参数变换方法在高等数学中的应用几例

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhaojifeng177
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  【摘要】参数变换是常用的数学变换,它为解决复杂的数学问题提供了重要工具,在高等数学中广泛使用,应使学生熟练掌握、灵活运用.文中几例,虽不典型,但构思巧妙,很有启发.
  【关键词】数学;变换;方法;应用
  
  数学变换是数学研究的基本手段,它化繁为简、化难为易、化生为熟,是数学思维方法的重要组成部分.参数变换是常用的数学变换,它的关键是在解决问题时先引入辅助性的参数,然后把需要求解的问题转化为有关参数的新问题.参数变换在高等数学中广泛使用,贯穿于教学的整个工程之中,特别是在复合函数微分、不定积分、定积分、重积分、微分方程中是一种基本的运算方法.善于和熟练应用参数变换方法,对于启迪学生思维、提高解题能力有重要意义.
  下面几例,体现了参数变换方法的灵活性、多样性.引入参数,转换思路,豁然开朗,轻松实现了问题的解决.
  例1 计算lim(x,y)→(0,0)xyx2+y2.
  解 引入参数ρ,θ(ρ>0),设x=ρcosθ,y=ρsinθ,
  有ρ=x2+y2,当(x,y)→(0,0)时,有ρ→0.
  又 f(ρcosθ,ρsinθ)=ρsinθcosθ,
  θ,有|sinθcosθ|≤1,
  ∴limρ→0f(ρcosθ,ρsinθ)=limρ→0ρsinθcosθ=0.
  因此,lim(x,y)→(0,0)xyx2+y2=0.
  例2 求函数y=xarcsinxa+a2-x2的二阶导数.
  解 引入参数t,t∈-π2,π2,设x=asint,
  有y=atsint+acost,dtdx=1acost,
  dydx=dydt•dtdx=(asint+atcost-asint)1acost=t,
  y″=1acost=1a2-x2.
  上例可以看出,对于某些函数求导,灵活采用参数变换,能使运算量大大减少,达到事半功倍的效果.
  例3 计算∫∞0sin2xx2dx.
  解 引入参数t(t≥0),设f(t)=∫∞0sin2txx2dx.
  两边对t求导数,有
  f′(t)=∫∞02xsintxcostxx2dx
  =∫∞0sin2txxdx
  =∫∞0sin2tx2txd(2tx)=π2.
  ∴f(t)=π2t+C.
  又 f(0)=0,
  因此,f(t)=π2t,f(1)=∫∞0sin2xx2dx=π2.
  例4 求函数z=xy(x,y>0)在满足条件x+y=1时的最大值.
  解 引入参数t,设x=12-t,y=12+t,
  有z=xy=12-t12+t=14 -t2,
  因此,当t=0,即x=y=12时,z=xy取得最大值14.
  例5 求函数f(x,y,z)=x2+y2+z2满足条件x+y+z=1时的最小值.
  解 引入参数u,v,设
  x=13+u,y=13+v,z=13-u-v,
  有f(x,y,z)=13+u2+13+v2+13-u-v2
  =13+u2+v2+(u+v)2≥13.
  于是,当u=v=0,即x=y=z=13时,
  f(x,y,z)取得最小值13.
  上两例可用微分等方法求解,但应用参数变换方法,结果一目了然,比较简便.
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