江西省2026年专升本高等数学备考复习知识点总结

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江西省2026年专升本高等数学备考复习知识点总结

目录


第一部分:函数、极限和连续

一、函数

1.1 函数的基本概念

定义:设 DD 是一个非空实数集,如果存在对应法则 ff,使得对任意 xDx \in D,都有唯一确定的实数 yy 与之对应,则称 yyxx 的函数,记作 y=f(x)y = f(x)

要素

  • 定义域 DD
  • 对应法则 ff
  • 值域 Rf={yy=f(x),xD}R_f = \{y | y = f(x), x \in D\}

1.2 函数的性质

性质定义判定方法
单调性若对任意 x1<x2x_1 < x_2,都有 f(x1)<f(x2)f(x_1) < f(x_2),则称 f(x)f(x) 单调递增导数符号:f(x)>0f'(x) > 0 单调递增
奇偶性f(x)=f(x)f(-x) = f(x) 为偶函数;f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) 为奇函数验证等式成立
有界性若存在 M>0M > 0,使 f(x)M\lvert f(x)\rvert \le M,则称 f(x)f(x) 有界利用不等式或最值

| 周期性 | 若存在 T>0T > 0,使 f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x),则称 f(x)f(x) 为周期函数 | 验证周期等式 |

1.3 基本初等函数

1.4 函数的运算

四则运算(f±g)(x)=f(x)±g(x)(f \pm g)(x) = f(x) \pm g(x)(fg)(x)=f(x)g(x)(f \cdot g)(x) = f(x) \cdot g(x)

复合运算:若 y=f(u)y = f(u)u=g(x)u = g(x),则 y=f[g(x)]y = f[g(x)] 称为复合函数

反函数:若 y=f(x)y = f(x)DD 上严格单调,则存在反函数 x=f1(y)x = f^{-1}(y)

【例题1】

题目:求函数 y=4x2+ln(x1)y = \sqrt{4 - x^2} + \ln(x - 1) 的定义域。

: 要使函数有意义,需满足:

{4x20x1>0\begin{cases} 4 - x^2 \geq 0 \\ x - 1 > 0 \end{cases}

解得:

{2x2x>1\begin{cases} -2 \leq x \leq 2 \\ x > 1 \end{cases}

因此定义域为 D=(1,2]D = (1, 2]


【例题2】

题目:判断函数 f(x)=exex2f(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{2} 的奇偶性。

f(x)=exex2=exex2=f(x)f(-x) = \frac{e^{-x} - e^{x}}{2} = -\frac{e^{x} - e^{-x}}{2} = -f(x)

因此 f(x)f(x)奇函数


二、极限

2.1 极限的基本概念

函数极限定义:设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某去心邻域内有定义,如果存在常数 AA,使得对于任意给定的 ε>0\varepsilon > 0,总存在 δ>0\delta > 0,当 0<xx0<δ0 < |x - x_0| < \delta 时,都有 f(x)A<ε|f(x) - A| < \varepsilon,则称 AAf(x)f(x)xx0x \to x_0 时的极限,记作 limxx0f(x)=A\lim_{x \to x_0} f(x) = A

2.2 极限的运算法则

四则运算法则:若 limf(x)=A\lim f(x) = Alimg(x)=B\lim g(x) = B,则:

运算法则
加法lim[f(x)±g(x)]=A±B\lim [f(x) \pm g(x)] = A \pm B
乘法lim[f(x)g(x)]=AB\lim [f(x) \cdot g(x)] = A \cdot B
除法limf(x)g(x)=AB\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \frac{A}{B}B0B \neq 0
幂运算lim[f(x)]n=An\lim [f(x)]^n = A^n

2.3 两个重要极限

重要极限(必须熟记)

以下两个极限是考试的重点,需要熟练掌握并能灵活运用。

重要极限 I

limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

重要极限 II

limx(1+1x)x=elimx0(1+x)1x=e\lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x}\right)^x = e \quad \text{或} \quad \lim_{x \to 0} (1 + x)^{\frac{1}{x}} = e使用技巧

2.4 无穷小与无穷大

无穷小:若 limα(x)=0\lim \alpha(x) = 0,则称 α(x)\alpha(x) 为无穷小量。

无穷小的比较

  • limαβ=0\lim \frac{\alpha}{\beta} = 0,则 α\alpha 是比 β\beta 高阶的无穷小,记作 α=o(β)\alpha = o(\beta)
  • limαβ=1\lim \frac{\alpha}{\beta} = 1,则 α\alphaβ\beta 是等价无穷小,记作 αβ\alpha \sim \beta
  • limαβ=c0\lim \frac{\alpha}{\beta} = c \neq 0,则 α\alphaβ\beta 是同阶无穷小

常用等价无穷小(当 x0x \to 0 时):

sinxx,tanxx,arcsinxx,arctanxx\sin x \sim x, \quad \tan x \sim x, \quad \arcsin x \sim x, \quad \arctan x \sim x1cosx12x2,ln(1+x)x,ex1x,(1+x)α1αx1 - \cos x \sim \frac{1}{2}x^2, \quad \ln(1 + x) \sim x, \quad e^x - 1 \sim x, \quad (1 + x)^\alpha - 1 \sim \alpha x

等价无穷小代换注意事项

等价无穷小代换只能用于乘除法,不能用于加减法

记忆技巧

【例题3】

题目:求极限 limx01cos2xxsin3x\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos 2x}{x \cdot \sin 3x}

:使用等价无穷小代换

limx01cos2xxsin3x=limx012(2x)2x3x=limx02x23x2=23\begin{aligned} \lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos 2x}{x \cdot \sin 3x} &= \lim_{x \to 0} \frac{\frac{1}{2}(2x)^2}{x \cdot 3x} \\ &= \lim_{x \to 0} \frac{2x^2}{3x^2} \\ &= \frac{2}{3} \end{aligned}

【例题4】

题目:求极限 limx(2x+32x+1)x+1\lim_{x \to \infty} \left(\frac{2x + 3}{2x + 1}\right)^{x+1}

