高数笔记03:几何、物理应用

 图源:文心一言

本文是我学习高等数学几何、物理应用的一些笔记和心得,希望可以与考研路上的小伙伴一起努力上岸~~

  • 第1版:查资料、画导图~

参考资料:《高等数学 基础篇》武忠祥


目录

目录

思维导图

向量代数

数量积【数字】

向量积【向量】

混合积【数字】

空间解析几何

平面空间与直线

曲面与空间曲线

积分学的几何应用

单积分、二重积分

三重积分

曲线积分

曲面积分

多元积分应用

场论初步

结语


思维导图

高数笔记03:几何、物理应用_第1张图片

  • 思维导图为整理武老师基础教材所列内容,时间关系有些仓促,请多包涵~
  • 博文后面会以大纲的形式复述一遍,面向复习,不会写得很详细,且可能有误;较为重要的内容有从网络找相关配图并给出大佬博文链接~

  • 向量代数

    • 数量积【数字】

      • 几何表示:a\cdot b=|a||b|cos\theta
      • 代数表示:a\cdot b=a_xb_x+a_yb_y+a_zb_z
      • 几何应用
        • 求夹角
        • 判定垂直

      高数笔记03:几何、物理应用_第2张图片

      图源:线性代数~数量积 - 知乎

    • 向量积【向量】

      • 几何表示
        • 模:|a\times b|=|a||b|sin\theta
        • 方向:右手法则
      • 代数表示:矩阵【首行基坐标,次行向量a的分量,尾行向量b的分量】

      高数笔记03:几何、物理应用_第3张图片

      图源:向量外积的坐标形式_向量外积的坐标表示-CSDN博客

      • 运算规律:a\times b = -b\times a【模不变,方向相反】
      • 几何应用
        • 求同时垂直于 a 和 b 的向量
        • 判定平行
        • 求以a和b为邻边的平行四边形的面积

      高数笔记03:几何、物理应用_第4张图片

      图源:向量的数量积与向量积 - 童趣PBL

    • 混合积【数字】

      • 几何表示:(a bc)=(a\times b)\cdot c
      • 代数表示:矩阵【首行向量a的分量,次行向量b的分量,尾行向量c的分量】

      高数笔记03:几何、物理应用_第5张图片

      图源:1272. 如何计算混合积?-高等数学-专业词典

      • 运算规律
        • 轮换对称性:(abc)=(bca)=(cab)
        • 交换变号:(abc)=-(acb)
        • 原理:矩阵交换1次行列变正负号
      • 几何应用
        • 求以a、b、c为邻边的平行六边体的面积
        • 求向量共面:(abc)=0【等式中任意两个向量平行,则3个向量必共面】

      高数笔记03:几何、物理应用_第6张图片

      图源:混合积的几何意义

  • 空间解析几何

    • 平面空间与直线

      • 概要
        • 平面方程
          • 一般式:
            • Ax+By+Cz+D=0
          • 点法式:平面上1点(x0,y0,z0)和法线向量(A,B,C)表示直线
            • A(x-x0)+B(y-y0)+C(z-z0)=0
          • 截距式:经过坐标轴的3个交点表示平面
            • x/a+y/b+z/c=1

          图源:平面方程_百度百科 (baidu.com)

        • 直线方程
          • 一般式:2个平面的交线表示直线
            • \left\{\begin{matrix} A_1x+B_1y+C_1z+D_1=0 \\ A_2x+B_2y+C_2z+D_2=0 \end{matrix}\right.
          • 对称式:直线上1点(x0,y0,z0)和方向向量(l,m,n)表示直线
            • \frac{x-x_0}{m}=\frac{y-y_0}{n}=\frac{z-z_0}{p}
          • 参数式:直线上1点(x0,y0,z0)和方向向量(l,m,n)表示直线
            • \left\{\begin{matrix} x=x_0+mt \\ y=y_0+nt \\ z=z_0+pt \end{matrix}\right.

