高数笔记

 


 

目录

 

高数上

极限及函数基础

极限相关

  1. lim[f(x)+g(x)]=limf(x)+limg(x)需要两个极限都存在的时候才可以拆分;

  2. 一类间断点:左右极限存在(可去,跳跃间断点);

    二类间断点:左右极限不都存在(无穷,振荡);

 

拐点,渐近线

拐点:二阶导为零或不存在且两侧二阶导异号的点。

渐近线

能画图就画图,不能画图再用公式,水平和铅直不谈,斜渐近线:

  1. limyx=a

  2. lim(yax)

 

拉格朗日余项

带拉格朗日余项的一阶泰勒展开式为:

f(x)=f(x0)+f(x0)(xx0)+f(ξ)2!(xx0)2,ξ between x0& x

一阶的余项为2阶导,2的阶乘,2次方;n阶即余项为n+1阶导,n+1的阶乘,n+1次方;

微积分

积分公式记忆

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即同一行有:

  1. ()dx=+C

  2. dx=ln()+C

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而利用“正弦/切/割”三角代换可以将带根号的积分式转化为上一种情况;

 

应用

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变上限积分

性质

  1. f(x)可积,则变上限积分连续

  2. f(x)连续,则变上限积分可导

  3. 奇偶性与f(x)原函数同(假设有原函数)

 

计算

  1. 简单模式:ddxaxf(t)dt=f(x)

  2. 复杂模式:ddxaφ(x)f(t)dt=f[φ(x)]φ(x)ddxψ(x)φ(x)f(t)dt=f[φ(x)]φ(x)f[ψ(x)]ψ(x)

    因为这是对导数的变限积分,不是对变限积分求导。变限积分下限在积分里是一个常数,求导之后是0不用考虑,你这里没有对变限积分求导,而是对一个导数进行了变限积分。

    知乎

  3. 变态模式:

    • 可直接分离xt,直接分离:

      ddxaφ(x)ex+tdt=ddx[exaφ(x)etdt]=uv+uv
    • 不可直接分离,换元:

      ddxaφ(x)extdt=ddx[axφ(x)eud(ux)]=uv+uv

 

积分中值定理

  1. abf(x)g(x)=0 ξ(a,b), f(ξ)g(ξ)=0

 

 

反常积分审敛法

比较审敛法

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区分无穷限和无界,然后使用夹逼原理,比收敛函数小的函数还是收敛,比发散函数大的函数还是发散。

极限审敛法

极限审敛法1:在处乘x,取极限若为0,说明原本是p>1,收敛。(若p1会是常数或)。

极限审敛法2:在瑕点处乘(xa),取极限若为0,说明原本是p<1,收敛。(若p1会是大于0的常数,即分子,或是)。

[注意] 这里乘x的一次项式是为了判别被积函数等价于多少阶(n为多少)的1(xa)n,所以也可以直接求被积函数的同阶无穷小,看无穷小收不收敛。

 

旋转体

表面积

应该是2πy1+y2dx不是2πydx;注意不要用错了。

2πy1+y2:类圆柱侧面积;dx:高;

 

体积

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体积微元:2πrdS;即周长乘面积,微元旋转体近似微元柱体;

取积分:

V=2πrdS

物理量

质心

x¯=Lxρ(x,y,...)dsLρ(x,y,...)ds,y¯=Lyρ(x,y,...)dsLρ(x,y,...)ds...

形心

x¯=LxdsLds,y¯=LydsLds,...

转动惯量

J=Mr2dm

r为旋转的质量微元(质量为m)离转轴的距离,物体(质量为M)的转动惯量就是J

曲率和曲率半径

K=|dαds|=|y1+y21+y2|=|y|(1+y2)32R=1K

[区间再现]公式

abf(x)dx=abf(a+bx)dx

下限+上限-x;即对函数平移反折,使其与原函数图像半积分限对称;

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在被积函数有关于中点对称时可用。

 

[表格法]部分积分

部分积分的一种规律,如对P(x)Q(x)dx上求导,下积分,正对角相乘,交错相加

P(x)ddxP(x)ddxP(x)ddxP(x)...0 (Pn(x))Q(x)Q(1)(x)Q(2)(x)Q(3)(x)...Q(n)(x)

积分结果如下:

P(x)Q(x)dx=i=0n[(1)iP(i)Q((i+1))]+C

 

[点火公式]华莱士公式及相关

In=0π2sinnx=0π2cosnx=n1nn3n2...I0=π2,I1=1

 

[Γ函数]负指数积分

Γ函数性质如下:

Γ(n+1)=0xnexdx=nΓ(n)=n!Γ(12)=π

注意一个形似的反常积分(没有x次幂但指数有平方):ex2dx=20ex2dx=π,可以由Γ(12)加换元得到。

 

因式分解

N重根

有n重实根就将重根和单根分离,重根的部分将重根依次降阶写成n个分式:

K(ss0)n=K1(ss0)+K2(ss0)2...+Kn(ss0)n

复重根同理。其中,K的计算按以下规则(假设n重根):

Knk=[1k!dkdsk(ss1)nF(s)]|s=s1

次数越低的分式的系数求导ci'shu越多

 

高数下

常见图线

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可导、可积、可微及有原函数

连续:一点左极限等于右极限等于该点函数值。

可导:左导数等于右导数存在且相等。

可微:该点可导且dy=f(x)dx.