:利用重要极限

limx(2x+32x+1)x+1=limx(1+22x+1)x+1=limx(1+1x+12)x+1=limx[(1+1x+12)x+12]x+1x+12=e1=e\begin{aligned} \lim_{x \to \infty} \left(\frac{2x + 3}{2x + 1}\right)^{x+1} &= \lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{2}{2x + 1}\right)^{x+1} \\ &= \lim_{x \to \infty} \left(1 + \frac{1}{x + \frac{1}{2}}\right)^{x+1} \\ &= \lim_{x \to \infty} \left[\left(1 + \frac{1}{x + \frac{1}{2}}\right)^{x+\frac{1}{2}}\right]^{\frac{x+1}{x+\frac{1}{2}}} \\ &= e^1 = e \end{aligned}

三、连续

3.1 连续的定义

函数在一点连续:设函数 f(x)f(x) 在点 x0x_0 的某邻域内有定义,若 limxx0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0),则称 f(x)f(x) 在点 x0x_0 处连续。

连续的三个条件

  1. f(x0)f(x_0) 存在
  2. limxx0f(x)\lim_{x \to x_0} f(x) 存在
  3. limxx0f(x)=f(x0)\lim_{x \to x_0} f(x) = f(x_0)

3.2 间断点的分类

间断点分类口诀

第一类:左右极限都存在(可去、跳跃) 第二类:至少一侧极限不存在(无穷、振荡)

类型定义特点
可去间断点limxx0f(x)\lim_{x \to x_0} f(x) 存在但不等于 f(x0)f(x_0)f(x0)f(x_0) 不存在左右极限相等
跳跃间断点limxx0f(x)\lim_{x \to x_0^-} f(x)limxx0+f(x)\lim_{x \to x_0^+} f(x) 都存在但不相等左右极限不相等
无穷间断点limxx0f(x)=\lim_{x \to x_0} f(x) = \infty至少一侧极限为无穷
振荡间断点极限不存在且不为无穷函数值在有限范围内振荡

3.3 闭区间上连续函数的性质

定理内容
最值定理闭区间上连续函数必有最大值和最小值
介值定理f(x)f(x)[a,b][a, b] 上连续,且 f(a)f(b)<0f(a) \cdot f(b) < 0,则至少存在一点 ξ(a,b)\xi \in (a, b),使 f(ξ)=0f(\xi) = 0
零点定理介值定理的特例

【例题5】

题目:讨论函数 f(x)=x21x1f(x) = \frac{x^2 - 1}{x - 1}x=1x = 1 处的连续性,若不连续,指出间断点类型。

limx1x21x1=limx1(x1)(x+1)x1=limx1(x+1)=2\lim_{x \to 1} \frac{x^2 - 1}{x - 1} = \lim_{x \to 1} \frac{(x-1)(x+1)}{x - 1} = \lim_{x \to 1} (x + 1) = 2

f(1)f(1) 无定义,所以 x=1x = 1 是间断点。

由于 limx1f(x)\lim_{x \to 1} f(x) 存在(等于2),所以 x=1x = 1可去间断点


【例题6】

题目:证明方程 x34x2+1=0x^3 - 4x^2 + 1 = 0 在区间 (0,1)(0, 1) 内至少有一个实根。

:设 f(x)=x34x2+1f(x) = x^3 - 4x^2 + 1

由于 f(x)f(x) 是多项式函数,在 [0,1][0, 1] 上连续。

计算端点值:

f(0)=034×02+1=1>0f(0) = 0^3 - 4 \times 0^2 + 1 = 1 > 0f(1)=134×12+1=14+1=2<0f(1) = 1^3 - 4 \times 1^2 + 1 = 1 - 4 + 1 = -2 < 0

由于 f(0)f(1)=1×(2)=2<0f(0) \cdot f(1) = 1 \times (-2) = -2 < 0

根据零点定理,在 (0,1)(0, 1) 内至少存在一点 ξ\xi,使 f(ξ)=0f(\xi) = 0,即方程在 (0,1)(0, 1) 内至少有一个实根。


第二部分:一元函数微分学及其应用

一、导数与微分

1.1 导数的定义

定义:设函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 的某邻域内有定义,当自变量 xxx0x_0 处取得增量 Δx\Delta x 时,相应地函数取得增量 Δy=f(x0+Δx)f(x0)\Delta y = f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)。如果 Δy\Delta yΔx\Delta x 之比当 Δx0\Delta x \to 0 时的极限存在,则称函数 y=f(x)y = f(x) 在点 x0x_0 处可导,并称这个极限值为函数在点 x0x_0 处的导数。

f(x0)=limΔx0ΔyΔx=limΔx0f(x0+Δx)f(x0)Δx=limxx0f(x)f(x0)xx0f'(x_0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{\Delta y}{\Delta x} = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{f(x_0 + \Delta x) - f(x_0)}{\Delta x} = \lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0}

1.2 导数的几何意义

导数 f(x0)f'(x_0) 表示曲线 y=f(x)y = f(x) 在点 (x0,f(x0))(x_0, f(x_0)) 处的切线斜率

切线方程yf(x0)=f(x0)(xx0)y - f(x_0) = f'(x_0)(x - x_0)

法线方程yf(x0)=1f(x0)(xx0)y - f(x_0) = -\frac{1}{f'(x_0)}(x - x_0) (当 f(x0)0f'(x_0) \neq 0 时)

1.3 基本导数公式

函数导数函数导数
CC(常数)00axa^xaxlnaa^x \ln a
xnx^nnxn1nx^{n-1}exe^xexe^x
sinx\sin xcosx\cos xlogax\log_a x1xlna\frac{1}{x \ln a}
cosx\cos xsinx-\sin xlnx\ln x1x\frac{1}{x}
tanx\tan xsec2x\sec^2 xarcsinx\arcsin x11x2\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}
cotx\cot xcsc2x-\csc^2 xarccosx\arccos x11x2-\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}
secx\sec xsecxtanx\sec x \tan xarctanx\arctan x11+x2\frac{1}{1 + x^2}
cscx\csc xcscxcotx-\csc x \cot xarccotx\operatorname{arccot} x11+x2-\frac{1}{1 + x^2}
记忆口诀

1.4 求导法则

四则运算

  • (u±v)=u±v(u \pm v)' = u' \pm v'
  • (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv'
  • (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v}\right)' = \frac{u'v - uv'}{v^2}

