diff --git a/mistakes/math/07_重积分.md b/mistakes/math/07_重积分.md new file mode 100644 index 0000000..1c40055 --- /dev/null +++ b/mistakes/math/07_重积分.md @@ -0,0 +1,129 @@ +## 错题记录 + +### 题目 01 + +当 $x \to 0^+$ 时, + +$$ +f(x) = \int_{0}^{x^2} dy \int_{y}^{\sqrt{y}} \sin \frac{y}{t} \, dt +$$ + +与 + +$$ +g(x) = a x^b +$$ + +是等价无穷小量,则 $ab = \underline{\hspace{2cm}}$ 。 + +### 错误原因 + +交换积分次序后,计算内层积分 $\displaystyle\int_{t^2}^{t} \sin \frac{y}{t} \, dy$ 时,原函数为 $\left[-t \cos \dfrac{y}{t}\right]$。代入上下限时**错误地把系数 $t$ 也随 $y$ 的上下限一并代入了值**(例如写成 $-t^2 \cos t$ 等),而正确的做法是:内层对 $y$ 积分时 $t$ 视为常数,系数 $t$ 不参与代入,只有 $\cos \frac{y}{t}$ 中的 $y$ 需要换成上下限。 + +### 正确答案 + +**Step 1:交换积分次序** + +积分区域 $D = \{(y, t) : 0 \le y \le x^2,\; y \le t \le \sqrt{y}\}$。 + +由 $y \le t \le \sqrt{y}$ 解得 $t^2 \le y \le t$,结合 $0 \le y \le x^2$,且 $t \in [0, x]$,分两段: + +$$ +f(x) = \int_{0}^{x^2} dt \int_{t^2}^{t} \sin \frac{y}{t} \, dy + + \int_{x^2}^{x} dt \int_{t^2}^{x^2} \sin \frac{y}{t} \, dy +$$ + +**Step 2:计算内层积分** + +$\displaystyle\int \sin \frac{y}{t} \, dy = -t \cos \frac{y}{t}$,代入上下限: + +$$ +\begin{aligned} +\int_{t^2}^{t} \sin \frac{y}{t} \, dy &= -t \cos 1 + t \cos t = t(\cos t - \cos 1) \\[4pt] +\int_{t^2}^{x^2} \sin \frac{y}{t} \, dy &= -t \cos \frac{x^2}{t} + t \cos t = t\!\left(\cos t - \cos \frac{x^2}{t}\right) +\end{aligned} +$$ + +**Step 3:合并** + +$$ +\begin{aligned} +f(x) &= \int_{0}^{x^2} t(\cos t - \cos 1) \, dt + + \int_{x^2}^{x} t\!\left(\cos t - \cos \frac{x^2}{t}\right) dt \\[4pt] + &= \int_{0}^{x} t \cos t \, dt - \frac{\cos 1}{2} x^4 - \int_{x^2}^{x} t \cos \frac{x^2}{t} \, dt +\end{aligned} +$$ + +其中 $\displaystyle\int_{0}^{x} t \cos t \, dt = x \sin x + \cos x - 1$。 + +对最后一项作代换 $u = \dfrac{x^2}{t}$($t = \dfrac{x^2}{u},\; dt = -\dfrac{x^2}{u^2}du$): + +$$ +\int_{x^2}^{x} t \cos \frac{x^2}{t} \, dt = x^4 \int_{x}^{1} \frac{\cos u}{u^3} \, du +$$ + +故 + +$$ +\boxed{f(x) = x \sin x + \cos x - 1 - \frac{\cos 1}{2} x^4 - x^4 \int_{x}^{1} \frac{\cos u}{u^3} \, du} +$$ + +**Step 4:用等价无穷小比值法求 $a, b$($x \to 0^+$)** + +先求 $f'(x)$:由变限积分求导, + +$$ +f'(x) = 2x \int_{x^2}^{x} \sin \frac{x^2}{t} \, dt +\;\xrightarrow{u = \frac{x^2}{t}}\; +2x^3 \int_{x}^{1} \frac{\sin u}{u^2} \, du +$$ + +由等价无穷小关系 $\displaystyle\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{a x^b} = 1$,即 $\displaystyle\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{x^b} = a$。 + +使用洛必达法则: + +$$ +\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{x^b} += \lim_{x \to 0^+} \frac{f'(x)}{b x^{b-1}} += \frac{2}{b} \lim_{x \to 0^+} x^{4-b} \int_{x}^{1} \frac{\sin u}{u^2} \, du +$$ + +当 $u \to 0^+$ 时 $\dfrac{\sin u}{u^2} \sim \dfrac{1}{u}$,故 + +$$ +\int_{x}^{1} \frac{\sin u}{u^2} \, du \sim \int_{x}^{1} \frac{1}{u} \, du = -\ln x \qquad (x \to 0^+) +$$ + +于是 + +$$ +\lim_{x \to 0^+} \frac{f(x)}{x^b} += -\frac{2}{b} \lim_{x \to 0^+} x^{4-b} \ln x +$$ + +分析: +- 若 $b < 4$,则 $x^{4-b} \ln x \to 0$,极限为 $0$ +- 若 $b > 4$,则 $x^{4-b} \to +\infty$,$x^{4-b} \ln x \to -\infty$,极限为 $+\infty$ +- 若 $b = 4$,则 $\ln x \to -\infty$,极限为 $+\infty$ + +要使极限为非零有限值,由 $\ln x$ 的存在可知不存在这样的 $b$。 + +$$ +\boxed{f(x) \sim -\frac{1}{2} x^4 \ln x \quad (x \to 0^+)} +$$ + +即 $f(x)$ 主导阶为 $x^4 \ln x$,不是纯幂函数 $a x^b$。 + +### 知识点 + +**二重积分:** + +- **积分次序交换**:给定积分区域 $D = \{(y,t) \mid a \le y \le b,\; \varphi_1(y) \le t \le \varphi_2(y)\}$,交换次序需从不等式 $\varphi_1(y) \le t \le \varphi_2(y)$ 反解出 $y$ 关于 $t$ 的范围 $\psi_1(t) \le y \le \psi_2(t)$,并确定 $t$ 的新范围 $[c,d]$。本题从 $y \le t \le \sqrt{y}$ 反解得 $t^2 \le y \le t$。 +- **分段处理**:交换次序后若 $\min / \max$ 分段点落在积分区间内,需拆分为多个积分。本题 $\min(t, x^2)$ 在 $t = x^2$ 处切换,故分为 $[0, x^2]$ 和 $[x^2, x]$ 两段。 +- **内层积分时外层变量视为常数**:计算 $\int_{t^2}^{t} \sin \frac{y}{t} \, dy$ 时 $t$ 固定,原函数 $\left[-t \cos \frac{y}{t}\right]$ 中系数 $t$ **不参与代入上下限**(本题错误根源)。 + +**变限积分与等价无穷小:** + +- **变限积分求导**:$F(x) = \int_{a(x)}^{b(x)} h(x, t) \, dt$,若被积函数含 $x$,应先换元分离再求导。本题交换次序后 $x$ 只出现在积分限,可直接用 Leibniz 公式。 +- **洛必达法则判定无穷小阶数**:$\displaystyle\lim_{x \to 0^+} \frac{F(x)}{x^b} = \lim_{x \to 0^+} \frac{F'(x)}{b x^{b-1}}$,逐步降阶直到极限为非零有限值。 +- **$\ln x$ 型奇异性**:$\displaystyle\int_{x}^{1} \frac{\sin u}{u^2} du$ 在 $u \to 0^+$ 时 $\frac{\sin u}{u^2} \sim \frac{1}{u}$,积分 $\sim -\ln x$,导致最终结果含 $\ln x$ 因子,不存在纯幂函数等价无穷小。 