以上三者关系:可导必连续,连续不一定可导。可导必可微,可微必可导。

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原函数存在:(对应不定积分)

其他情况需要判定

 

可积:(对应定积分)

  1. 没规定第一类还是第二类

  2. 可积则变上限积分存在

  3. f(x)的变上限积分在f(x)的一类间断点处不可导

总结:

  1. 先积出来,如果结果可导,则有原函数;

  2. 可积不等于原函数在,两者有交集但互不包含,如可积不允许无界,原函数存在不允许一类间断。

  3. F(x)=axf(x)dx+F(a)

 

 

 

二元函数的连续,可(偏)导和可微

连续:从任意方向逼近的极限值等于该点函数值。

可(偏)导yx,yy都存在。

可微:该点连续且可(偏)导且dz=fxdx+fydy.

以上三者关系:

可导不一定连续,连续不一定可导。连续不一定可微,可导不一定可微。可微必连续可导。偏导连续必可微。

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可导,可微的几何意义

连续:可以不光滑,但是要连续;可导:光滑(xy方向光滑);可微:超级光滑(所有方向光滑)。

[所谓光滑,就是有切线,切平面;即可微是曲面某点存在切平面]

在二元函数中,可导(偏导)表示x, y方向上可导,如下函数,(0,0)处可导,但是不可微,可微需要所有方向都可导。

f(x,y)={xyxy0,1xy=0,

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关于偏导数连续

偏导数连续必可微,但是什么是偏导数连续?是这样:

limx0fx(x,y)=fx(x0,y0)limy0fy(x,y)=fy(x0,y0)

并不是,偏导数也是函数,需要从任何方向逼近都相等:

lim(x,y)(x0,y0)fx(x,y)=fx(x0,y0)lim(x,y)(x0,y0)fy(x,y)=fy(x0,y0)

 

二元函数的点与线

极值点与驻点

极值点:该点及邻域都有定义,且邻域的点都小于或大于该点。

驻点:一阶(偏)导等于0的点

极值点不一定为驻点,驻点不一定为极值点

需要ACB2, A ? 0判别

 

求多元函数最值问题

条件极值

  1. 拉格朗日乘数法

    函数梯度与约束条件梯度重合

    求极值的函数(可能需要自己构造)和约束条件构成拉格朗日函数,对各个变量求偏导,得到所有可疑驻点然后比较:

    L=f+λg+ρh{Fx=0Fy=0...Fφ=0Fρ=0...(x0,y0,z0,...)

    注意:

    • 一般n个变量的隐函数如果可以显式化,可以降一维进行计算,但是约束条件也要结合显式化的函数消去一维,变成新的约束条件,函数可以是隐函数,但是约束条件一定是方程而不是函数

  2. 化为一元函数最值问题

    直接将边界方程代入函数,消元,化为一元函数最值问题。

无条件极值

  1. fx=0; fy=0

  2. ACB2|(x0,y0)>0是极点

    [若等于0,判别该点周围的点函数值是否都大于/小于该点的值(极值的定义)]

  3. A or C>0极大值点

 

隐函数显式化

由二元函数可确定隐函数:F(x,y)=0

x,y分别求导可以得到:

Fx+Fydydx=0Fxdxdy+Fy=0

于是得到了隐函数的导数。

 

空间向量相关

基本知识

三向量共面

|axayazbxbybzcxcycz|=0coplanar vector

梯度

u(x0,y0,z0...)=(ux,uy,uz...)|(x0,y0,z0...)

梯度与方向导数

梯度是方向导数最大的方向,方向导数:

T=u(x0,y0,z0...)(cosθ,cosβ,cosγ...)

(cosθ,cosβ,cosγ...)是方向余弦组成的单位方向向量。

 

梯度与法向量的关系

如果想求二维曲线f(x,y)=0在点A=(x0,y0)的法向量,可以先构造二元函数z=f(x,y),然后求z在点A的梯度z(A)=(ux,uy)|(x0,y0),这个梯度向量就是曲线f(x,y)=0在点A的一个法向量。(该结论可推广至任意维度)

z=f(x,y)u=f(x,y,z);u|(x0,y0,z0)=n of (x0,y0) in z=f(x,y)orz=f(x,y)n=(fx,fy,1)or(fx,fy,1)

空间曲线的切向量

{A1x+B1y+C1z+D1=0=F1A2x+B2y+C2z+D2=0=F2r=|xyzF1xF1yF1zF2xF2yF2z|(x0,y0,z0)

即两个平面的法向量再叉乘;

散度与旋度

向量场A(x,y,z)