复合函数求导(链式法则): 若 y=f(u)y = f(u)u=g(x)u = g(x),则

dydx=dydududx\frac{dy}{dx} = \frac{dy}{du} \cdot \frac{du}{dx}

1.5 高阶导数

定义:导数的导数称为二阶导数,记作 f(x)f''(x)d2ydx2\frac{d^2y}{dx^2}

常见函数的高阶导数

  • (xn)(n)=n!(x^n)^{(n)} = n!
  • (ex)(n)=ex(e^x)^{(n)} = e^x
  • (sinx)(n)=sin(x+nπ2)(\sin x)^{(n)} = \sin\left(x + \frac{n\pi}{2}\right)
  • (cosx)(n)=cos(x+nπ2)(\cos x)^{(n)} = \cos\left(x + \frac{n\pi}{2}\right)

【例题7】

题目:求函数 y=ln(x+1+x2)y = \ln(x + \sqrt{1 + x^2}) 的导数。

:使用链式法则

y=1x+1+x2(1+2x21+x2)=1x+1+x2(1+x1+x2)=1x+1+x21+x2+x1+x2=11+x2\begin{aligned} y' &= \frac{1}{x + \sqrt{1 + x^2}} \cdot \left(1 + \frac{2x}{2\sqrt{1 + x^2}}\right) \\ &= \frac{1}{x + \sqrt{1 + x^2}} \cdot \left(1 + \frac{x}{\sqrt{1 + x^2}}\right) \\ &= \frac{1}{x + \sqrt{1 + x^2}} \cdot \frac{\sqrt{1 + x^2} + x}{\sqrt{1 + x^2}} \\ &= \frac{1}{\sqrt{1 + x^2}} \end{aligned}

【例题8】

题目:求曲线 y=x33x+2y = x^3 - 3x + 2 在点 (2,4)(2, 4) 处的切线方程和法线方程。

:先求导数

y=3x23y' = 3x^2 - 3

x=2x = 2 处:

k=yx=2=3×223=123=9k_{\text{切}} = y'|_{x=2} = 3 \times 2^2 - 3 = 12 - 3 = 9

切线方程:

y4=9(x2)y=9x14y - 4 = 9(x - 2) \Rightarrow y = 9x - 14

法线斜率:

k=1k=19k_{\text{法}} = -\frac{1}{k_{\text{切}}} = -\frac{1}{9}

法线方程:

y4=19(x2)9y36=x+2x+9y38=0y - 4 = -\frac{1}{9}(x - 2) \Rightarrow 9y - 36 = -x + 2 \Rightarrow x + 9y - 38 = 0

二、微分中值定理与导数的应用

2.1 微分中值定理

罗尔定理:若函数 f(x)f(x) 满足:

  1. [a,b][a, b] 上连续
  2. (a,b)(a, b) 内可导
  3. f(a)=f(b)f(a) = f(b)

则在 (a,b)(a, b) 内至少存在一点 ξ\xi,使 f(ξ)=0f'(\xi) = 0

拉格朗日中值定理:若函数 f(x)f(x) 满足:

  1. [a,b][a, b] 上连续
  2. (a,b)(a, b) 内可导

则在 (a,b)(a, b) 内至少存在一点 ξ\xi,使

f(ξ)=f(b)f(a)baf'(\xi) = \frac{f(b) - f(a)}{b - a}

2.2 洛必达法则

适用类型00\frac{0}{0} 型、\frac{\infty}{\infty} 型未定式

法则:若 limf(x)g(x)\lim \frac{f(x)}{g(x)}00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 型,且 f(x)f'(x)g(x)g'(x) 存在,g(x)0g'(x) \neq 0,则

limf(x)g(x)=limf(x)g(x)\lim \frac{f(x)}{g(x)} = \lim \frac{f'(x)}{g'(x)}

洛必达法则使用注意事项

  1. 必须是 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 型未定式
  2. 每次使用前都要检查是否仍为未定式
  3. 若导数之比的极限不存在,不能说明原极限不存在
  4. 可与其他方法(如等价无穷小)结合使用

其他未定式\infty - \infty00 \cdot \infty000^011^\infty0\infty^0 型可通过变形转化为 00\frac{0}{0}\frac{\infty}{\infty} 型。

2.3 函数的单调性与极值

单调性判定

  • f(x)>0f'(x) > 0,则 f(x)f(x) 单调递增
  • f(x)<0f'(x) < 0,则 f(x)f(x) 单调递减

极值的判定

必要条件充分条件(第一充分条件)充分条件(第二充分条件)
x0x_0 是极值点,则 f(x0)=0f'(x_0) = 0f(x0)f'(x_0) 不存在f(x)f'(x)x0x_0 两侧变号f(x0)=0f'(x_0) = 0f(x0)0f''(x_0) \neq 0

极值判定流程

2.4 曲线的凹凸性与拐点

凹凸性判定

  • f(x)>0f''(x) > 0,则曲线是凹的(向上凸)
  • f(x)<0f''(x) < 0,则曲线是凸的(向下凸)

拐点:曲线凹凸性的分界点

拐点求法

  1. f(x)f''(x)
  2. 求使 f(x)=0f''(x) = 0f(x)f''(x) 不存在的点
  3. 检查这些点两侧 f(x)f''(x) 是否变号

【例题9】

题目:求极限 limx0ex1xx2\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1 - x}{x^2}

:使用洛必达法则

limx0ex1xx2=limx0ex12x=limx0ex2=12\lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1 - x}{x^2} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{2x} = \lim_{x \to 0} \frac{e^x}{2} = \frac{1}{2}