diff --git a/subjects/math/07_重积分.md b/subjects/math/07_重积分.md new file mode 100644 index 0000000..0f9d09f --- /dev/null +++ b/subjects/math/07_重积分.md @@ -0,0 +1,84 @@ +## 笔记记录 + +### 要点 01 - 二重积分的积分次序交换 + +二重积分交换次序的核心步骤: + +1. **画出积分区域**:根据原积分限写出不等式,在坐标系中标出区域 $D$ +2. **反解不等式**:将"先 $t$ 后 $y$"的不等式组改写为"先 $y$ 后 $t$"的形式 +3. **确定新限**:写出交换后的累次积分 + +**示例**:设原积分为 $\displaystyle\int_a^b dy \int_{\varphi_1(y)}^{\varphi_2(y)} f(y,t)\,dt$,交换后为 $\displaystyle\int_c^d dt \int_{\psi_1(t)}^{\psi_2(t)} f(y,t)\,dy$。 + +--- + +### 要点 02 - 由不等式反解积分限 + +给定 $a \le y \le b,\; \varphi_1(y) \le t \le \varphi_2(y)$: + +- 从 $\varphi_1(y) \le t \le \varphi_2(y)$ 解出 $y$ 的范围:$\psi_1(t) \le y \le \psi_2(t)$ +- $t$ 的范围为 $[c,d] = [\min \varphi_1(y), \max \varphi_2(y)]$($y \in [a,b]$) + +**常见反解关系**: + +| 原关系 | 反解 | +|--------|------| +| $y \le t$ | $y \le t$ | +| $t \le \sqrt{y}$ | $y \ge t^2$ | +| $t \le y^2$ | $y \ge \sqrt{t}$ | +| $t \ge y^2$ | $y \le \sqrt{t}$ | + +--- + +### 要点 03 - 分段处理($\min$/$\max$ 切换) + +交换次序后,若上限/下限含 $\min$ 或 $\max$,需在切换点处拆分为多段积分。 + +设 $y \in [t^2, \min(t, x^2)]$,切换点为 $t = x^2$: + +- 当 $0 \le t \le x^2$ 时:$\min(t, x^2) = t$,故 $y \in [t^2, t]$ +- 当 $x^2 \le t \le x$ 时:$\min(t, x^2) = x^2$,故 $y \in [t^2, x^2]$ + +积分拆为两段: +$$\int_0^{x^2} dt \int_{t^2}^t f\,dy + \int_{x^2}^x dt \int_{t^2}^{x^2} f\,dy$$ + +--- + +### 要点 04 - 内层积分时外层变量视为常数 + +计算累次积分 $\displaystyle\int dt \int g(y, t)\,dy$ 时: + +- 先对 $y$ 积分,此时 $t$ 视为**常数** +- 原函数中的 $t$(来自被积函数或换元)**不参与代入上下限** +- 只有含 $y$ 的部分受上下限影响 + +**❌ 常见错误**:$\displaystyle\int_{t^2}^t t \cdot h(y,t)\,dy$ 代入时把系数 $t$ 也随 $y$ 限代值,写成 $t \cdot h(t,t) - t^2 \cdot h(t^2,t)$ 之类。 + +**✅ 正确做法**:系数 $t$ 提出积分号或保持不动: +$$\int_{t^2}^t t \cdot h(y,t)\,dy = t \int_{t^2}^t h(y,t)\,dy$$ + +--- + +### 要点 05 - 二重积分的变量代换 + +对 $\displaystyle\iint_D f(y,t)\,dy\,dt$,作代换 $(y,t) \to (u,v)$: + +$$ +\iint_D f(y,t)\,dy\,dt = \iint_{D'} f\big(y(u,v), t(u,v)\big) \cdot |J| \, du\,dv +$$ + +其中 Jacobi 行列式 $J = \dfrac{\partial(y,t)}{\partial(u,v)}$。 + +**常用代换**: +- 极坐标:$y = r\cos\theta,\; t = r\sin\theta$,$|J| = r$ +- 线性代换:$u = ay + bt,\; v = cy + dt$,$|J| = |ad - bc|^{-1}$ + +--- + +### 知识点 + +- 二重积分交换次序:画出区域 → 反解不等式 → 写出新积分限 +- $\min/\max$ 型边界需分段处理 +- 累次积分中,内层积分时外层变量为常数,不可随内层限代值 +- 变量代换的 Jacobi 行列式 +- 极坐标变换:$dx\,dy \to r\,dr\,d\theta$