A(x,y,z)=P(x,y,z)i^+Q(x,y,z)j^+R(x,y,z)k^div A=A=Px+Qy+Rzrot A=×A=|i^j^k^xyzPQR|

散度是算子点乘向量场,旋度是算子叉乘向量场(算子即偏微分算子)

 

二重积分与雅各比行列式

雅各比行列式常用于二重积分换元:

Df(x,y)dxdy=Dg(u,v)|J|dudvJ=(x,y)(u,v)

 

 

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线面积分及两大公式总结

重要思想:

二元函数即三维曲面,二元方程是二维曲线

 

重积分计算法

直接计算

暂不谈;

对称性

  1. 区域关于面对称,看函数与轴关系

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  2. 区域与(1,1,1)对称,函数轮换对称f(x,y,z)=f(y,z,x)=f(z,x,y)

    image-20231212162922081

 

轮换对称性

轮换对称,即轮换坐标轴(xyz->zxy),曲线/曲面方程或是空间区域方程不变,则:

lf(x,y,z)ds=lf(z,x,y)ds=lf(y,z,x)dsΣf(x,y,z)dσ=Σf(z,x,y)dσ=Σf(y,z,x)dσ...

这样的话,可以这样:

lf(x,y,z)ds=13l[f(x,y,z)+f(z,x,y)+f(y,z,x)]ds...

 

曲线积分

[图示]

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[左]一类 [中]二类 [右]整体
图片来源

 

  1. [第一类] 函数与弧的积分(方向与弧方向一致)

    lf(x,y)ds=lf(x,y)dsds=1+y2 dx=x2(t)+y2(t) dt

    即将曲线积分转为普通积分,方式是转为dx或者用参数方程表示转为dt

    [注意] 其中dsdx的过程是对积分区域函数的操作;

  2. [第二类] 函数与弧的积分(方向与弧方向不一致,需要分解)(有向弧)

    lP(x,y)dx+Q(x,y)dy=abP(x,y)dx+Q(x,y)ydx
  3. [格林公式] 二维N-L公式,将曲线积分转为曲面积分

    LiP(x,y)+Q(x,y)ds=D(QxPy)dσ

    注意

    格林公式使用条件:

    • 分段光滑曲线围成的封闭曲线;

    • PQD上连续可偏导,如果有不连续可导的奇点,需要挖去奇点(在挖去的区域用格林公式),如果不知道是否在某处不可导,则不可用

    • 区域在曲线方向左侧则该方向为曲线正向,Li为所有边界线。

     

    不同情况下的应用:

    • 曲线封闭无奇点格林公式;

    • 曲线封闭有奇点定义新路径挖掉奇点;

      • P,QL上积分和在L0(挖孔)上积分的差,从而L的曲线积分转为L0的曲线积分,计算L0的曲线积分值便可间接最出最后值。[一般若被积函数分母为一曲线,直接将挖孔曲线设为该曲线,如ax2+by2=ε2,届时分母为常数ε2直接提出,之后再次使用格林公式或是直接计算就方便许多]

      • 若有Qx=Py,则直接等于新路径积分;image-20231123155929564

    • 曲线不封闭

      • QxPy,加线,然后加上该线的反方向,加正加负抵消;

      • Qx=Py,积分与路径无关,直接换路径;

 

曲面积分

  1. [第一类] 函数与曲面的积分(函数与曲面垂直计算函数方向相同的情况)[投影法]

    Σf(x,y,z)dS=Dxyf(x,y,φ(x,y))1+φx2+φy2 dxdy
    • 使用条件:需要知道曲线的方程,并对其求偏导;

  2. [第二类] 函数与曲面的积分(函数与曲面不垂直,映射到各坐标面计算(先转换为第一类,再投影求解))(有向曲面)

    ΣPdydz+Qdxdz+Rdxdy

    计算如下:

    ΣPdydz+Qdxdz+Rdxdy=Σ[Pcosα+Qcosβ+Rcosγ]dS

    其中,cos为曲面的各点法线向量余弦,可由F=f(x,y)z的梯度算出cos(也可由Z=f(x,y)法向量(zx,zy,1)与各坐标平面法向量夹角计算cos):

    img

    cosα=zx1+zx2+zy2,cosβ=zy1+zx2+zy2,cosγ=11+zx2+zy2

    技巧在于

    Σ[Pcosαcosγ+Qcosβcosγ+R]dxdy=±Df(x,y)dxdycosγdS=dxdy

    注意

    1. 方向余弦是正是负取决于向量与对应坐标轴的夹角;一般来说,用梯度计算得到法向量之后看z轴的方向余弦正负,向下的法向量和z轴的夹角余弦就是负的;

    2. 最后由Σ面到D面时需要根据选取的Σ的面来确定是正还是负,因为二维平面D只在上表面计算,如果Σ被映射到了D的反面,就需要加负号;

  3. [高斯公式] 三维N-L公式,将曲面积分转为三重积分

    ΣiPdydz+Qdxdz+Rdxdy=Ω(Px+Qy+Rz)dv

    注意

    • 高斯公式要求PQ,RΩ上连续可偏导,如果有奇点,需要挖去奇点,做法同上格林公式。如果不知道是否在某处不可导,则不可用,但如果可以确定在Σ上连续且连续偏导,可转用斯托克斯公式