【例题10】

题目:求函数 f(x)=x33x29x+5f(x) = x^3 - 3x^2 - 9x + 5 的单调区间、极值及拐点。

  1. 求导数
f(x)=3x26x9=3(x22x3)=3(x+1)(x3)f'(x) = 3x^2 - 6x - 9 = 3(x^2 - 2x - 3) = 3(x + 1)(x - 3)f(x)=6x6=6(x1)f''(x) = 6x - 6 = 6(x - 1)
  1. 求驻点:f(x)=0f'(x) = 0x=1x = -1x=3x = 3
  2. 列表判断:
xx(,1)(-\infty, -1)1-1(1,3)(-1, 3)33(3,+)(3, +\infty)
f(x)f'(x)++00-00++
f(x)f(x)递增极大值递减极小值递增
  1. 极值:
  • 极大值:f(1)=(1)33(1)29(1)+5=13+9+5=10f(-1) = (-1)^3 - 3(-1)^2 - 9(-1) + 5 = -1 - 3 + 9 + 5 = 10
  • 极小值:f(3)=333×329×3+5=272727+5=22f(3) = 3^3 - 3 \times 3^2 - 9 \times 3 + 5 = 27 - 27 - 27 + 5 = -22
  1. 拐点: f(x)=0f''(x) = 0x=1x = 1
  • x<1x < 1 时,f(x)<0f''(x) < 0,曲线凸
  • x>1x > 1 时,f(x)>0f''(x) > 0,曲线凹

因此拐点为 (1,f(1))=(1,139+5)=(1,6)(1, f(1)) = (1, 1 - 3 - 9 + 5) = (1, -6)


第三部分:一元函数积分学及其应用

一、不定积分

1.1 原函数与不定积分

原函数定义:若 F(x)=f(x)F'(x) = f(x),则称 F(x)F(x)f(x)f(x) 的一个原函数。

不定积分定义:若 F(x)F(x)f(x)f(x) 的一个原函数,则 f(x)f(x) 的所有原函数 F(x)+CF(x) + C 称为 f(x)f(x) 的不定积分,记作

f(x)dx=F(x)+C\int f(x)dx = F(x) + C

1.2 基本积分公式

被积函数积分结果被积函数积分结果
0dx\int 0 dxCCxndx\int x^n dxxn+1n+1+C\frac{x^{n+1}}{n+1} + C (n1n \neq -1)
1xdx\int \frac{1}{x} dxlnx+C\ln \|x\| + Caxdx\int a^x dxaxlna+C\frac{a^x}{\ln a} + C
exdx\int e^x dxex+Ce^x + Csinxdx\int \sin x dxcosx+C-\cos x + C
cosxdx\int \cos x dxsinx+C\sin x + Csec2xdx\int \sec^2 x dxtanx+C\tan x + C
csc2xdx\int \csc^2 x dxcotx+C-\cot x + Csecxtanxdx\int \sec x \tan x dxsecx+C\sec x + C
cscxcotxdx\int \csc x \cot x dxcscx+C-\csc x + C11+x2dx\int \frac{1}{1 + x^2} dxarctanx+C\arctan x + C
11x2dx\int \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} dxarcsinx+C\arcsin x + Ctanxdx\int \tan x dxlncosx+C-\ln \|\cos x\| + C
cotxdx\int \cot x dxlnsinx+C\ln \|\sin x\| + C
记忆口诀

1.3 积分方法

第一换元法(凑微分法)

f[φ(x)]φ(x)dx=f[φ(x)]dφ(x)=F[φ(x)]+C\int f[\varphi(x)]\varphi'(x)dx = \int f[\varphi(x)]d\varphi(x) = F[\varphi(x)] + C

第二换元法:设 x=φ(t)x = \varphi(t),则

f(x)dx=f[φ(t)]φ(t)dt\int f(x)dx = \int f[\varphi(t)]\varphi'(t)dt

常用三角代换

  • a2x2\sqrt{a^2 - x^2}:令 x=asintx = a \sin t
  • a2+x2\sqrt{a^2 + x^2}:令 x=atantx = a \tan t
  • x2a2\sqrt{x^2 - a^2}:令 x=asectx = a \sec t

分部积分法

udv=uvvdu\int u dv = uv - \int v du

分部积分 u 的选择顺序

反、对、幂、三、指 顺序选择 uu

  • 反三角函数(优先)
  • 对数函数
  • 幂函数
  • 三角函数
  • 指数函数(最后)

选择原则:按"反、对、幂、三、指"顺序选择 uu(反三角函数、对数函数、幂函数、三角函数、指数函数)

【例题11】

题目:求不定积分 xlnxdx\int x \ln x dx

:使用分部积分法 设 u=lnxu = \ln xdv=xdxdv = x dxdu=1xdxdu = \frac{1}{x}dxv=12x2v = \frac{1}{2}x^2

xlnxdx=uvvdu=12x2lnx12x21xdx=12x2lnx12xdx=12x2lnx14x2+C\begin{aligned} \int x \ln x dx &= uv - \int v du \\ &= \frac{1}{2}x^2 \ln x - \int \frac{1}{2}x^2 \cdot \frac{1}{x}dx \\ &= \frac{1}{2}x^2 \ln x - \frac{1}{2}\int x dx \\ &= \frac{1}{2}x^2 \ln x - \frac{1}{4}x^2 + C \end{aligned}

【例题12】

题目:求不定积分 1x+x3dx\int \frac{1}{\sqrt{x} + \sqrt[3]{x}} dx

:使用第二换元法 令 t=x6t = \sqrt[6]{x},则 x=t6x = t^6dx=6t5dtdx = 6t^5 dt

1x+x3dx=1t3+t26t5dt=6t5t2(t+1)dt=6t3t+1dt=6(t2t+11t+1)dt=6(t33t22+tlnt+1)+C=2t33t2+6t6lnt+1+C=2x3x3+6x66lnx6+1+C\begin{aligned} \int \frac{1}{\sqrt{x} + \sqrt[3]{x}} dx &= \int \frac{1}{t^3 + t^2} \cdot 6t^5 dt \\ &= 6\int \frac{t^5}{t^2(t + 1)} dt \\ &= 6\int \frac{t^3}{t + 1} dt \\ &= 6\int \left(t^2 - t + 1 - \frac{1}{t + 1}\right) dt \\ &= 6\left(\frac{t^3}{3} - \frac{t^2}{2} + t - \ln |t + 1|\right) + C \\ &= 2t^3 - 3t^2 + 6t - 6\ln |t + 1| + C \\ &= 2\sqrt{x} - 3\sqrt[3]{x} + 6\sqrt[6]{x} - 6\ln |\sqrt[6]{x} + 1| + C \end{aligned}

