内容简介
《微积分教程(下 第2版)》是编者总结多年的教学经验和教学研究成果,参考国内外若干优秀教材,对《微积分教程(下 第2版)》进行认真修订而成的,《微积分教程(下 第2版)》概念和原理的表述科学、准确、清晰、平易,语言流畅,例题和习题重视基础训练,丰富且有台阶、有跨度。为了方便教学与自学,在附录中给出了习题答案与补充题的提示与解答,并且补充了微积分概念和术语的索引。另外,在附录A中,按照“发现—猜测—验证—证明”的模式,指导读者以数学软件Mathematica为辅助工具,通过理论、数值和图形各方面的分析研究寻找问题的解答。这些问题紧密结合微积分教学和训练的基本要求,有助于培养学生分析和解决问题的能力。
《微积分教程(下 第2版)》分为上、下两册。上册包括实数和函数的基本概念和性质,极限理论和连续函数,一元函数微积分学,数项级数与函数项级数。下册包括多元函数微分学及其应用,重积分,曲线和曲面积分,向量场初步以及常微分方程初步等。《微积分教程(下 第2版)》可作为大学理工科非数学专业微积分(高等数学)课程的教材。
内页插图
目录
第9章 空间解析几何
9.1 向量及其运算
习题9.1
9.2 空间直角坐标系
习题9.2
9.3 空间平面与直线
习题9.3
9.4 空间曲面
习题9.4
9.5 空间曲线
习题9.5
第10章 多元函数微分学
10.1 多元连续函数
习题10.1
10.2 多元函数的偏导数
习题10.2
10.3 多元函数的微分
习题10.3
10.4 复合函数微分法
习题10.4
10.5 隐函数微分法
习题10.5
10.6 二元函数的泰勒公式
习题10.6
第10章 补充题
第11章 多元函数微分学的应用
11.1 向量值函数的导数和积分
习題11.1
11.2 空间曲面的切平面与法向量
习题11.2
11.3 多元函数的极值
习题11.3
11.4 条件极值
习题11.4
第11章 补充题
第12章 重积分
12.1 二重积分的概念和性质
习题12.1
12.2 二重积分的计算
习题12.2
12.3 二重积分的变量代换
习题12.3
12.4 三重积分的计算
习题12.4
12.5 第一型曲线积分
习题12.5
12.6 曲面面积和曲面积分
习题12.6
12.7 含参变量积分
习题12.7
第12章 补充题
第13章 向量场的微积分
13.1 向量场的微分运算
习题13.1
13.2 向量场在有向曲线上的积分
习题13.2
13.3格林公式
习题13.3
13.4 向量场的曲面积分
习题13.4
13.5 高斯公式与斯托克斯公式
习题13.5
13.6保守场
习题13.6
第13章 补充题
第14章 常微分方程
14.1 微分方程的基本概念
习题14.1
14.2 微分方程的初等解法
习题14.2
14.3 高阶线性微分方程解的结构
习题14.3
14.4 高阶线性常系数微分方程
习题14.4
14.5 线性常系数微分方程组
习题14.5
14.6 稳定性初步
习题14.6
第14章 补充题
附录A 探索与发现
附录B 习题答案
附录C 补充题提示或答案
索 引
前言/序言
《微积分教程》面世以来,在教学使用中取得了良好的效果,受到许多读者的好评.但是,近年来国内高校的微积分(高等数学)教学的思想与水平都发生了许多变化,本书编者在近几年结合教学实践,从教育数学和数学教学两个方面对于微积分的体系和内容进行了较为深入的分析,同时也广泛地阅读了国内外的有关教材.为了体现当前微积分课程教学的特点与要求,体现编者有关的教学研究成果,使本教材更加适应微积分课程的教学,同时也为了克服本教材存在的若干不足,编者对原教材进行了较大幅度的修订。
修订后的《微积分教程》有以下几个特点:
1.编者从教育数学的观点对微积分的内容进行深入研究,所以本书的逻辑结构简约而清晰,概念和原理的表述科学、准确、平易.定理证明思路自然、清楚.语言准确、流畅,层次清楚,逻辑性强,表述清楚,易教易学.因此本书为学生和教师提供了一本在教学和学习方面都有参考价值的教科书和教学参考书。
2.概念、定理与例题配置和谐,例题和习题重视基础训练,同时又丰富且有台阶、有跨度.有许多激发学习兴趣、提高数学水平的独具特色的习题。
3.对于微积分课程中的某些难点(例如极限概念、多元函数微分概念和曲面积分等),本书不追求完全形式化的抽象,而是以较为直观的、平易的方式适当地改变表述形式,在不失科学性的前提下降低教学难度。.