    • 曲面外侧为正向,内侧为负。Σi为所有曲面的和,缺面可以加一面,再加上这面的反面;

  4. [斯托克斯公式] 解二类曲线/面积分

    LPdx+Qdy+Rdz=Σ|dydzdzdxdxdyxyzPQR|

    公式特点:

    |xyzxyzPxQyRz|

    注意

    如果不知道是否连续可偏导,可用第二形式转为一类曲面积分计算,也即二类曲面积分计算法。

总结

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PS:曲线积分和曲面积分的斯托克斯公式联系是在3维进行联系的,格林公式是斯托克斯公式的二维形式;曲面积分到二重积分就是投影法;

[25 revise]:

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曲线积分需要注意一个平面和空间的区别:使用斯托克斯的是二类空间曲线积分,使用格林的是二类平面曲线积分。这两种都可以使用投影法(转换积分元)投影到一维(如果方便的话)。

 

 

级数

常数项级数

几何级数

就是等比数列构成的级数:naqn,特点是q1发散;

p级数

n1np

特点是p1发散

 

更一般的

  1. 常数项级数:

    • 计算an|n,若不为0必发散,否则下一步

    • 计算Sn|n,存在则收敛,否则发散

  2. 正项级数(全为正的常数项级数)

    特点:Sn单调增

    • Sn有上界收敛(收敛于上界),否则发散

    • 比较法(夹逼法):可以p级数比较

    • 极限法:第无穷项比值为常数的正项级数敛散性同

    • 比值法:

      limnan+1an=ρif ρ>1elif ρ<1else not sure
    • 开方法:

      iflimnann<1, else
  3. 交错级数(一正一负交替)

    • [莱布尼兹判别法] |an|单调减且an|n=0则级数收敛

    PS:取绝对值增加发散性

 

PS

为什么判敛散性都含limn

这里主要是回答比值法和开方法的理解问题,为什么由第n项就可判定敛散性?

首先需要注意,正项级数数列没有0和,且有限项数列必收敛,而当n时,an,an+1必趋于0,否则就不收敛;

于是将数列分为逐渐趋于0的后半部分和还不趋于0的前半部分,前半部分收敛于N项和(如果是N项的话),后半部分有无穷项,需要使用审敛法,比值法中和等比数列(几何级数)进行比较,即将后半部分趋于0的速度ρ与等比数列的公比q进行比较;

根值法同理:

limnan+1=ρlimnanρlimnan=lnl

 

 

幂级数

幂级数:

n=0anxn

其中,将n=0an看作一个常数项级数,xn看一个收敛因子能够使n=0an收敛的所有x值组成收敛域;(类似Laplace变换)

xn为公比为x的等比数列,故比值法和根值法计算an的“公比”ρxρn=0anxn的“公比”,故可推导:

limn|un+1(x)un(x)|=ρ(x)<1ROC

于是得到收敛半径。可见推出级数的“公比”是得到收敛半径的根本,上述公式不是所有时候都使用。

geogebra-export

注意

  1. R=1ρ的公式来源于:如果标准的,不缺项的幂级数,lim算出来应该是|ax|的形式,即|ax|<1,所以有1ρ的形式,显然,ρ(x)<1使用范围要更广,可以适用于函数项级数

  2. |x|=R的时收不收敛需要讨论!!!

 

性质:和函数逐项可积,逐项可导

幂级数展开

an=f(n)(0)n!,则得到麦克劳林级数,xx0则得到泰勒级数;

 

常用幂级数展开记忆

f(x)RF(n)
sinxxx36+... - [n!]Rn=0(1)nx2n+1(2n+1)!
cos1x22+... - [n!]Rn=0(1)nx2n(2n)!
ex [类比cosx+isinx]1+x+x22+... - [n!]Rn=0xnn!
11+x1x+x2... - [1](1,1)n=0(1)nxn
ln(1+x)xx22+x33... - [n](1,1]n=1(1)n1xnn

特征

  1. 三角系分母为阶乘,反比函数系分母为1,对数系分母为n

  2. 11+x=11(x)ln(1x)=ln[1+(x)];注意换元后ln定义域反相;

  3. 对数系为反比函数系的积分arctanx11+x2积分,总之无阶乘配反比函数系性价比高;

 

Abel定理与幂级数绝对收敛问题

Q:幂级数在收敛半径上收不收敛?绝对收敛?

定理部分证明:

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|xx0|=1,即|x|=R,等比级数不收敛,由夹逼准则得|anxn|不收敛;|anxn|不收敛anxn不绝对收敛;即

|x|=R  anxn  anxnanxn  |x|R

对[2020数一Q4]:

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幂级数和函数

和函数的性质:

  1. 逐项可导,逐项可积

    求和函数常用到这两个性质对和函数进行处理。

    如:

    image-20231127202739774

    PS:对于x0邻域内的和函数f(x)an=f(n)(x0)n!

