<高等数学>证明集

本文最后更新于:2023年10月27日 下午

AM 高等数学 证明集

AM1 函数与极限

收敛数列

收敛数列的极限是唯一的

设收敛数列 {xn}\{x_n\} 存在极限 a,ba,baba\not= b

则对于 a,ba,b 分别存在 NN 使 ϵ>0,n>N\forall\epsilon>0,\forall n>N,有 xna<ϵ\left| x_n-a\right| <\epsilonxnb<ϵ\begin{vmatrix}x_n-b\end{vmatrix}<\epsilon

ϵ=ba2\epsilon = \dfrac{b-a}{2}

带入 xna<ϵ\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<\epsilon 有:3ab2<xn<b+a2-\dfrac{3a-b}{2}<x_n<\dfrac{b+a}{2}

同理带入 xnb<ϵ\begin{vmatrix}x_n-b\end{vmatrix}<\epsilon 有:b+a2<xn<3ba2\dfrac{b+a}{2}<x_n<\dfrac{3b-a}{2}

b+a2<xn<b+a2\dfrac{b+a}{2}<x_n<\dfrac{b+a}{2},矛盾

由此可知,收敛数列 {xn}\{x_n\} 的极限唯一

收敛数列必定有界

若收敛数列 {xn}\{x_n\} 的极限为 limnxn=a{\lim_{n\rarr\infin} \\ } x_n=a,则存在 NN 使得 ϵ>0,n>N\forall\epsilon>0,\forall n>Nxna<ϵ\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<\epsilon

ϵ=1\epsilon = 1,则 n>N\forall n>Nxna<1\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<1

可见 xn=xna+axna+a1+a\begin{vmatrix}x_n\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}x_n-a+a\end{vmatrix}\le \begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}+\begin{vmatrix}a\end{vmatrix}\le 1+\begin{vmatrix}a\end{vmatrix}

M=max(x1,x2,,xn1,1+a)M=\max(x_1,x_2,\ldots,x_{n-1},1+\begin{vmatrix}a\end{vmatrix}),则 x{xn}\forall x\in\{x_n\} 都有 xMx\le M

收敛数列具有保号性

若收敛数列 {xn}\{x_n\} 的极限为 limnxn=a{\lim_{n\rarr\infin} \\ } x_n=a,则存在 NN 使得 ϵ>0,n>N\forall\epsilon>0,\forall n>Nxna<ϵ\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<\epsilon

a>0a>0 时,取 ϵ=a2\epsilon = \dfrac{a}{2},则 n>N\forall n>Nxna<a2\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<\dfrac{a}{2}

可见此时 0<a2<xn<3a20<\dfrac{a}{2}<x_n<\dfrac{3a}{2}

a<0a<0 时,同理可证 3a2<xn<a2<0\dfrac{3a}{2}<x_n<\dfrac{a}{2}<0

收敛数列的任一子数列都收敛于同一极限

若收敛数列 {xn}\{x_n\} 的极限为 limnxn=a{\lim_{n\rarr\infin} \\ } x_n=a,则存在 NN 使得 ϵ>0,n>N\forall\epsilon>0,\forall n>Nxna<ϵ\begin{vmatrix}x_n-a\end{vmatrix}<\epsilon

记其子数列为 {ak}\{a_k\},对应关系为 ak=xnka_k=x_{n_k}

K=NK=N,则对于 k>K\forall k>K,有 k>K=Nk>K=N,以及 ak=xnka_k=x_{n_k}

显然 nk>nK=nNNn_k>n_K=n_N\ge N

aka=xnka<ϵ\begin{vmatrix}a_k-a\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}x_{n_k}-a\end{vmatrix}<\epsilon

即,存在 KK 使得 ϵ>0,k>K\forall\epsilon>0,\forall k>Kaka<ϵ\begin{vmatrix}a_k-a\end{vmatrix}<\epsilon