二、定积分

2.1 定积分的概念

定义:设函数 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上有界,将 [a,b][a, b] 分成 nn 个小区间,取每个小区间上任意一点 ξi\xi_i,作和式 i=1nf(ξi)Δxi\sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\Delta x_i。当最大小区间长度 λ0\lambda \to 0 时,若此和式极限存在,则称此极限值为 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上的定积分,记作

abf(x)dx=limλ0i=1nf(ξi)Δxi\int_a^b f(x)dx = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\Delta x_i

2.2 牛顿-莱布尼茨公式

abf(x)dx=F(b)F(a)=F(x)ab\int_a^b f(x)dx = F(b) - F(a) = F(x)\Big|_a^b

其中 F(x)F(x)f(x)f(x) 的一个原函数。

2.3 定积分的性质

性质公式
区间可加性abf(x)dx=acf(x)dx+cbf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx = \int_a^c f(x)\,dx + \int_c^b f(x)\,dx
积分限交换abf(x)dx=baf(x)dx\int_a^b f(x)\,dx = -\int_b^a f(x)\,dx
数乘性质abkf(x)dx=kabf(x)dx\int_a^b kf(x)\,dx = k\int_a^b f(x)\,dx
可加性ab[f(x)±g(x)]dx=abf(x)dx±abg(x)dx\int_a^b [f(x) \pm g(x)]\,dx = \int_a^b f(x)\,dx \pm \int_a^b g(x)\,dx
保号性f(x)0f(x)\ge 0,则 abf(x)dx0\int_a^b f(x)\,dx \ge 0
绝对值不等式f(x)f(x)[a,b][a,b] 上可积,则 abf(x)dxabf(x)dx\lvert\int_a^b f(x)\,dx\rvert \le \int_a^b \lvert f(x)\rvert\,dx

2.4 变上限积分函数

定义:设 f(x)f(x)[a,b][a, b] 上连续,则 Φ(x)=axf(t)dt\Phi(x) = \int_a^x f(t)dt 称为变上限积分函数。

导数公式

Φ(x)=ddxaxf(t)dt=f(x)\Phi'(x) = \frac{d}{dx}\int_a^x f(t)dt = f(x)

推广公式

ddxφ(x)ψ(x)f(t)dt=f[ψ(x)]ψ(x)f[φ(x)]φ(x)\frac{d}{dx}\int_{\varphi(x)}^{\psi(x)} f(t)dt = f[\psi(x)]\psi'(x) - f[\varphi(x)]\varphi'(x)

【例题13】

题目:求 ddx0x2sintdt\frac{d}{dx}\int_0^{x^2} \sin t dt

:使用变上限积分求导公式

ddx0x2sintdt=sin(x2)(x2)=sin(x2)2x=2xsin(x2)\frac{d}{dx}\int_0^{x^2} \sin t dt = \sin(x^2) \cdot (x^2)' = \sin(x^2) \cdot 2x = 2x \sin(x^2)

【例题14】

题目:计算定积分 0π1+cos2xdx\int_0^{\pi} \sqrt{1 + \cos 2x} dx

0π1+cos2xdx=0π2cos2xdx=20πcosxdx=2(0π2cosxdx+π2π(cosx)dx)=2(sinx0π2sinxπ2π)=2[(10)(01)]=22\begin{aligned} \int_0^{\pi} \sqrt{1 + \cos 2x} dx &= \int_0^{\pi} \sqrt{2\cos^2 x} dx \\ &= \sqrt{2}\int_0^{\pi} |\cos x| dx \\ &= \sqrt{2}\left(\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos x dx + \int_{\frac{\pi}{2}}^{\pi} (-\cos x) dx\right) \\ &= \sqrt{2}\left(\sin x\Big|_0^{\frac{\pi}{2}} - \sin x\Big|_{\frac{\pi}{2}}^{\pi}\right) \\ &= \sqrt{2}[(1 - 0) - (0 - 1)] \\ &= 2\sqrt{2} \end{aligned}

三、定积分的应用

3.1 平面图形的面积

由曲线 y=f(x)y = f(x)y=g(x)y = g(x) 与直线 x=ax = ax=bx = b 所围图形的面积

S=abf(x)g(x)dxS = \int_a^b |f(x) - g(x)| dx

由参数方程 {x=φ(t)y=ψ(t)\begin{cases} x = \varphi(t) \\ y = \psi(t) \end{cases} (t1tt2t_1 \leq t \leq t_2) 所围图形的面积

S=t1t2ψ(t)φ(t)dtS = \int_{t_1}^{t_2} |\psi(t)|\varphi'(t) dt

3.2 旋转体的体积

绕 x 轴旋转

Vx=πab[f(x)]2dxV_x = \pi \int_a^b [f(x)]^2 dx

绕 y 轴旋转

Vy=2πabxf(x)dx(柱壳法)V_y = 2\pi \int_a^b x|f(x)| dx \quad \text{(柱壳法)}

【例题15】

题目:求由抛物线 y=x2y = x^2 与直线 y=xy = x 所围图形的面积。

  1. 求交点:x2=xx^2 = x,得 x=0x = 0x=1x = 1
  2. 在区间 [0,1][0, 1] 上,x>x2x > x^2
S=01(xx2)dx=(x22x33)01=1213=16\begin{aligned} S &= \int_0^1 (x - x^2) dx \\ &= \left(\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}\right)\Big|_0^1 \\ &= \frac{1}{2} - \frac{1}{3} \\ &= \frac{1}{6} \end{aligned}

【例题16】

题目:求由曲线 y=xy = \sqrt{x}x=4x = 4 及 x 轴所围图形绕 x 轴旋转所得旋转体的体积。

Vx=π04(x)2dx=π04xdx=πx2204=π162=8π\begin{aligned} V_x &= \pi \int_0^4 (\sqrt{x})^2 dx \\ &= \pi \int_0^4 x dx \\ &= \pi \cdot \frac{x^2}{2}\Big|_0^4 \\ &= \pi \cdot \frac{16}{2} \\ &= 8\pi \end{aligned}

第四部分:常微分方程

一、一阶微分方程

1.1 可分离变量微分方程

形式dydx=f(x)g(y)\frac{dy}{dx} = f(x)g(y)