  2. 部分和极限存在,幂级数收敛(于和函数),反之亦然;数列极限存在是级数收敛的条件;

 

傅里叶级数

函数正交分解原理

将函数f(t)正交分解,如分解一个向量:

ai=A,eiei,ei

ei为正交基之一,aiA在该正交基投影,也即对应的系数,函数正交分解可以类比,点乘类比周期内积分(记忆方法):

fi(t)=T2T2f(t)e(t)dtT2T2e2(t)dtT2T2e2(t)dt=T2e(t)=cos(nΩt) or sin(nΩt)

以上,得到傅里叶系数,系数与正交基相乘求和得到傅里叶级数

f(t)=n=0T2T2f(t)e(t)dtT2e(t)e(t)={cos(nΩt)n=0,1... or{sin(nΩt)n=1,2...

需要注意的是,Ω=2πT,即基函数需要与f(t)周期匹配

狄利克雷收敛定理

若周期函数f(x)

  1. 在一个周期内连续,或者有限个一类间断点;

  2. 在一个周期内极值点有限

则傅里叶级数收敛:

  1. 连续点收敛于f(x),间断点收敛于12[f(x)+f(x+)]

 

级数技法赏析

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思路如图,包括单不限于:

  1. 首先确定大致方向,如对数系特征是1/n,无阶乘;反比例系是没有分母,没有阶乘;三角系是有阶乘;

    并且“x”类没有(1)n,“+x”类才有;和诸如此类规律。

  2. 常用和函数缺/赘项,如S(x)=n=0nxn+2n!=x2ex

  3. 微积分构成常用和函数的微分方程,如S(x)+S(x)=ex

其中主要处理技巧有:

[如果式子中没有抽象式,如an,bn,...]

  1. 提取初项,提取完后累加从次项开始,再令n=n+1,可重新变回原格式,效果是

    i=1ani=0an+1

    即求和符n退一,式子中n进一;

  2. 逐项求导(逐项积分也很常用),效果是

    xnnxn1

    通常积分和求导一起用,先求导再积分,或先积分再求导。

  3. 提取常数(x也可以)(n不可以!!!)

    anaan1;xnxxn1
  4. 函数复合:n=0x2n不止代表11x的偶数项,也可以是11x2;同理,xn不一定只与反比例系,对数系有关,也可能与t=x变换后的三角函数系有关。

    注意幂级数中x的代换,可能是换元,可能是代值(变为常数项级数)

[如果式子中有抽象式,如an,bn,...]

  1. 利用题设条件搭配上述技巧进行处理,构造方程等等;

 

注意点

  1. 收敛加发散得到的级数发散,发散加发散也是发散,但是发散减发散不一定,且注意1n+a也是发散!!!

  2. 求导可能减小收敛域,积分可能增加收敛域,改变仅限边界点上。

 

线代

空间中从来就不存在什么网格

——题记

 

计算

一些知识点

  1. 基础解系的向量个数为r

  2. 代数余子式Aij直接计算行列式,余子式Mij才考虑±1

  3.  

 

 

特征值

一些要点

  1. 派生矩阵的特征值及特征向量:

    Screenshot 2024-12-02 212254

  2. 惯性指数:

    • 正惯性指数:正的特征值个数

    • 负惯性指数:同上。

特征值与相似对角化的关系

首先,需要知道的是,所谓相似对角化,就是对于一个线性变换,也许在这个线性变换中存在几个方向,在这几个方向的向量只是进行了伸缩变换(伸缩的系数就是λ,即特征值)而没有进行方向的变换,即

Ax=λx

这就是特征向量,可以想见,特征向量之间肯定是线性无关的,否则它们不就是同一个向量?所以对于一个n维的空间,不可能有超过n个这样的向量,即Nλn.

这有什么用呢?这里我们需要想到,如果一个沿着基向量方向的线性变换,表达起来是不是很简单:

[xyz][abc]=[axbycz]

所以如果能用一个线性变换的特征向量作为基向量(变换坐标系)重新表示这个线性变换,那么它将被表示为对角矩阵!!!

那么问题就来了:

  1. [问题1] 这个线性变换存不存在足够多的特征向量用来作为基向量?

  2. [问题2] 在以新的基向量构成的向量空间中怎么表示这个线性变换?

如果问题1被解决,则可以进行相似对角化

 

利用Ax=λx,可以计算出A的特征向量,不过在计算上,先计算出λ更方便,再拿λ计算特征向量。由于不同的特征向量可能对应一样的特征值,所以可能有:

  1. Nλ=n,必有n个特征向量

  2. Nλ<n,看重复的λ解出的基础解系中有几个线性无关的向量

总之就是要凑够n个特征向量才满足相似对角化的条件。到这里回答了问题1,问题2在相似中解决。

 

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相似

首先摆出结论:相似的两矩阵,不过是同一个线性变换在两个坐标系中不同的矩阵表示!

相关推理如图:

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其中,矩阵P即由坐标系xOy变换至目标坐标系的线性变换(矩阵)。

如果已知一个变换AA的特征向量是(α1,α2...αn)=P,显然,由当前坐标矩阵(E矩阵)变换至特征向量矩阵(P矩阵)的矩阵就是P.

