{dt} = -2sin t$ $frac{dz}{dt} = 2cos t$ 当 $t=frac{pi}{2}$ 时,切向量分量为: $frac{dx}{dt}|_{t=frac{pi}{2}} = 1$ $frac{dy}{dt}|_{t=frac{pi}{2}} = -2sin(frac{pi}{2}) = -2$ $frac{dz}{dt}|_{t=frac{pi}{2}} = 2cos(frac{pi}{2}) = 0$ 所以切向量 $vec{v} = (1, -2, 0)$。 3. 切线方程: $frac{x - frac{pi}{2}}{1} = frac{y - 0}{-2} = frac{z - 2}{0}$ (注意:分母为0表示该坐标不变) 即:$x - frac{pi}{2} = frac{y}{-2}$ 且 $z=2$。 也可以写成:$2(x - frac{pi}{2}) = -y$ 且 $z=2$。 4. 法平面方程: 法平面方程为 $a(x-x_0) + b(y-y_0) + c(z-z_0) = 0$ $1(x - frac{pi}{2}) - 2(y - 0) + 0(z - 2) = 0$ $x - frac{pi}{2} - 2y = 0$ $x - 2y - frac{pi}{2} = 0$。 同步演练: 1. 求空间曲线 $x=t^2, y=t^3, z=t^2+1$ 在 $t=1$ 处的切线方程和法平面方程。 2. 判断曲线 $x=t, y=t^2, z=t^3$ 在 $t=0$ 处是否有切线(即切向量是否为零向量)。 3. 已知向量值函数 $vec{r}(t) = (cos t, sin t, t)$,求其在 $t=pi$ 处的切向量。 (本书后续章节将继续深入讲解多元函数积分学、向量场、无穷级数、微分方程等内容,敬请期待。)