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微积分入门基础知识(微积分中的一些基本定理)

时间:2024-09-16 09:39:47

微积分是现代数学的重要分支,而关于微积分的一些基本定理值得总结一下。

一、微积分基本定理

微积分基本定理是一个广为熟知的定理,也是最简单的。一方面,被积函数是一元标量函数,另一方面,积分指的也是常用的黎曼积分。如果再进行细分的话,可大致将微积分基本定理分为两种表述,一种是不定积分形式,另一种是定积分形式。

第一种形式可以理解为求导的逆过程,具体表述为:

F(x)必然是连续可微的

定理1的证明也比较简单,仅需要抓住导数的定义,并结合积分中值定理即可!

准确地说,F在a处的右导存在,且等于f在a处的右极限;F在b处的左导存在,且等于f在b处的左极限

第二种形式有时又称为求值定理(The evaluation theorem).

The Fundamental Theorem of Calculus

证明过程也比较简单,根据黎曼积分的定义,对区间做相应的分割(随着分割越来越细,小区间的长度均趋于0),并结合拉格朗日中值定理即可!

黎曼积分三部曲——分割、求和、取极限

二、梯度基本定理

在微积分基本定理中,被积函数是一元标量函数。当研究对象从一元标量函数推广为多元标量函数时,先前的数学工具——导数就不适用了,此时需要引入新的数学工具——梯度。梯度是多元函数增长率最快的方向,它在诸多领域都有广泛的应用,在最优化中,负梯度通常作为迭代方向;在静电学中,电场可以写成某个势函数的梯度;此外,梯度下降算法也是机器学习和深度学习的重要基石!

梯度的定义

当导数被替换为梯度时,可以得到一个在形式上与微积分基本定理颇为类似的结论,但此时的积分变成了线积分。

Fundamental Theorem for Line Integrals

结合多元函数偏导数的链式法则,可以证明此定理:

此处的线积分指的是第二型曲线积分

在物理学中,上述定理还可以写成另一种形式:

The Fundamental Theorem for Gradients

三、散度定理和Stokes定理

当标量函数进一步推广到矢量函数时,还可以得出新的结论!为简化问题,此处限定矢量函数是三维的、自变量的个数为3,并引入散度和旋度的概念。

散度和旋度的定义

散度定理又称高斯定理,它建立起了第二型曲面积分和三重积分之间的联系:

Divergence Theorem

诚然,这个定理的证明有一定的难度;事实上,更严谨的表述中,会对边界曲面做一个限定——逐片光滑曲面,下面的证明过程是其中一种方法:

The Proof of Divergence Theorem

相应地,关于旋度也有一个基本定理,也就是赫赫有名的stokes定理:

Stokes‘ Theorem