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          图源:不可不知的——直线的参数方程 (qq.com)

        • 点到平面的距离

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          距离为M1M0在平面法向量的投影长度:

          代入点,M1与MO点乘为分子,M0满足平面方程化简,平面法向量的模为分母:

          图源:点到平面距离_百度百科 (baidu.com)

        • 点到直线的距离

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          平行四边形满足等式:

          S=|\vec{AB}\times\vec{S}|=d\cdot|\vec{S}|

          代入方向向量S(l,m,n),B(x1,x2,x3),A(x0,y0,z0),得

          d=\frac{\vec{AB}\times\vec{S}}{|\vec{S}|}=\frac{(x_1-x_0,y_1-y_0,z_1-z_0)\times(l,m,n)}{\sqrt{l^2+m^2+n^2}}

      • 题型
        • 求法向量、切线向量,建立平面与直线的方程
        • 求点到直线的距离
    • 曲面与空间曲线

      • 概要
        • 曲面方程
          • F(x,y,z) = 0
          • z=f(x,y)
        • 空间曲线
          • 参数式【螺线】

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          图源:确实没找到...

          • 一般式:2个曲面的交线表示空间曲线
            • \left\{\begin{matrix} F(x,y,z)=0 \\ G(x,y,z)=0 \end{matrix}\right.
        • 常见曲面
          • 旋转面:平面曲线绕平面直线旋转

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          • ​​​​​柱面:平行与定直线并沿定曲线移动的直线形成的轨迹

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            图源:抛物柱面函数 - 快懂百科

          • 二次曲面
            • 圆柱面 

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            • 圆锥面 

            • 旋转抛物面 

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            • 椭球面 

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             图源:【高等数学】九种标准二次曲面 - 知乎 (zhihu.com)

          • 空间曲线投影
            • 投影柱面:曲线一般式联立消去z,得到的二元方程即为母线为z轴的投影柱面
            • 投影平面:在投影柱面方程的基础上,增加限制条件 z = 0,检查其它变量的取值范围,即为曲线在xoy面的投影

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            图源:柱面坐标 - 搜狗百科 (sogou.com)

      • 题型

        • 曲面方程
          • 求柱面方程
          • 求旋转面方程
          • 求投影曲线方程
        • 解析几何
          • 曲面的切平面与法线,核心:求法向量
          • 曲线的切线与法平面,核心:求切向量

  • 积分学的几何应用

    • 单积分、二重积分

      • 概念
        • 平面图形的面积
          • 直角坐标 
            • S=\int_{a}^{b}\mathrm{d}x\int_{f(x)}^{g(x)}\mathrm{d}y=\int_{a}^{b} f(x)-g(x) \mathrm{d}x
          • 极坐标 
            • S=\int_{\alpha}^{\beta}\mathrm{d}\theta\int_{0}^{r(\theta)}r\mathrm{d}y=\frac{1}{2}\int_{\alpha}^{\beta}r^2(\theta) \mathrm{d}x
        • 旋转体体积
          • 绕x轴旋转V_x=\pi\int_{a}^{b}f^2(x)\mathrm{d}x ,其中体积微元\mathrm{d}v = 底面积\pi f^2(x) x 高\mathrm{d}x

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          图源:单变量微积分-第十六讲-积分的应用(一) - 知乎

          • 绕y轴旋转V_y=2\pi\int_{a}^{b}xf(x)\mathrm{d}x ,其中体积微元\mathrm{d}v = 环状窄带周长 2\pi xx 截面积f(x)\mathrm{d}x

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          图源:定积分的应用之 柱壳法求旋转体体积_-CSDN博客

          • 绕直线旋转V=2\pi\int\int_{D_xy}r(x,y)\mathrm{d}\sigma ,其中体积微元\mathrm{d}v =  = 环状窄带周长2\pi r(x,y) x 截面积\mathrm{d}\sigma,r(x,y)表示点到直线距离

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          图源:高等数学解题常用公式笔记总结

        • 曲线弧长:同对弧长的线积分
        • 旋转体侧面积
          • 绕x轴旋转S=2\pi\int_{a}^{b}f(x)\mathrm{d}s ,其中面积微元\mathrm{d}S = 环状窄带周长2\pi \mathrm{d}s x 高度f(x),ds=\sqrt{1+y'^2(x)}

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          图源:求曲线绕x轴旋转一周的旋转体的侧面积_360问答

      • 题型
        • 几何应用:
          • 定积分求面积
          • 绕轴旋转体积
        • 物理应用
          • 容积 = 底面积 x 高
            • 球1底面积\pi\times x^2,高度微元\mathrm{d}y
            • 球1体积微元\mathrm{d}v=\pi\times x^2\mathrm{d}y,积分域-1到1/2
            • 球1体积V=\pi\int_{-1}^{1/2} x^2\mathrm{d}y,代入圆的公式x^2+y^2=1,得V=\pi\int_{-1}^{1/2} 1-y^2\mathrm{d}y
            • 球2与球1体积相等,球1体积×2即为所求