由此可知,子数列 {ak}\{a_k\} 与数列 {xn}\{x_n\} 都收敛于 aa

函数的极限

一些重要极限(#1)

对于 0<x<π20<x<\dfrac{\pi}{2} 时,必有 sinx<x<tanx\sin x< x< \tan x,即 1<xsinx<1cosx1<\dfrac{x}{\sin x}<\dfrac{1}{\cos x}

x0x\rarr 0 时,有 limx01cosx=1{\lim_{x\rarr 0} \\ } \dfrac{1}{\cos x}=1。显然也有 limx01=1{\lim_{x\rarr 0} \\ }1=1

故有 limx0xsinx=1{\lim_{x\rarr 0} \\ }\dfrac{x}{\sin x}=1

limx0sinxx=limx01sinxx=1limxsinx=11=1{\lim_{x\rarr 0} \\ }\dfrac{\sin x}{x}={\lim_{x\rarr 0} \\ }\dfrac{1}{\dfrac{\sin x}{x}}=\dfrac{1}{ {\lim}\dfrac{x}{\sin x} }=\dfrac{1}{1}=1

一些重要极限(#2)

人们将 limx(1+1x)x{\lim_{x\rarr \infin} \\}(1+\dfrac{1}{x})^x 的值定义为 ee

下面是证明 limx(1+1x)x{\lim_{x\rarr \infin} \\}(1+\dfrac{1}{x})^x 存在且为常数。现给出两种证明方法

方法一:利用几何平均数和算数平均数

平均数关系图_AMZ_1.2.2

几何平均数小于等于算术平均数:a1a2anna1+a2++ann\sqrt[n]{a_1a_2\ldots a_n}\le\dfrac{a_1+a_2+\ldots+a_n}{n}

下证 (1+1x)x(1+\dfrac{1}{x})^x 单调

对于数列 ax=(1+1x)xa_x=(1+\dfrac 1{x})^x,构建以下不等式:

1×(1+1x)xx+11+x(1+1x)x+1=x+2x+1=1+1x+1\sqrt[x+1]{1\times(1+\dfrac{1}{x})^x}\le\dfrac{1+x(1+\dfrac{1}{x})}{x+1}=\dfrac{x+2}{x+1}=1+\dfrac{1}{x+1}

就有 1×(1+1x)x(1+1x+1)x+11\times(1+\dfrac{1}{x})^x\le(1+\dfrac{1}{x+1})^{x+1}

ax<ax+1a_x<a_{x+1},则数列 {ax}\{a_x\} 单调递增

下证 (1+1x)x(1+\dfrac{1}{x})^x 有界

构建数列 bx=(1+1x)x+1b_x=(1+\dfrac 1{x})^{x+1},可见 {bx}>{ax}\{b_x\}>\{a_x\}。可以构建以下不等式:

(1+1x)2(1+1x)x1x(1+1x)2+(x1)(1+1x)x=1+x2+x+1x3=1+x31x3(x1)<1+1x1\sqrt[x]{(1+\dfrac{1}{x})^2(1+\dfrac 1 x)^{x-1}}\le\dfrac{(1+\dfrac 1 x)^2+(x-1)(1+\dfrac 1 x)}{x}=1+\dfrac{x^2+x+1}{x^3}=1+\dfrac{x^3-1}{x^3(x-1)}<1+\dfrac{1}{x-1}

就有 (1+1x)2(1+1x)x1<(1+1x1)x{(1+\dfrac{1}{x})^2(1+\dfrac 1 x)^{x-1}}<(1+\dfrac{1}{x-1})^x

bx<bx1b_x<b_{x-1},则数列 {bx}\{b_x\} 单调递减

由于 b1=4b_1=4,可见 ax<bx4a_x<b_x\le4

{ax}\{a_x\} 上界存在。而显然 ax>0a_x>0,其下界存在。故 {ax}\{a_x\} 有界

{ax}\{a_x\} 单调递增,且有界,故 {ax}\{a_x\} 的极限存在。人为定义 limx(1+1x)x=e{\lim_{x\rarr \infin} \\}(1+\dfrac{1}{x})^x=e