解法:分离变量后积分

dyg(y)=f(x)dx\int \frac{dy}{g(y)} = \int f(x)dx

1.2 齐次微分方程

形式dydx=f(yx)\frac{dy}{dx} = f\left(\frac{y}{x}\right)

解法:令 u=yxu = \frac{y}{x},则 y=uxy = uxdydx=u+xdudx\frac{dy}{dx} = u + x\frac{du}{dx}

1.3 一阶线性微分方程

形式dydx+P(x)y=Q(x)\frac{dy}{dx} + P(x)y = Q(x)

通解公式

y=eP(x)dx[Q(x)eP(x)dxdx+C]y = e^{-\int P(x)dx}\left[\int Q(x)e^{\int P(x)dx}dx + C\right]

【例题17】

题目:求解微分方程 dydx=yx+tanyx\frac{dy}{dx} = \frac{y}{x} + \tan\frac{y}{x}

:这是齐次方程,令 u=yxu = \frac{y}{x},则 y=uxy = uxdydx=u+xdudx\frac{dy}{dx} = u + x\frac{du}{dx}

代入原方程:

u+xdudx=u+tanuu + x\frac{du}{dx} = u + \tan u

化简得:

xdudx=tanudutanu=dxxx\frac{du}{dx} = \tan u \Rightarrow \frac{du}{\tan u} = \frac{dx}{x}

分离变量积分:

cotudu=dxx\int \cot u du = \int \frac{dx}{x}lnsinu=lnx+lnC1=lnC1x\ln |\sin u| = \ln |x| + \ln C_1 = \ln C_1 |x|

因此 sinu=Cx\sin u = CxC=±C1C = \pm C_1

代回 u=yxu = \frac{y}{x},得通解:

sinyx=Cx\sin\frac{y}{x} = Cx

【例题18】

题目:求解微分方程 y+yx=sinxxy' + \frac{y}{x} = \frac{\sin x}{x}

:这是一阶线性微分方程,其中 P(x)=1xP(x) = \frac{1}{x}Q(x)=sinxxQ(x) = \frac{\sin x}{x}

计算积分因子:

eP(x)dx=e1xdx=elnx=xe^{\int P(x)dx} = e^{\int \frac{1}{x}dx} = e^{\ln x} = x

使用通解公式:

y=1x[sinxxxdx+C]=1x[sinxdx+C]=1x(cosx+C)=Ccosxx\begin{aligned} y &= \frac{1}{x}\left[\int \frac{\sin x}{x} \cdot x dx + C\right] \\ &= \frac{1}{x}\left[\int \sin x dx + C\right] \\ &= \frac{1}{x}(-\cos x + C) \\ &= \frac{C - \cos x}{x} \end{aligned}

二、二阶线性微分方程

2.1 二阶常系数齐次线性微分方程

形式y+py+qy=0y'' + py' + qy = 0p,qp, q 为常数)

特征方程r2+pr+q=0r^2 + pr + q = 0

特征方程根的情况通解形式
两个不等实根 r1r2r_1 \neq r_2y=C1er1x+C2er2xy = C_1 e^{r_1 x} + C_2 e^{r_2 x}
两个相等实根 r1=r2r_1 = r_2y=(C1+C2x)er1xy = (C_1 + C_2 x)e^{r_1 x}
一对共轭复根 r=α±iβr = \alpha \pm i\betay=eαx(C1cosβx+C2sinβx)y = e^{\alpha x}(C_1 \cos \beta x + C_2 \sin \beta x)

【例题19】

题目:求解微分方程 y4y+4y=0y'' - 4y' + 4y = 0

:特征方程为

r24r+4=0(r2)2=0r^2 - 4r + 4 = 0 \Rightarrow (r - 2)^2 = 0

特征根为 r1=r2=2r_1 = r_2 = 2(二重根)

因此通解为

y=(C1+C2x)e2xy = (C_1 + C_2 x)e^{2x}

【例题20】

题目:求解微分方程 y+2y+5y=0y'' + 2y' + 5y = 0

:特征方程为

r2+2r+5=0r^2 + 2r + 5 = 0

特征根为

r=2±4202=2±162=2±4i2=1±2ir = \frac{-2 \pm \sqrt{4 - 20}}{2} = \frac{-2 \pm \sqrt{-16}}{2} = \frac{-2 \pm 4i}{2} = -1 \pm 2i

因此通解为

y=ex(C1cos2x+C2sin2x)y = e^{-x}(C_1 \cos 2x + C_2 \sin 2x)

第五部分:多元函数微分学及其应用

一、多元函数微分学

1.1 多元函数的概念

定义:设 DD 是平面上的一个非空点集,如果对于每个点 P(x,y)DP(x, y) \in D,按照对应法则 ff,都有唯一确定的实数 zz 与之对应,则称 zzx,yx, y 的二元函数,记作 z=f(x,y)z = f(x, y)

定义域:使函数有意义的自变量取值范围。

1.2 偏导数

定义:设函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 的某邻域内有定义,若极限

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,则称此极限值为函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处对 xx 的偏导数,记作 zx\frac{\partial z}{\partial x}fx(x0,y0)f_x(x_0, y_0)

计算方法:对 xx 求偏导时,把 yy 看作常数;对 yy 求偏导时,把 xx 看作常数。

高阶偏导数

2zx2=x(zx),2zy2=y(zy),2zxy=y(zx)\frac{\partial^2 z}{\partial x^2} = \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right), \quad \frac{\partial^2 z}{\partial y^2} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial z}{\partial y}\right), \quad \frac{\partial^2 z}{\partial x \partial y} = \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)

1.3 全微分

定义:若函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x,y)(x, y) 的全增量 Δz\Delta z 可表示为

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

其中 ρ=(Δx)2+(Δy)2\rho = \sqrt{(\Delta x)^2 + (\Delta y)^2},则称函数在点 (x,y)(x, y) 可微,AΔx+BΔyA\Delta x + B\Delta y 称为全微分,记作

