1 球坐标系下的三重积分
球坐标系是三维坐标系的一种,以坐标原点为参考点,点$P$的坐标由方位角$\theta$(线$OP$投影到$xy$平面后与$x$轴的夹角)、仰角$\phi$(线$OP$与$z$轴的夹角)和距离$\rho$(点到原点的距离)构成。经纬度就是球坐标系的一种常见形式,其中$\theta$与经度相似,$\phi$与维度相似。
球坐标化通过以下公式实现从$(x,y,z)$到$(\rho,\phi,\theta)$的转化: $$\begin{equation} \left
球坐标系是三维坐标系的一种,以坐标原点为参考点,点$P$的坐标由方位角$\theta$(线$OP$投影到$xy$平面后与$x$轴的夹角)、仰角$\phi$(线$OP$与$z$轴的夹角)和距离$\rho$(点到原点的距离)构成。经纬度就是球坐标系的一种常见形式,其中$\theta$与经度相似,$\phi$与维度相似。
球坐标化通过以下公式实现从$(x,y,z)$到$(\rho,\phi,\theta)$的转化: $$\begin{equation} \left
二重积分的几何意义是面积,三重积分的几何意义是体积,二者的计算也是可以类推的
举例:计算两个曲面$z = x^2+y^2$和$z = 4–x^2–y^2$围成的图形的体积
根据$x^2 + y^2\leq 4 – x^2 – y^2$推得$x,y$的限制条件:$x^2+y^2\leq 2$
将限制条件转化为积分上下限,可得以下计算公式: $$\int \! \! \! \int \! \! \! \int_R fdV=\int_{-\sqrt{2}}^{\sqrt{
又称为数据不平衡(imbalanced)问题,指分类任务中不同类别之间的样本数差异过大的情况。数据偏斜常见于医疗诊断、文本分类、金融欺诈、异常检测等领域,一般认为样本比例大于4:1时,便存在样本不平衡的问题,一些极端的场景下,会存在1000:1的样本比例,甚至一个类型只有一个样本的情况
数据偏斜问题的影响:干扰建模过程,错
单连通区域$R$:由单一的一块组成的区域$R$,即没有“洞”的区域
要求:对于单连通区域$R$内存在的任意闭合曲线$C$,曲线$C$的区域也属于$R$
不满足以上要求的区域则被称为多连通区域,或复连通区域
在之前第21节课中曾提及判定梯度场的前提条件,即$\vec{F}$处处有定义可导。在了解单连通区域的定义后,可以发现此前提条件等价于$\vec{F}$的定义域是单连通区域:
如果$\vec{F}$的旋度是0,且$\vec{F}$的定义域是单连通区域,则$\vec{F}$是保守场/梯度场
假设$C$为逆时针的封闭曲线,包围着区域$R$;如果向量场$\vec{F}$在曲线$C$和区域$R$处处有定义且处处可微,则存在格林公式使得线积分转化为双重积分: $$∮_c\vec{F}\cdot d\vec{r}=\int \! \! \!\int_Rcurl(\vec{F})dA$$ 坐标形式的格林公式: $$∮_cMdx+Ndy=\int \! \! \!\int_R(N_x-M_y)dA$$
此处限制曲线$C$为逆时针是一种人为规定的方向,也就是一种约定成俗。就好像定义旋度$=N_x-M_y$,而不
上一节对于向量场判断是否为梯度场已有较为全面的表述
本小节将从梯度场的性质出发,展示最常见且便捷的判断方法
如果$\vec{F}$是梯度场,则$\vec{F}=\nabla f,M=f_x,N=f_y$
由$f_{xy}=f_{yx}$可知,梯度场$\vec{F}$需要满足:$M_y=N_x$
- $\vec{F}$是梯度场,是$M_y=N_x$的充分不必要条件
- $M_y=N_x$在$\vec{F}$处处有定义可导的前提下,可推得$\vec{F}$是梯度场
- 在后续的第24节课中将提及,这
向量场(vector fields)将空间中的点映射为向量,用于描述空间流体或力的强度和方向
常见的向量场举例:风场、引力场、电磁场、水流场
假设存在函数$M(x,y)$和$N(x,y)$,用$\vec{F}$来描述向量场: $$\vec{F}=M\vec{i}+N\vec{j}$$ 示例1:$\vec{F}=2\vec{i}+\vec{j}$,其向量场可视化结果如下:
示例2:$\vec{F}=x\vec{j}$,其向量场可视化结果如下:
示例3:$\vec{F}=-y\vec{i}+x\vec{j}$,其向量场可视化结果