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          • ​​​​​​​​​做功 = 力 x 距离
            • ​​​​​​​球1受力微元\rho g\mathrm{d}v=\rho g(\pi\times x^2\mathrm{d}y),距离2-y;​​​​​​​
            • 球1做功微元\mathrm{d}w=\rho g\pi\times (1-y^2)\mathrm(2-y){d}y
            • 以上,球1区域做功W=\rho g\pi\int_{-1}^{1/2} (1-y^2)\mathrm(2-y)\mathrm{d}y
            • 同理,球2区域做功W=\rho g\pi\int_{1/2}^{2} (2y-y^2)\mathrm(2-y)\mathrm{d}y

            高数笔记03:几何、物理应用_第22张图片

          • 压强 = 压力 x 面积
            • ​​​​​​​区域1压力:\rho gH=\rho g(h+1-y),区域1面积2 \times \mathrm{d}y
            • ​​​​​​​区域1压强微元:\mathrm{d}p=\rho g(h+1-y)\times2\mathrm{d}y
            • ​​​​​​​区域1压强:P=2\rho g\int_{1}^{h+1} (h+1-y)\mathrm{d}y
            • ​​​​​​​区域2压力:\rho gH=\rho g(h+1-y),区域2面积2x\mathrm{d}y
            • ​​​​​​​区域2压强微元:\mathrm{d}p=\rho g(h+1-y)\times2\sqrt{y}\mathrm{d}y
            • ​​​​​​​区域2压强:P=2\rho g\int_{0}^{1} (h+1-y)\sqrt{y}\mathrm{d}y

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    • 三重积分

      • 简述:区域点的函数值 x 体积微元,累加求和
      • 性质
        • 奇偶性、轮换对称性
        • 不等式性质
        • 积分中值定理
      • 计算
        • 先一后二
          • 计算
            • 作垂直于z轴的直线,穿过封闭底面z1(x,y)与顶面z2(x,y),即z的积分上下限是x,y的函数
            • 先计算有关z的积分,再转化为求x,y的二重积分
          • 适合坐标
            • 印象中比较万能...

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          \iiint_{\Omega } z\mathrm{d}v=\iint_{x^2+y^2\le 1/2} \mathrm{d}x\mathrm{d}y\int_{\sqrt{x^2+y^2}}^{\sqrt{1-x^2-y^2}}z\mathrm{d}z

        • 先二后一
          • 计算
            • 作平行于z轴的截面,得到封闭曲线,即z的积分上下限是常数
            • 先计算有关x,y的二重积分,再转化为求z的单积分
          • 适合坐标
            • 被积函数:f(x,y,z)=\phi(z),这一步可能需要借助奇偶性、对称性转换得到
            • 积分域:D_z面积较为规则,方便计算

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          \iiint_{\Omega } z\mathrm{d}v=\int_{0}^{1/\sqrt2}z\mathrm{d}z \iint_{x^2+y^2\le z^2} \mathrm{d}x\mathrm{d} y+\int_{1/\sqrt2}^{1}z\mathrm{d}z \iint_{x^2+y^2\le 1-z^2} \mathrm{d}x\mathrm{d} y

        • 柱坐标
          • 与直角坐标的关系
            • 坐标
              • x=rcos\theta
              • y = rsin\theta
              • z=z
            • 体积微元
              • dv = rdr d\phi dz
          • 适合坐标
            • 被积函数:f(x,y,z)=\phi(z)g(\sqrt{x^2+y^2})
            • 积分域:柱面、锥面

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          \iiint_{\Omega } z\mathrm{d}v=\int_{0}^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{0}^{1/\sqrt2} \mathrm{d}r\int_{r}^{\sqrt{1-r^2}} zr\mathrm{d} r

        • 球坐标
          • 与直角坐标的关系
            • 坐标
              • x=rsin\phi cos\theta
              • y = rsin\phi sin\theta
              • z=rcos\phi
            • 体积微元
              • dv = r^2sin\phi dr d\phi d\theta
          • 适合坐标
            • 被积函数:f(\sqrt{x^2+y^2+z^2})
            • 积分域:球面、球壳、锥面

          高数笔记03:几何、物理应用_第27张图片

          \iiint_{\Omega } z\mathrm{d}v=\int_{0}^{2\pi}\mathrm{d}\theta \int_{0}^{\pi/4} \mathrm{d}\phi\int_{0}^{1} r\cos\phi r^2\sin\phi\mathrm{d} r