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

1.4 多元复合函数求导法则

链式法则:设 z=f(u,v)z = f(u, v)u=φ(x,y)u = \varphi(x, y)v=ψ(x,y)v = \psi(x, y),则

zx=zuux+zvvx\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{\partial z}{\partial u}\cdot\frac{\partial u}{\partial x} + \frac{\partial z}{\partial v}\cdot\frac{\partial v}{\partial x}zy=zuuy+zvvy\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{\partial z}{\partial u}\cdot\frac{\partial u}{\partial y} + \frac{\partial z}{\partial v}\cdot\frac{\partial v}{\partial y}

【例题21】

题目:求函数 z=x3y2+2xy5yz = x^3y^2 + 2xy - 5y 的偏导数和全微分。

: 对 xx 求偏导(把 yy 看作常数):

zx=3x2y2+2y\frac{\partial z}{\partial x} = 3x^2y^2 + 2y

yy 求偏导(把 xx 看作常数):

zy=2x3y+2x5\frac{\partial z}{\partial y} = 2x^3y + 2x - 5

全微分为:

dz=(3x2y2+2y)dx+(2x3y+2x5)dydz = (3x^2y^2 + 2y)dx + (2x^3y + 2x - 5)dy

【例题22】

题目:设 z=exyz = e^{xy}x=sintx = \sin ty=costy = \cos t,求 dzdt\frac{dz}{dt}

:使用链式法则

dzdt=zxdxdt+zydydt=yexycost+xexy(sint)=exy(ycostxsint)\begin{aligned} \frac{dz}{dt} &= \frac{\partial z}{\partial x}\cdot\frac{dx}{dt} + \frac{\partial z}{\partial y}\cdot\frac{dy}{dt} \\ &= ye^{xy}\cdot\cos t + xe^{xy}\cdot(-\sin t) \\ &= e^{xy}(y\cos t - x\sin t) \end{aligned}

二、多元函数微分学的应用

2.1 二元函数的极值

必要条件:若函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处有极值,且在该点处偏导数存在,则

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

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

Δ=ACB2\Delta = AC - B^2,则:

Δ\Delta 的值AA 的符号结论
Δ>0\Delta > 0A<0A < 0极大值
Δ>0\Delta > 0A>0A > 0极小值
Δ<0\Delta < 0不是极值
Δ=0\Delta = 0需进一步判定

2.2 条件极值与拉格朗日乘数法

问题:求函数 z=f(x,y)z = f(x, y) 在约束条件 φ(x,y)=0\varphi(x, y) = 0 下的极值。

拉格朗日乘数法

  1. 构造拉格朗日函数 L(x,y,λ)=f(x,y)+λφ(x,y)L(x, y, \lambda) = f(x, y) + \lambda\varphi(x, y)
  2. 求解方程组: {Lx=0Ly=0Lλ=0\begin{cases} \frac{\partial L}{\partial x} = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial y} = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial \lambda} = 0 \end{cases}
  3. 驻点即为可能的极值点

【例题23】

题目:求函数 f(x,y)=x3+y33xyf(x, y) = x^3 + y^3 - 3xy 的极值。

  1. 求偏导数
fx=3x23y=0x2=yf_x = 3x^2 - 3y = 0 \Rightarrow x^2 = yfy=3y23x=0y2=xf_y = 3y^2 - 3x = 0 \Rightarrow y^2 = x
  1. 解方程组 由 y=x2y = x^2 代入 y2=xy^2 = x(x2)2=x(x^2)^2 = x,即 x4x=0x^4 - x = 0
x(x31)=0x=0 或 x=1x(x^3 - 1) = 0 \Rightarrow x = 0 \text{ 或 } x = 1

驻点为 (0,0)(0, 0)(1,1)(1, 1)

  1. 求二阶偏导数
fxx=6x,fxy=3,fyy=6yf_{xx} = 6x, \quad f_{xy} = -3, \quad f_{yy} = 6y
  1. 判定极值

在点 (0,0)(0, 0) 处:A=0A = 0B=3B = -3C=0C = 0

Δ=ACB2=09=9<0\Delta = AC - B^2 = 0 - 9 = -9 < 0

因此 (0,0)(0, 0) 不是极值点。

在点 (1,1)(1, 1) 处:A=6A = 6B=3B = -3C=6C = 6

Δ=ACB2=369=27>0,A=6>0\Delta = AC - B^2 = 36 - 9 = 27 > 0, \quad A = 6 > 0

因此 (1,1)(1, 1) 是极小值点,极小值为 f(1,1)=1+13=1f(1, 1) = 1 + 1 - 3 = -1


【例题24】

题目:在平面 x+y+z=1x + y + z = 1 上求一点,使其到原点的距离最小。

:这是条件极值问题。

目标函数:d2=x2+y2+z2d^2 = x^2 + y^2 + z^2(最小化距离等价于最小化距离平方)

约束条件:x+y+z=1x + y + z = 1

构造拉格朗日函数:

L=x2+y2+z2+λ(x+y+z1)L = x^2 + y^2 + z^2 + \lambda(x + y + z - 1)

求偏导:

{Lx=2x+λ=0Ly=2y+λ=0Lz=2z+λ=0Lλ=x+y+z1=0\begin{cases} \frac{\partial L}{\partial x} = 2x + \lambda = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial y} = 2y + \lambda = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial z} = 2z + \lambda = 0 \\ \frac{\partial L}{\partial \lambda} = x + y + z - 1 = 0 \end{cases}

由前三式得 x=y=z=λ2x = y = z = -\frac{\lambda}{2}

代入第四式:3x=1x=133x = 1 \Rightarrow x = \frac{1}{3}

因此所求点为 (13,13,13)\left(\frac{1}{3}, \frac{1}{3}, \frac{1}{3}\right)

最小距离为 d=3×(13)2=33d = \sqrt{3 \times \left(\frac{1}{3}\right)^2} = \frac{\sqrt{3}}{3}


第六部分:二重积分及其应用

一、二重积分的概念与性质

1.1 二重积分的定义

定义:设 f(x,y)f(x, y) 是有界闭区域 DD 上的有界函数,将 DD 任意分割成 nn 个小区域,在每个小区域上任取一点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i),作和式 i=1nf(ξi,ηi)Δσi\sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i)\Delta\sigma_i。当各小区域直径的最大值 λ0\lambda \to 0 时,若此和式极限存在,则称此极限值为 f(x,y)f(x, y)DD 上的二重积分,记作