方法二:利用二项式展开

二项式展开公式:(a+b)n=Cn0anb0+Cn1an1b1++Cnranrbr++Cnna0bn(a+b)^n=C^0_na^nb^0+C^1_na^{n-1}b^1+\ldots+C^r_na^{n-r}b^r+\ldots+C^n_na^0b^n

下证 (1+1x)x(1+\dfrac{1}{x})^x 单调

对于数列 ax=(1+1x)xa_x=(1+\dfrac{1}{x})^x 进行二项式展开,可得

ax=(1+1x)x=Cx0+Cx11x++Cxr1xr++Cxx1xx{a_x}=(1+\dfrac{1}{x})^x=C^0_x+C^1_x\dfrac{1}{x}+\ldots+C^r_x\dfrac{1}{x^r}+\ldots+C^x_x\dfrac{1}{x^x}

ax+1=(1+1x+1)x+1=Cx+10+Cx+111x+1++Cx+1r1(x+1)r++Cx+1x+11(x+1)x+1a_{x+1}=(1+\dfrac{1}{x+1} )^{x+1}=C^0_{x+1}+C^1_{x+1}\dfrac{1}{x+1}+\ldots+C^r_{x+1}\dfrac{1}{(x+1)^r}+\ldots+C^{x+1}_{x+1}\dfrac{1}{ (x+1)^{x+1} }

对于 rZx\forall r\in Z\le x,有

Cxr1xr=x(x1)(xr+1)r!xr=1r!xxx1xxr+1x=1r!(11x)(12x)(1r1x)C^r_x\dfrac{1}{x^r}=\dfrac{x(x-1)\ldots(x-r+1)}{r!x^r}=\dfrac{1}{r!}\dfrac{x}{x}\dfrac{x-1}{x}\ldots\dfrac{x-r+1}{x}=\dfrac{1}{r!}(1-\dfrac{1}{x})(1-\dfrac{2}{x})\ldots(1-\dfrac{r-1}{x})

Cx+1r1(x+1)r=(x+1)x(x1)(xr+2)r!(x+1)r=1r!(11x+1)(12x+1)(1r1x+1)C^r_{x+1}\dfrac{1}{(x+1)^r}=\dfrac{(x+1)x(x-1)\ldots(x-r+2)}{r!(x+1)^r}=\dfrac{1}{r!}(1-\dfrac{1}{x+1})(1-\dfrac{2}{x+1})\ldots(1-\dfrac{r-1}{x+1})

可见,Cx+1r1(x+1)r>Cxr1xrC^r_{x+1}\dfrac{1}{(x+1)^r}> C^r_x\dfrac{1}{x^r},于是数列 {ax}\{a_x\} 单调递增。

下证 (1+1x)x(1+\dfrac{1}{x})^x 有界

又有 Cxr1xr=x(x1)(xr+1)r!xr<xrr!xr=1r!=11×2××r<12r1C^r_x\dfrac{1}{x^r}=\dfrac{x(x-1)\ldots(x-r+1)}{r!x^r}<\dfrac{x^r}{r!x^r}=\dfrac{1}{r!}=\dfrac{1}{1\times 2\times\ldots\times r}<\dfrac{1}{2^{r-1}}

ax=Cx0+Cx11x++Cxr1xr++Cxx1xx<1+120+121++12x1<3a_x=C^0_x+C^1_x\dfrac{1}{x}+\ldots+C^r_x\dfrac{1}{x^r}+\ldots+C^x_x\dfrac{1}{x^x}<1+\dfrac{1}{2^0}+\dfrac{1}{2^1}+\ldots+\dfrac{1}{2^{x-1} }<3

