简介

multivariable calculus 多元微积分是麻省理工一门著名公开课,课号为18.02。这门课覆盖了微分,积分,向量的多元微积分,在物理学,工程学,计算机学,经济学等领域有着广泛的应用。五分钟MIT公开课将公开课的重要有趣的知识点进行总结,在短时间内可以掌握一门课程的核心知识。

基础

向量是一个既有大小又有方向的量。With both direction and magnitude/length。通过带箭头的直线将向量直观的表示出来。引入空间直角坐标系和单位向量是向量间计算的基础。

Pythagorean theory: 毕达哥拉斯定理,勾股定理

向量的长度通过勾股定理向量两边加绝对值符号 |a|

向量的加法

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(1)

向量是头尾加法,同一方向可以进行标量加法。

Dot Products 点积/点乘

两个向量点乘,结果是标量。几何的角度考虑可以计算两个向量的夹角,以及在某一方向上的投影。

定义:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(2)

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(3)

点积的几何意义:向量在同一方向上投影的积

证明:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(4)

根据余弦定理:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(5)

得到:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(6)

点积的应用

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(7)

Determination 行列式

如何计算几个向量围成的面积?三角形的面积怎么计算?

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(8)

奇妙的是,这和底乘高的得到结果一样。再算出余弦,带入,会很麻烦。

下面的内容会非常有趣:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(9)

考虑两个相差90度的向量a和a'

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(10)

发现行列式代数上是余向量的点积,几何上行列式的绝对值是向量所围成的面积。

Area=abs value of det.

空间行列式

高维行列式计算方法,扩展:奇正偶负。正负是因为改变了空间的方向。

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(11)

几何学上,三维行列式就是长方体体积的加减。

Cross product 叉乘

考虑三维空间的两个向量

定义:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(12)

叉乘的结果是个向量。

  • 叉乘的大小等于两向量围成平行四边形的面积

  • 叉乘的方向垂直与两向量所在平面

  • 垂直向量的判断方式为右手法则

    右手指向向量A的方向

    手指指向向量B的方向

    竖起大拇指,拇指方向为叉乘方向

例子:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(13)

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(14)

关于空间体积的一些观点

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(15)

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(16)

补充

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(17)

Equation of planes 平面的方程

这一节主要讲的是叉乘的应用。

如何已知三点构成的平面,和另外一个点P,如何确定点P在这个平面上。

一个方法是:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(18)

带入 P(x,y,z)

就得到平面的方程。

另一个方法:如果P在平面上则可以推出

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(19)

向量n是平面的法向量(normal vector)。

最后得到了一个我们很熟悉的公式,也是计算体积的公式:

微积分入门教学(五分钟MIT公开课-多元微积分)(20)

这个形式在向量计算中有个别名,叫做三重积(Triple product),和行列式是一回事。

,