相似矩阵中会直接以求出来的特征向量组直接作为公式中的P矩阵

P1AP转换后得到A矩阵在新坐标系(A的特征向量为基向量的坐标系)中的表示,这样就得到了前面提到的简单的表示方法。

[补充] 向量的投射

本空间向量在变换空间的表示

[xyz][]=[xyz]

 

对角化过程

对角化过程首先需要求得特征值和特征向量,如果满足相似对角化的条件,随后就是直接写出整个流程:P1AP=ΛΛ是特征值对角矩阵,P是特征向量矩阵,A是原矩阵。

唯一有一点不好的是,P的逆矩阵P1有点难求;

但是如果P正好是正交矩阵(即满足ATA=E的矩阵,列向量为两两正交单位向量的矩阵),那求逆就可以直接转置了!PTAP=Λ (实际上,这是合同的条件)

但这对A的特征向量要求很高,即它们两两正交;那用施密特正交化强行将P化转为正交阵如何呢?

对一个矩阵:

同一个特征值对应的特征向量正交化后得到的向量仍然是特征向量;

不同特征值对应的特征向量正交化后得到的向量就不一定了

强行转化的结果得到的矩阵可能不是对角阵或特征值对角阵;P1AP=BΛ,主要矛盾在于除非矩阵的特征向量都对应同一个特征值,否则正交之后就会出问题。

但是有这样一种矩阵,它不同特征值对应特征向量天然正交;(同时它必可相似对角化),它就是实对称矩阵

这意味着它的特征向量矩阵正交化之后还是特征向量矩阵,这说明施密特正交化与实对称矩阵才是绝配!

PTAP=Λ ()

问题解决!!!

 

总结

  1. 对角化条件很宽松,只需要有足够的特征向量就可以,代价是求P1麻烦;

    正交对角化条件严格,要求矩阵实对称,但是好处是P1=PT

  2. 矩阵相似和合同本来是没啥关系的,相似不一定合同,合同不一定相似

    但如果是实对称矩阵,则相似必合同;

    等价(只有秩相同) 合同(秩和正负惯性指数相同) 相似(秩,正负惯性指数,特征值均相同);

    矩阵亲密关系的一步步深化。

 

施密特正交化

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矩阵正交

:选不同的特征向量作为β1可能导致不同的正交阵;

 

相似性质

  1. 特征值相同迹相同,行列式相同 |A|=λ1λ2...=|B|; tr(A)=tr(B)=λi=

    迹->行列式->秩->特征值;

  2. 实对称矩阵必与特征值对角阵相似;(实对称矩阵的谱定理)

    即实对称矩阵若与对角阵相似,则对角阵元素必为特征值。

 

合同

合同变换不改变:矩阵的秩,惯性系数,正定性,对称性(反对称性)。

改变:特征值,特征向量

 

二次型

二次型即不含常数的二次齐次函数,其对应矩阵为实对称矩阵

xTAx = f(x1,x2...xn)=a11x12+a22x22+a33x32+annxn2+a12x1x2+a13x1x3+...[a11a12a1na21a22a1nan1an2ann]=A

如果说要把f(x1,x2...xn)化为标准二次型,那么有上两节的理解,就需要将A表示的线性变换在一个新的坐标系进行表示即可

 

标准型与规范型

标准型:只有平方项;(不唯一)

规范型:只有平方项且平方项系数只为0±1;(唯一)

[注] 正交变换和配方法都可以获得标准型,正交变换获得的标准型矩阵是特征值矩阵,但是配方法得到的标准型矩阵不一定是(大概率不是)特征值矩阵;配方法的变换是可逆变换,但不一定正交;

即二次型f=ax12+bx22+cx32+dx1x2ex1x3+fx2x3既可以化为f1=αy2,也可以化为f2=β1z12+β2z22,还可以化成……但是某个标准正交变换可以将它化为f0=λ1x12+λ2x22+λ3x32λi为特征值。

更本质的,配方法只是合同变换,只管惯性指数,不管具体特征值;

 

 

化二次型标准型方法

正交变换法

 

配方法

  1. 二次型含平方项,如f=ax12+bx22+cx32+dx1x2ex1x3+fx2x3

    • 逐个击破(法一)

      • 首先,x1x2x3都有关联,所以有(ax1+c2ax2+e2ax3)2项用以产生dx1x2,ex1x3及本身ax12

      • 同时减去(ax1+c2ax2+e2ax3)2多余的项;

      • 同上方法处理所有变量。

    • 逐个击破(法二)

      • 汇总x1项:ax12+dx1x2ex1x3=ax12+2ax1()=()2()2

      • 然后对x2,x3项处理。

  2. 不含平方项,如f=x1x2+x2x3

    猜想可逆变换

    • 首先取其中一项,作平方差:

      {x1=y1+y2x2=y1y2x3=y3()f=y12y22+(y1y2)y3
    • 产生平方项之后复用含平方项的方法;

    • 最后得到xz(第二步中的变换)的关系即可。

 

正定

  1. 二次型恒正(x0

  2. 特征值全为正

  3. 主子式全为正

  4. E合同

 

 

概率论

 

一些知识点

  1. 至少一个发生——P(ABC)

  2. 独立同分布随机变量的协方差:

    X1,X2...Xniidcov(Xi,Xj)={0,ijσ2,i=j

    因为ij时两两独立,故相关系数为0。

  3. 正态分布标准化:

    XμσN(0,1)

    特别注意不是σ2,是σ!!!