    • 曲线积分

      • 对弧长的线积分
        • 简述:函数值 x 弧长微元,累加求和
        • 计算方法
          • 直接法
            • 体积微元
              • 参数方程:ds=\sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)}
              • 直角坐标:ds=\sqrt{1+y'^2(x)}
              • 极坐标:ds=\sqrt{r^2+r'^2}
            • 积分域:从小到大【与方向无关,要求结果是正数】
          • 奇偶性【x轴、y轴】
          • 对称性【直线y=x】

        高数笔记03:几何、物理应用_第28张图片

        图源:【高等数学】定积分元素法及应用(待续) - 知乎

      • 对坐标的线积分
        • 简述:函数值 x 有向线段的投影,累加求和
        • 计算方法
          • 直接法
            • 被积函数:代入直角坐标,或极坐标、参数方程
            • 积分域:从起点到终点【与方向有关,逆时针为正向】
          • 格林公式
            • 要求
              • 闭区域由分段光滑曲线围成
              • 被积函数在积分域上有一节连续偏导数
            • 作用:平面坐标的线积分转化为二重积分

          高数笔记03:几何、物理应用_第29张图片

          图源:格林公式 - 搜狗百科

          • 斯托克斯公式
            • 要求
              • 闭区域由空间分段光滑曲线围成,方向符合右手法则
              • 被积函数在积分域上有一节连续偏导数
            • 作用:空间坐标的线积分转化为二重积分

          高数笔记03:几何、物理应用_第30张图片

          图源:斯托克斯公式的意义? - 知乎

          高数笔记03:几何、物理应用_第31张图片

          图源:怎么记住斯托克斯公式(Stokes' theorem)? - 知乎

        • 方法选择
          • 曲线L是否封闭?
            • 是:格林【平面】/ 斯托克斯【空间】
            • 否:是否与路径无关?
                • 改换路径【一般选择平行坐标轴】
                • 寻找原函数【偏积分、凑微分】
                • 直接法【注意方向】
                • 补线使用公式
      • 两类线积分的关系
        • 对弧长的线积分 x 曲线在切线方向的余弦 = 对坐标的线积分

        高数笔记03:几何、物理应用_第32张图片

        图源:多元微积分——  知乎

    • 曲面积分

      • 对面积的面积分
        • 简述:函数值 x 面积微元,累加求和
        • 计算方法
          • 直接法
            • 体积微元:ds=\sqrt{1+(z_x')^2+(z_y')^2}
            • 积分域:从小到大【与方向无关,要求结果是正数】
          • 奇偶性【x轴、y轴】
          • 轮换对称性
      • 对坐标的面积分
        • 简述:函数值 x 有向投影域面积,累加求和
        • 计算方法
          • 直接法
            • 被积函数:代入直角坐标y=f(x),或极坐标、参数方程
            • 积分域:从起点到终点【与方向有关,上、前、右侧为正向】
          • 高斯公式
            • 要求
              • 闭区域由分段光滑曲线围成
              • 被积函数在积分域上有一节连续偏导数
            • 作用:空间坐标的面积分转化为三重积分

          图源:高斯公式 - Bing

        • 方法选择
          • 曲面是否封闭且不存在奇点?
            • 是:高斯公式
              • 直接法【注意方向】
              • 补面【不封闭】或作辅助面【存在奇点】使用公式
      • 两类面积分的关系
        • 对面积的面积分 x 曲面在切线方向的余弦 = 对坐标的面积分
    • 多元积分应用

      • 概要
        • 平板面【二重积分】
          • 面积
            • 被积函数:1
          • 质量
            • 被积函数:\rho(x,y)
          • 质心
            • 被积函数:\frac{x\rho(x,y)}{\rho(x,y)}
          • 转动惯量
            • 被积函数:y^2\rho(x,y)【对y轴】
        • 推广
          • 空间体【三重积分】
          • 曲线【一型线积分】
          • 曲面【一型面积分】
        • 变力做功【二型线积分】
        • 通量【二型面积分】
      • 题型
        • 形心
        • 质心
        • 变力做功

  • 场论初步

    • 方向导数:函数在某点对指定方向求导的结果
    • 梯度:函数在这点方向导数最大的方向
    • 散度:向量场在某点吸收或散发通量的大小
    • 旋度:向量场对某点微元造成的旋转程度

    详见大佬博文【我实在是打不动公式了...】微积分-13.场论初步 - 知乎 (zhihu.com)


结语

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