4.本书的上、下册都有一个名为“探索与发现”的附录.读者需要以数学软件Mathematica为辅助工具,通过理论分析和数值、图形分析才能找到解决问题的思路和解答方法.这些问题紧密结合微积分教学和训练的基本要求,既能培养学生运用数学理论分析问题的能力,又能提高学生运用数学软件作为辅助工具来分析、发现和解决问题的能力.这些问题的求解过程体现了“发现一猜测一验证一证明”的模式,有助于学生的创造能力和应用能力的培养。
5.为了便于教学和自学,本书增加了习题答案与各章补充题的提示。
施学瑜、马连荣、刘智新、刘庆华、章梅荣和谭泽光等教授都曾以不同形式对本书第1版做出了贡献,借此机会,编著者向他们表示敬意。
由于编者的水平所限,可能会有一些错误和不妥之处,敬请读者给予批评和指正。
微积分教程(下)第二版:探索现代数学的基石与应用 引言 本书是《微积分教程》(下)第二版的修订版本,旨在为读者提供一个全面而深入的微积分学习体验。微积分作为现代数学的基石之一,其思想和方法渗透在科学、工程、经济、金融以及社会科学等众多领域。它提供了描述和分析变化、极限、连续性、无穷等核心概念的强大工具,是理解和解决复杂问题的关键。本教程在保留微积分核心内容的基础上,更加注重其数学思想的传达,并拓展了其在实际问题中的应用,力求让读者不仅掌握计算技巧,更能理解其背后的深刻含义。 上卷回顾与下卷导览 在进入本卷的详细内容之前,我们简要回顾上卷的核心概念。上卷主要涵盖了函数的极限、连续性、导数及其应用,以及不定积分和定积分。我们学习了如何利用导数分析函数的单调性、凹凸性、极值,并应用定积分计算面积、体积等几何量。这些知识为理解下卷更为抽象和高阶的概念打下了坚实的基础。 本卷,即《微积分教程》(下)第二版,将进一步拓展我们的微积分视野。我们将深入探讨多变量函数的微积分,包括偏导数、梯度、方向导数,以及重积分(二重积分、三重积分)的计算和应用。此外,我们还将学习向量微积分,这门学科结合了微积分和向量代数,是描述和分析场(如电场、磁场、流体场)的关键工具。内容将涵盖曲线积分、曲面积分,并引入重要的定理,如格林公式、高斯公式和斯托克斯公式,它们将微积分的基本思想推广到更高维度。 多变量函数的微积分:拓展到更高维度 多变量函数的出现,使得我们能够描述和分析现实世界中更为复杂的情形。一个函数可能依赖于多个自变量,例如,一个物体的温度可能同时取决于其位置的三个坐标。本卷将系统性地介绍多变量函数的极限、连续性,为后续的微分和积分奠定基础。 偏导数与梯度:刻画多维变化 偏导数是描述多变量函数沿某一特定自变量方向变化率的概念。通过计算偏导数,我们可以局部地理解函数在不同方向上的敏感程度。例如,对于一个地形模型,我们可以通过偏导数了解在东西方向和南北方向上地形坡度的变化。 梯度的概念则进一步将偏导数组合成一个向量,这个向量指向函数值增长最快的方向,并且其大小表示了在该方向上的变化率。梯度在优化问题中扮演着至关重要的角色,例如在机器学习的梯度下降算法中,它指导着模型参数的调整方向,以最小化损失函数。 方向导数:任意方向上的变化率 方向导数允许我们在任意指定的方向上分析函数的瞬时变化率。它将偏导数推广到任意方向,为我们提供了更全面的函数变化刻画。例如,我们可以利用方向导数计算水流在某个特定路径上的流速变化。 重积分:在多维空间中累积 重积分,包括二重积分和三重积分,是将积分的概念推广到二维和三维空间。通过重积分,我们可以计算不规则形状的面积、体积,甚至计算物体在三维空间中的质量或质心。 