可见,数列 {ax}\{a_x\} 上界存在。而显然 ax>0a_x>0,其下界存在。故 {ax}\{a_x\} 有界

{ax}\{a_x\} 单调递增,且有界,故 {ax}\{a_x\} 的极限存在。人为定义 limx(1+1x)x=e{\lim_{x\rarr \infin} \\}(1+\dfrac{1}{x})^x=e

函数的连续性

闭区间连续函数的零点定理

f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a,b] 上连续,不妨设 f(a)<0,f(b)>0f(a)<0,f(b)>0

E={xf(x)0,x[a,b]}E=\{x\big|f(x)\le 0,x\in[a,b]\}

由于 f(a)<0f(a)<0 可知 EE\ne\empty。由 f(b)>0f(b)>0 可知 bbEE 的上界。

根据确界存在原理,可知 EE 的上确界 ξ=supE[a,b]\xi=\sup E\in[a,b] 存在

f(ξ)<0f(\xi)<0,则 f(ξ)[a,b)f(\xi)\in [a,b)

由连续函数的局部保号性知,δ>0\exist\delta>0,使 x(ξδ,ξ+δ)\forall x\in(\xi-\delta,\xi+\delta) 时,都有 f(x)<0f(x)<0

此时有 x1(ξ,ξ+δ)x_1\in(\xi,\xi+\delta) 使 x1Ex_1\in Ex1>ξx_1>\xi,这与 ξ\xiEE 的上确界矛盾

f(ξ)>0f(\xi)>0,则 f(ξ)(a,b]f(\xi)\in(a,b]

由连续函数的局部保号性知,δ>0\exist\delta>0,使 x(ξδ,ξ+δ)\forall x\in(\xi-\delta,\xi+\delta) 时,都有 f(x)>0f(x)>0

此时有 x2(ξδ,ξ)x_2\in(\xi-\delta,\xi) 使 x2x_2EE 的上界,这与 ξ\xiEE 的上确界矛盾

由此可知,f(ξ)=0f(\xi)=0

闭区间连续函数的介值定理

f(x)f(x) 在闭区间 [a,b][a,b] 上连续,设 f(a)=Af(a)=Af(b)=Bf(b)=B,任取 min(A,B)<C<max(A,B)\min(A,B)<C<\max(A,B)

构造函数 ϕ(x)=f(x)C\phi(x)=f(x)-C,则 ϕ(a)=AC\phi(a)=A-Cϕ(b)=BC\phi(b)=B-C

可见有 ϕ(a)\phi(a)ϕ(b)\phi(b) 异号。

根据闭区间连续函数的零点定理,必有 x0(a,b)x_0\in(a,b) 使得 ϕ(x0)=0\phi(x_0)=0

此时 f(x0)C=0f(x_0)-C=0f(x0)=Cf(x_0)=C

AM2 函数与极限

微分

费马引理

xu(x0)\forall x\in u(x_0) 都有 f(x)f(x0)f(x)\le f(x_0)

可见取 x0+Δxu(x0)x_0+\Delta x\in u(x_0) 都有 f(x0+Δx)f(x0)f(x_0+\Delta x)\le f(x_0)

则有 f(x0)=limΔx0f(x0+Δx)f(x0)Δx0f'_-(x_0)={\lim_{\Delta x\rarr 0^-}\\}\dfrac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\ge 0

以及 f+(x0)=limΔx0+f(x0+Δx)f(x0)Δx0f'_+(x_0)={\lim_{\Delta x\rarr 0^+}\\}\dfrac{f(x_0+\Delta x)-f(x_0)}{\Delta x}\le 0

