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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.
【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.