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

1.2 二重积分的几何意义

f(x,y)0f(x, y) \geq 0 时,Df(x,y)dxdy\iint_D f(x, y)dxdy 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。

1.3 二重积分的性质

性质公式
线性性质D[kf(x,y)±lg(x,y)]dσ=kDf(x,y)dσ±lDg(x,y)dσ\iint_D [kf(x, y) \pm lg(x, y)]d\sigma = k\iint_D f(x, y)d\sigma \pm l\iint_D g(x, y)d\sigma
区域可加性D1D2f(x,y)dσ=D1f(x,y)dσ+D2f(x,y)dσ\iint_{D_1 \cup D_2} f(x, y)d\sigma = \iint_{D_1} f(x, y)d\sigma + \iint_{D_2} f(x, y)d\sigma
保号性f(x,y)0f(x, y) \geq 0,则 Df(x,y)dσ0\iint_D f(x, y)d\sigma \geq 0
中值定理f(x,y)f(x, y)DD 上连续,则存在 (ξ,η)D(\xi, \eta) \in D,使 Df(x,y)dσ=f(ξ,η)SD\iint_D f(x, y)d\sigma = f(\xi, \eta) \cdot S_D

二、二重积分的计算

2.1 直角坐标系下的计算

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

Df(x,y)dxdy=abdxφ1(x)φ2(x)f(x,y)dy\iint_D f(x, y)dxdy = \int_a^b dx\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x, y)dy

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

Df(x,y)dxdy=cddyψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx\iint_D f(x, y)dxdy = \int_c^d dy\int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)} f(x, y)dx

2.2 极坐标系下的计算

极坐标变换x=rcosθx = r\cos\thetay=rsinθy = r\sin\thetadxdy=rdrdθdxdy = r dr d\theta

极坐标下的积分

Df(x,y)dxdy=Df(rcosθ,rsinθ)rdrdθ\iint_D f(x, y)dxdy = \iint_{D^*} f(r\cos\theta, r\sin\theta)r dr d\theta

其中 DD^*DD 在极坐标下的表示。

【例题25】

题目:计算二重积分 Dx2ydxdy\iint_D x^2 y dxdy,其中 DDy=xy = xy=2xy = 2xy=2y = 2 围成。

:积分区域如图所示,选择先对 xx 后对 yy 积分(Y 型区域)。

D={(x,y)0y2,y2xy}D = \{(x, y) | 0 \leq y \leq 2, \frac{y}{2} \leq x \leq y\}Dx2ydxdy=02ydyy2yx2dx=02y[x33]y2ydy=02y(y33y324)dy=02y7y324dy=72402y4dy=724[y55]02=724325=5615\begin{aligned} \iint_D x^2 y dxdy &= \int_0^2 y dy \int_{\frac{y}{2}}^{y} x^2 dx \\ &= \int_0^2 y \cdot \left[\frac{x^3}{3}\right]_{\frac{y}{2}}^{y} dy \\ &= \int_0^2 y \cdot \left(\frac{y^3}{3} - \frac{y^3}{24}\right) dy \\ &= \int_0^2 y \cdot \frac{7y^3}{24} dy \\ &= \frac{7}{24} \int_0^2 y^4 dy \\ &= \frac{7}{24} \cdot \left[\frac{y^5}{5}\right]_0^2 \\ &= \frac{7}{24} \cdot \frac{32}{5} \\ &= \frac{56}{15} \end{aligned}

【例题26】

题目:计算二重积分 Dx2+y2dxdy\iint_D \sqrt{x^2 + y^2} dxdy,其中 DD 是圆 x2+y22xx^2 + y^2 \leq 2x

:使用极坐标变换。

将圆方程化为极坐标形式:

r22rcosθr2cosθr^2 \leq 2r\cos\theta \Rightarrow r \leq 2\cos\theta

由于 r0r \geq 0,所以 cosθ0\cos\theta \geq 0,即 π2θπ2-\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}

Dx2+y2dxdy=Drrdrdθ=π2π2dθ02cosθr2dr=π2π2[r33]02cosθdθ=π2π28cos3θ3dθ=1630π2cos3θdθ=1630π2cosθ(1sin2θ)dθ=163[sinθsin3θ3]0π2=163(113)=329\begin{aligned} \iint_D \sqrt{x^2 + y^2} dxdy &= \iint_{D^*} r \cdot r dr d\theta \\ &= \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} d\theta \int_0^{2\cos\theta} r^2 dr \\ &= \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \left[\frac{r^3}{3}\right]_0^{2\cos\theta} d\theta \\ &= \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \frac{8\cos^3\theta}{3} d\theta \\ &= \frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta d\theta \\ &= \frac{16}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta (1 - \sin^2\theta) d\theta \\ &= \frac{16}{3} \left[\sin\theta - \frac{\sin^3\theta}{3}\right]_0^{\frac{\pi}{2}} \\ &= \frac{16}{3} \cdot \left(1 - \frac{1}{3}\right) \\ &= \frac{32}{9} \end{aligned}

备考建议与策略

备考时间规划建议

  • 第1-2周:函数、极限、连续(重点:等价无穷小、两个重要极限、间断点)
  • 第3-4周:一元函数微分学(重点:导数公式、洛必达、单调性、极值、拐点)
  • 第5-6周:一元函数积分学(重点:基本积分公式、换元法、分部积分、定积分应用)
  • 第7周:常微分方程(重点:可分离变量、一阶线性、二阶常系数齐次)
  • 第8周:多元函数微分学(重点:偏导数、全微分、条件极值)
  • 第9周:二重积分(重点:直角坐标、极坐标、交换积分次序)
  • 第10周:综合复习、模拟考试

考试重点分布

常见易错点

知识点易错点注意事项
极限计算等价无穷小误用注意条件,只能在乘除中替换
导数计算复合函数求导逐层求导,不要漏层
不定积分常数 CC 遗漏不定积分必须加常数
定积分换元时积分限变化换元必换限
偏导数混淆偏导和全导数明确哪个变量是自变量
二重积分积分次序选择合理选择可简化计算

江西省2026年专升本高等数学备考复习速记手册
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