二重积分: 我们将学习如何计算定义在二维区域上的函数的二重积分,这常用于计算曲顶曲面的体积、平面区域的质量分布等。通过坐标变换(如极坐标变换),我们可以简化某些区域上二重积分的计算。 三重积分: 进一步推广,三重积分用于计算三维区域上的累积量,例如计算不均匀密度物体的总质量,或者计算流体在三维空间中的流量。同样,坐标变换(如柱坐标变换和球坐标变换)对于简化某些区域上的三重积分至关重要。 向量微积分:连接微积分与场论 向量微积分是微积分与向量代数的结合,是描述和分析物理学中各种“场”的核心工具。场是指在空间中的每一点都赋予一个向量或标量量的数学对象。 曲线积分:沿着曲线的累积 曲线积分允许我们在一条给定的曲线上对一个函数进行累积。它可以用于计算曲线的长度、曲线上的质量分布,以及在保守场中沿曲线做功。我们还将探讨标量场和向量场在曲线上的积分。 曲面积分:在曲面上的累积 曲面积分将积分的概念推广到二维曲面上。它可以用于计算曲面上的质量分布,以及通过曲面的流量(例如,通过一个曲面的水流总量)。我们同样会区分标量场和向量场在曲面积分中的应用。 关键定理:统一与升华 本卷的重头戏之一是介绍几个强大的微积分基本定理,它们将局部变化率(导数)与全局累积量(积分)联系起来,揭示了微积分的深刻统一性。 格林公式: 将一个平面区域上的二重积分与该区域边界上的曲线积分联系起来。它为计算面积和分析二维流场提供了便利。 高斯公式(散度定理): 将一个三维区域上的三重积分(通过散度)与该区域边界曲面上的曲面积分联系起来。这是理解流体动力学、电磁学等领域不可或缺的工具。 斯托克斯公式: 将一个三维曲面上的曲面积分(通过旋度)与该曲面边界上的曲线积分联系起来。它在描述旋转运动和电磁场方面有着重要的应用。 这些定理不仅仅是计算工具,更是对微积分思想在更高维度下的一种升华和概括。它们展示了微积分在连接局部性质与全局性质方面的强大力量。 数学思想与应用:融会贯通 在学习了上述内容后,我们将更深入地理解微积分在以下方面的应用: 物理学: 流体动力学(如纳维-斯托克斯方程)、电磁学(麦克斯韦方程组)、经典力学(如牛顿定律的推广)等诸多领域都依赖于向量微积分。 工程学: 结构分析、热传导、信号处理、控制理论等都大量运用多变量微积分和向量微积分的工具。 经济学与金融学: 经济增长模型、风险管理、期权定价等都涉及到微积分的思想和计算。 计算机科学: 机器学习中的优化算法、计算机图形学中的曲面建模和渲染,甚至数据科学中的统计模型,都离不开微积分的支撑。 学习方法建议 本卷内容在概念上比上卷更为抽象,对逻辑思维和空间想象能力有更高的要求。建议读者在学习过程中: 1. 注重概念理解: 不要仅仅停留在计算技巧上,要努力理解每个概念的几何意义和物理意义。尝试用自己的话复述概念。 2. 勤加练习: 通过大量的练习题来巩固对计算方法的掌握,并逐渐体会不同类型问题的解题思路。 3. 可视化辅助: 利用图形工具或想象力来可视化多变量函数、曲面、向量场以及积分区域,这有助于加深理解。 4. 联系实际: 尝试将学到的理论知识与现实世界中的问题联系起来,思考微积分在解决这些问题中的作用。 5. 小组讨论: 与同学交流学习心得,讨论疑难问题,往往能获得新的启发。 结语 《微积分教程》(下)第二版是一次穿越现代数学核心领域的旅程。它将带领读者从单一变量的微积分世界,走向多变量函数和向量场的广阔天地。掌握这些内容,不仅意味着获得了一套强大的分析工具,更是开启了理解和塑造我们所处世界的另一扇大门。愿本书能成为您在探索微积分奥秘道路上的忠实伙伴。