由于 f(x)f(x)x0x_0 处导数存在,则其左右导数相等。

0f(x0)=f(x0)=f+(x0)00\le f'_-(x_0)=f'(x_0)=f'_+(x_0)\le 0

f(x0)=0f'(x_0)=0

洛必达法则

极限值与 f(x)f(x)F(x)F(x)aa 处的连续性无关。

为求解极限值,不妨假设其连续,即取 f(a)=0f(a)=0F(a)=0F(a)=0

此时根据柯西不等式任取 xax\ne af(x)F(x)=f(x)f(a)F(x)F(a)=f(ξ)F(ξ)\dfrac{f'(x)}{F'(x)}=\dfrac{f(x)-f(a)}{F(x)-F(a)}=\dfrac{f(\xi)}{F(\xi)},其中 ξ(a,x)\xi\in(a,x)(或 ξ(x,a)\xi\in(x,a)

xax\rarr a,此时 ξx\xi\rarr x,则有 limxaf(x)F(x)=limxaf(ξ)F(ξ)=limxaf(x)F(x){\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f'(x)}{F'(x)}={\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f(\xi)}{F(\xi)}={\lim_{x\rarr a}\\}\dfrac{f(x)}{F(x)}

函数的单调性

曲率公式1

曲率 k=ΔαΔsk=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}

对于曲线 y=f(x)y=f(x),有 y=tanαy'=\tan\alpha

两侧对 xx 求导有 y=1cos2αΔαΔx=(1+tan2α)ΔαΔx=[1+(y)2]ΔαΔxy''=\dfrac{1}{\cos^2\alpha}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta x}=(1+\tan^2\alpha)\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta x}=[1+(y')^2]\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta x}

Δα=y1+(y)2Δx\Delta\alpha=\dfrac{y''}{1+(y')^2}\Delta x

由勾股定理,弧长 Δs2=Δx2+Δy2=Δx2+(yΔx)2=[1+(y)2]Δx2\Delta s^2=\Delta x^2+\Delta y^2=\Delta x^2+(y'\Delta x)^2=[1+(y')^2]\Delta x^2

Δs=[1+(y)2]12Δx\Delta s=[1+(y')^2]^\frac{1}{2}\Delta x

曲率 k=ΔαΔs=y1+(y)2Δx[1+(y)2]12Δx=y[1+(y)2]32k=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{\dfrac{y''}{1+(y')^2}\Delta x}{[1+(y')^2]^\frac{1}{2}\Delta x}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{y''}{[1+(y')^2]^\frac{3}{2}}\end{vmatrix}

曲率公式2

曲率 k=ΔαΔsk=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}

对于曲线 {y=y(t)x=x(t)\begin{cases}y=y(t)\\x=x(t)\end{cases},有 tanα(t)=yx\tan\alpha(t)=\dfrac{y'}{x'}。这里(下同)的 xx'yy'x(t)x'(t)y(t)y'(t)

α(t)=arctanyx\alpha(t)=\arctan\dfrac{y'}{x'}

α(t)=11+(yx)2×yxyx(x)2\alpha'(t)=\dfrac{1}{1+(\frac{y'}{x'})^2}\times\dfrac{y''x'-y'x''}{(x')^2}

另外 s(t)=[(x)2+(y)2]12s'(t)=[(x')^2+(y')^2]^\frac{1}{2}

k=ΔαΔs=α(t)s(t)=11+(yx)2×yxyx(x)2[(x)2+(y)2]12=yxyx[(x)2+(y)2]12k=\begin{vmatrix}\dfrac{\Delta\alpha}{\Delta s}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{\alpha'(t)}{s'(t)}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{\dfrac{1}{1+(\frac{y'}{x'})^2}\times\dfrac{y''x'-y'x''}{(x')^2}}{[(x')^2+(y')^2]^\frac{1}{2}}\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}\dfrac{y''x'-y'x''}{[(x')^2+(y')^2]^\frac{1}{2}}\end{vmatrix}