  4. 多维随机变量边缘分布是(标准)正态分布,则变量服从(标准)正态分布。

    由正态分布概率密度直接得ρ

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  5. [易错点] XiiidN(0,1)EX¯2=0

  6.  

 

随机变量

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相关和独立

独立 不相关;不相关 独立

相关系数

横轴:X;纵轴:Y;注意到线性相关的两个变量Y=aX+b相关系数为±1(正相关则正,反之亦然);

特例

X,Y服从二维正态分布,则不相关 独立

总结:相关系数更像是“线性相关系数”(线性相关系数是另一个东西);

 

条件分布和边缘分布

条件分布

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如:已知X=x的条件下,YE(x),则可以得到:

fY|X(y|x)=xexy

条件概率函数和联合概率密度函数的关系:

f(x,y)=fX(x)fY|X(y|x)

类似条件概率公式P(B|A)=P(AB)A

[注意]

  1. X, Y独立,则f(x,y)=fX(x)fY(y)

  2. f(x,y0)dx=F(,y0)1fX|Y(x|y0)dx=1

 

边缘分布

已知f(x,y)F(x,y),则Y的边缘分布为:

F(y)=yf(x,y)dxdy=F(,y)f(x,y)=

 

概率计算

注意点

  1. P{Xx,Xy}=?P{Xx}P{Xy},不对,需要分类讨论:

    P{Xx,Xy}={P{Xy},xyP{Xx},x<y
  2.  

 

概率密度函数

离散:概率分布/分布律 - 概率分布函数;

连续:概率密度函数 - 概率分布函数

概率密度函数不是概率!!!f(xi)=0,即P(X=xi)=0;只有f(xi)dx是概率;

所以已知X的概率密度,不能直接复合函数变量代换直接求Y=φ(X)的概率密度函数,需要先求F(x)=P{Xx},再求P{φ(X)y}=P{Yy}=F(y).

 

卷积公式求概率密度函数

已知X,Y联合概率密度fXY(x,y),求Z=g(X,Y)概率密度fZ(z)

原理

Z=g(X,Y)可以得到X=x(Z,Y)或者Y=h(X,Z);用这个替代掉fXY(x,y)中的xy,于是得到XoZ或者YoZ域的概率关系,相应地XoY域上的概率区域D将变为XoZ域上的概率区域D;即

XoYD{Y=h(X,Z)X=XXoZD

于是由二重积分的换元公式,可以得到

Df(x,y)dxdy=Df(x,h(x,z))|(x,y)(x,z)|dxdz

经计算换哪个变量,J就等于哪个变量对z求偏导:()(z);这样一来在新的域的联合概率密度就求出来了:

fXZ(x,z)=f(x,h(x,z))|yz|

Z的概率密度就是对其求边缘分布(对x积分):

fZ(z)=f(x,h(x,z))|yz|dx

 

 

 

数理统计

关于矩

矩,即距离;(样本)原点矩:样本点集/总体偏离原点(零值)的距离;(样本)中心距:样本点集/总体偏离中心点(均值)的距离;

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八大分布一览

分布描述EXDX
0-1分布 P{X=k}=pkq1k,k=0,1ppq
二项分布XB(n,p): P{X=k}=Cnkpk(1p)nknpnpq
均匀分布XU(a,b): φ(x)={1ba0a+b2(ba)212
几何分布XG(p): P{X=k}=p(1p)k11p1p(11p)
超几何分布XH(N,M,n): P{X=k}=CMkCNMnkCNnnMN\
指数分布XE(λ): f(x)={λeλx0k>01λ1λ2
泊松分布XP(λ): P{X=k}=λkk!eλ,k0, λ>0λλ
正态分布XN(μ,σ2): f(x)=12πσexp{12(xμσ)2}μσ2

[PS]

  1. n重伯努利实验中第n次实验事件才发生的概率;

  2. 超几何分布即N个样本,M个正品,取n个,其中k个正品的概率;

  3. 八大概率分布中只有均匀,指数,和正态分布是连续性b

 

大数定理与中心极限定理

切比雪夫不等式

 

 

列维-林德伯格中心极限定理

Xiiid(EX,DX)i=1nXiN(nEX,nDX)

 

参数估计与检验假设

三大样本分布

χ2tF
i=1nXi2χ2(n)XY/nt(n)X/mY/nF(m,n)
XiiidN(0,1)XN(0,1), Yχ2(n), XiYXχ2(m), Yχ2(n),XiY
n个正态平方正态比卡方平均出来的正态卡方比卡方
E(χ2)=nD(χ2)=2nf(t)=f(t)1FF(n,m)Fα(n,m)=1F1α(m,n)

关于F分布一性质的说明

Fα(n,m)=1F1α(m,n)

其中,XF(m,n), P{X>Fα(m,n)}=αFα(m,n)称为上α分位数,理解为“上α分位数之上的概率之和为α

 

参数估计

即以样本的统计量去估计总体的参数;

前置知识

期望和方差

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常用统计量性质

XiiidN(μ,σ2);有如下性质

  1. 关于样本均值

    X¯N(μ,σ2n);X¯μσ/nN(0,1);X¯μS/nt(n1)
  2. 关于样本方差:

    (n1)S2σ2=i=1n(XiX¯)2σ2=i=1n(XiX¯σ)2χ(n1)i=1n(Xiμ)σ2=i=1n(Xiμσ)2χ(n)
  3. X¯S2独立

 

XiiidN(μ1,σ12)YiiidN(μ2,σ22);有如下性质

  1. X¯Y¯分布

    X¯Y¯N(μ1μ2,σ12m+σ22n)

 

[注意] S2是样本方差

 

关于估计

无偏估计

E(θ^)=θ

估计量的数学期望等于被估计参数的真实值,则称此此估计量为被估计参数的无偏估计,即具有无偏性, 无偏估计的意义是:在多次重复下,它们的平均数接近所估计的参数真值。

 

点估计

估计一个分布中的未知参数;

  1. 矩估计

    • 由(带参数的)分布计算带(参数的)总体矩

    • 带参数的理论矩/总体矩等于样本矩(样本矩一般当作已知数)

    EX=f(x;θ)dx=1ni=1nXi=X¯θ=?
  2. 最大似然估计

    取当前样本值概率最大的分布作为估计分布:

    L=i=1nf(xi)=i=1nP{Xi=xi}

    其中i=1nP{Xi=xi}即为从分布中取得样本集xi的概率,即:在你估计的那个分布(以θ^为参数)中,你取样本,大概率能够去到和xi相似的样本。

    [注意]

    求最大似然估计量时一般取对数再找极值,lnL(x1,x2...;θ)L同极值点。

    最大似然函数是拿概率密度计算,不是分布函数,如果似然函数没有极点,注意是不是没有拿概率密度计算

  3. 相合估计[了解]

    θ为未知参数,对每个自然数nθnθ的一个估计量,假如θn依概率收敛于θ,则称θnθ的相合估计。

    关键在于需要研究n的情况

 

 

区间估计

由统计量进行无偏估计,求统计量的分布,则由统计量的分布中距参数的距离(置信区间)可得置信度;

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假设检验

即对假设的检验

  1. [原假设] H0:假设...是...

  2. [备择假设] H1:假设...不是...

 

拒绝域:样本出现在拒绝域W内,则拒绝H0;—— 概率为P(W)

 

检验错误:

  1. 去真:H0为真时拒绝H0

  2. 存伪:H0为假时不拒绝H0

根据题设即可判断原假设是否为真,根据拒绝域即可得到发生错误的区间;

 

 

 

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经验

高数

  1. 求一次导,无穷小量的阶数降低一阶;

  2. 混合积(三向量围成体积)为零,三向量共面

  3. 格林公式QP

  4. 同名函数相减可用注意拉格朗日,而ln带分式常可变成同名函数差;

    可证常用不等式x1+x<ln(1+x)<x

  5. lim(1+a)b, a0,b; if ab=A,lim(1+a)b=eA

  6. xn+xn1+...xm+xm1+...x,分式极限抓大头(高阶),x0,分式极限抓小头(低阶);

    f(x),g(x)为等价无穷小,则x,两者展开式最高阶系数同,x0,两者展开式最低阶同;

  7. 变上限积分积分限为n阶,被积函数m阶,则总体n(m+1)阶!!!

  8. f(x)=x, x0f(0)=1

  9. (xa)=axa1, if a>1(xa)=0

  10. 隐函数到极限的联系是导数,将极限化为导数形式看看?

  11. 零点存在性问题可以用零点定理,也可以用罗尔定理!!!还可以用单调性。

    罗尔定理推论:区域内n阶导不为0至多有n个零点;

  12. 函数构造:

    xf(x)+nf(x)=0xnf(x)f(x)+λf(x)=0eλxf(x)
  13. 面积分中注意x=rcosθ,不能漏掉r!!!!!

  14. 常用导数恒等式:

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概率论与线代

  1. 找到x=Qy化为了标准型就是找到了合同对角变换,如果y不是标准型,就只是合同变换

    合同变换的方法是:

    • X矩阵行列行列交替初等变换;

    • 记录所有列初等变换矩阵P1,P2,...,相乘得到合同变换P=Pi(右乘,因为是顺序的列变换)

  2. 配方找合同变换时:如果项不全,可直接补上一项z3=x3(这一项可逆即可,直接这样最简单)使变换可逆;

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  3.