AM3 积分

AM3.1 不定积分

第一类换元积分法 结论1

cscxdx=1sinxdx=12sinx2cosx2dx=sec2x22tanxxdx=dtanx2tanx2=lntanx2\int\csc x\operatorname{dx}\\={\int\\}\dfrac{1}{\sin x}\operatorname{dx}\\={\int\\}\dfrac{1}{2\sin \frac{x}{2}\cos\frac{x}{2}}\operatorname{dx}\\={\int\\}\dfrac{\sec^2\frac{x}{2}}{2\tan\frac{x}{x}}\operatorname{dx}\\={\int\\}\dfrac{\operatorname{d\tan\frac{x}{2}}}{\tan\frac{x}2}\\=\ln\begin{vmatrix}\tan\frac{x}2\end{vmatrix}

AM 3.3 反常积分

一阶线性微分方程的解

一阶线性微分方程为 dydx+P(x)y=Q(x)\dfrac{\operatorname{dy} }{\operatorname{dx} }+P(x)y=Q(x)

y=ueP(x)dxy=ue^{-\int P(x)\operatorname{dx}},其中 uu 是关于 xx 的函数。

代入原式,得到 ueP(x)dxueP(x)dxP(x)+P(x)ueP(x)dx=Q(x)u'e^{-\int P(x)\operatorname{dx}}-ue^{-\int P(x)\operatorname{dx}}P(x)+P(x)ue^{-\int P(x)\operatorname{dx}}=Q(x)

ueP(x)dx=Q(x)u'e^{-\int P(x)\operatorname{dx}} = Q(x)

u=Q(x)eP(x)dxu'=Q(x)e^{\int P(x)\operatorname{dx}}

得到 u=Q(x)eP(x)dxdx+cu=\int Q(x)e^{\int P(x)\operatorname{dx}}\operatorname{dx} + c

从而,y=ueP(x)dx=eP(x)dx(Q(x)eP(x)dxdx+c)y=ue^{-\int P(x)\operatorname{dx}}=e^{-\int P(x)\operatorname{dx} }(\int Q(x)e^{\int P(x)\operatorname{dx}}\operatorname{dx}+c)

AM4 向量代数与空间解析几何

AM4.1 平面

点到平面的距离公式

若平面的一般方程为 Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0,则其法线向量 n=(A,B,C)\overrightarrow{n}=(A,B,C)

对于任意一点 P0=(x0,y0,z0)P_0=(x_0,y_0,z_0),记其与平面的距离为 dd

从平面上任取一点 P=(x,y,z)P=(x,y,z),可见 PP 满足 Ax+By+Cz+D=0Ax+By+Cz+D=0

做向量 PP0=(x0x.y0y,z0z)\overrightarrow{PP_0}=(x_0-x.y_0-y,z_0-z)

向量 PP0\overrightarrow{PP_0}n\overrightarrow{n} 的夹角 θ\thetacosθ=dPP0\cos\theta=\dfrac{d}{\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\end{vmatrix}}

d=PP0cosθ=PP0PP0nPP0n=PP0nn=A(x0x)+B(y0y)+C(z0z)A2+B2+C2d=\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\end{vmatrix}\cos\theta=\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\end{vmatrix}\dfrac{\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\bull\overrightarrow{n}\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\end{vmatrix}\begin{vmatrix}\overrightarrow{n}\end{vmatrix}}=\dfrac{\begin{vmatrix}\overrightarrow{PP_0}\bull\overrightarrow{n}\end{vmatrix}}{\begin{vmatrix}\overrightarrow{n}\end{vmatrix}}=\dfrac{A(x_0-x)+B(y_0-y)+C(z_0-z)}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}

由于 D=AxByCzD=-Ax-By-Cz,带入上式可得

d=Ax0+By0+Cz0+DA2+B2+C2d=\dfrac{Ax_0+By_0+Cz_0+D}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}

旋转曲面方程

假设母线为 Γ:{F1(x,y,z)=0F2(x,y,z)=0\Gamma:\begin{cases}F_1(x,y,z)=0\\F_2(x,y,z)=0\end{cases},旋转轴为直线 l:{x=x0+mty=y0+ntz=z0+ptl:\begin{cases}x=x_0+mt\\y=y_0+nt\\z=z_0+pt\end{cases}

记旋转轴的方向向量为 n=(m,n,p)n=(m,n,p)

Γ\Gamma 上任取一点 K=(xk,yk,zk)K=(x_k,y_k,z_k),从 ll 上任取一点 M=(x0,y0,z0)M=(x_0,y_0,z_0)

KK 点所在纬圆上任意一点 P=(x,y,z)P=(x,y,z) 满足:

  • PKn\overrightarrow{PK}\perp\overrightarrow{n}
  • PM=KM\begin{vmatrix}PM\end{vmatrix}=\begin{vmatrix}KM\end{vmatrix}

{m(xxk)+n(yyk)+p(zzk)=0(xx0)2+(yy0)2+(zz0)2=(xkx0)2+(yky0)2+(zkz0)2\begin{cases}m(x-x_k)+n(y-y_k)+p(z-z_k)=0\\(x-x_0)^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=(x_k-x_0)^2+(y_k-y_0)^2+(z_k-z_0)^2\end{cases}

KKΓ\Gamma 上一点,联立四式 {m(xxk)+n(yyk)+p(zzk)=0(xx0)2+(yy0)2+(zz0)2=(xkx0)2+(yky0)2+(zkz0)2F1(xk,yk,zk)=0F2(xk,yk,zk)=0\begin{cases}m(x-x_k)+n(y-y_k)+p(z-z_k)=0\\(x-x_0)^2+(y-y_0)^2+(z-z_0)^2=(x_k-x_0)^2+(y_k-y_0)^2+(z_k-z_0)^2\\F_1(x_k,y_k,z_k)=0\\F_2(x_k,y_k,z_k)=0\end{cases}

即可消去 xk,yk,zkx_k,y_k,z_k 从而得到旋转曲面方程 f(x,y,z)=0f(x,y,z)=0

特殊情况的公式

当母线 Γ\Gammayozyoz 平面上曲线,旋转轴为 zz 轴,此时有:

Γ:{x=0F(x,y,z)=0\Gamma:\begin{cases}x=0\\F(x,y,z)=0\end{cases} 以及 l:{x=0+0ty=0+0tz=z0+ptl:\begin{cases}x=0+0t\\y=0+0t\\z=z_0+pt\end{cases},其中 p0p\not=0

带入先前结论,有 {p(zzk)=0x2+y2+(zz0)2=yk2+(zkz0)2xk=0F(xk,yk,zk)=0\begin{cases}p(z-z_k)=0\\x^2+y^2+(z-z_0)^2=y_k^2+(z_k-z_0)^2\\x_k=0\\F(x_k,y_k,z_k)=0\end{cases}

前三个方程解得 {zk=zyk=±x2+y2xk=0\begin{cases}z_k=z\\y_k=\pm\sqrt{x^2+y^2}\\x_k=0\end{cases}

带入第四个方程 F(xk,yk,zk)=0F(x_k,y_k,z_k)=0

即有 F(±x2+y2,z)=0F(\pm\sqrt{x^2+y^2},z)=0

其余情况同理可证

AM5 多元函数

AM5.3 全微分

# 可微的必要条件

z=f(x, y)z=f(x,\ y) 在点 (x, y)(x,\ y) 处可微

Δz=f(x0+Δx, y0+Δy)f(x0, y0)=Δz=AΔx+BΔy+o(ρ)\Delta z=f(x_0+\Delta x,\ y_0+\Delta y)-f(x_0,\ y_0)=\Delta z=A\Delta x+B\Delta y+o(\rho)

Δy=0\Delta y=0,则 Δxz=AΔx+o(ρ)\Delta_xz=A\Delta x+o(\rho)

fx(x,y)=limx0ΔxzΔx=limx0AΔx+o(ρ)Δx=Af'_x(x,y)={\lim_{x\rarr 0}\\}\dfrac{\Delta_xz}{\Delta x}={\lim_{x\rarr 0}\\}\dfrac{A\Delta x+o(\rho)}{\Delta x}=A

同理可得 fy(x, y)=Bf'_y(x,\ y)=B

dz=AΔx+BΔy=fx(x, y)Δx+fy(x, y)Δy\operatorname{dz}=A\Delta x+B\Delta y=f'_x(x,\ y)\Delta x+f'_y(x,\ y)\Delta y

AM6 重积分

AM6.2 三重积分

# 三维空间曲面面积

对于三维空间曲面 z=f(x, y)z=f(x,\ y),在曲面上任取一小面 dAdA,则其在 xoyxoy 平面上的投影为 dσd\sigma

dAdAdσd\sigma 的夹角为 θ\theta,可见 dA=dσcosθdA=\dfrac{d\sigma}{\cos\theta}

dAdA 的法向量 a\overrightarrow{a}dσd\sigma 的法向量 n\overrightarrow{n},可见 a=(fx, fy, 1)\overrightarrow{a}=(f'_x,\ f'_y,\ -1)n=(0, 0, 1)\overrightarrow{n}=(0,\ 0,\ 1)

cosθ=anan=11+(fx)2+(fy)2\cos\theta=\dfrac{\left|\overrightarrow{a}\bull\overrightarrow{n}\right|}{\left|\overrightarrow{a}\right|\left|\overrightarrow{n}\right|}=\dfrac{1}{\sqrt{1+(f'_x)^2+(f'_y)^2}}

则曲面面积为 Ddσcosθ=D1+(fx)2+(fy)2 dσ{\iint\limits_D\\}\dfrac{d\sigma}{\cos\theta}={\iint\limits_D\\}\sqrt{1+(f'_x)^2+(f'_y)^2}\ d\sigma

AM7 无穷级数

AM7.2 交错级数

# 莱布尼茨定理

若交错级数 n=1(1)n1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}(-1)^{n-1}u_n 满足 unun+1u_n\ge u_{n+1}limnun=0\lim\limits_{n\rarr\infin}u_n=0

S2n=u1u2+u3u4++un1unS_{2n}=u_1-u_2+u_3-u_4+\ldots+u_{n-1}-u_n

由于 unun+1u_n\ge u_{n+1},可见 S2(n+1)S2n=u2n+1u2n+20S_{2(n+1)}-S_{2n}=u_{2n+1}-u_{2n+2}\ge 0,即 {S2n}\{S_{2n}\} 非递减

S2n=u1(u2u3)(u4u5)(un2un1)unS_{2n}=u_1-(u_2-u_3)-(u_4-u_5)-\ldots-(u_{n-2}-u_{n-1})-u_n

可见 S2nu1S_{2n}\le u_1,即 {S2n}\{S_{2n}\} 有界。记 limnS2n=S\lim\limits_{n\rarr\infin}S_{2n}=S

又因 limnS2n+1=limnS2n+u2n+1=S\lim\limits_{n\rarr\infin}S_{2n+1}=\lim\limits_{n\rarr\infin}S_{2n}+u_{2n+1}=S

limnSn=S\lim\limits_{n\rarr\infin}S_n=S,即交错级数 n=1(1)n1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}(-1)^{n-1}u_n 收敛

AM7.3 任意项级数

# 任意项级数定理

若绝对值级数 n=1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}\left|u_n\right| 收敛

vn=12(un+un)v_n=\dfrac12(u_n+\left| u_n\right|),有 0vnun0\le v_n\le u_n

此时 n=1vn{\sum\limits_{n=1}^\infin}v_n 收敛。由于 n=1un=n=12vnun{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n={\sum\limits_{n=1}^\infin}2v_n-\left| u_n\right|,故而任意项级数 n=1un{\sum\limits_{n=1}^\infin}u_n 收敛


<高等数学>证明集
https://i-melody.github.io/2023/04/22/高等数学/0 证明集/
作者
Melody
发布于
2023年4月22日
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