二重积分
定义
二重积分可以理解为计算一曲顶柱体的体积,设被积函数为 ,积分区域为 上的闭区域 首先用一组曲线网把 分为 个小区域
则在每个 中任取点
,以 为高而底为 的平顶柱体的体积为
则这 个平顶柱体体积之和
可以认为是整个曲顶柱体体积的近似值. 令 个小闭区域的直径中的最大值(记作 )趋于零,取上述和的极限,即自然的定义为曲顶柱体的体积
,即
那么如果各小闭区间的直径中的最大值
时,这和的极限总存在,切与闭区域
的分法及点
的取法无关,那么称此极限为函数在闭区间上的二重积分,记作 ,即
其中 叫做被积函数,
叫做被积表达式,
叫做面积元素, 与 叫做积分变量, 为积分区域, 叫做积分和.
二重积分的性质
这里略去线性性质的介绍
二重积分的计算
对一夹在 之间, 轴范围 内的 面内的积分区域
这是先计算一条平行
轴的线上的积分,(平行于
平面的一个面的积分),再对
积分
对一夹在
之间, 轴范围 内的 面内的积分区域
这是先计算一条平行
轴的线上的积分,(平行于
平面的一个面的积分),再对
积分
对于复杂区域也可以分为 型与
型区域积分,由积分的线性性质累加即可.
极坐标下面积元素 有
其中高阶无穷小 略去
由坐标系转换恒等式
则原积分可写为
下面以一个重要的积分为例
,其中
是由圆心在原点,半径为
的圆周所围成的区域.
由极坐标,原积分可写为
而在工程上常用一个反常积分
无法直接求出原函数,但可以利用上面的积分计算
设
显然 .
由于 ,从而在这些区域上的二重积分之间有不等式
因为
又因为
令 ,上式两端趋于统一极限 ,从而
二重积分的换元法
设变换 :
其中 满足在 平面上有一阶连续偏导数,且在 上的雅可比式 ,且变换
是一对一的.
其中
则有
例 8 求由直线 所围成的闭区域 的面积. 令
又
从而所求面积为
例 9 计算 ,其中 为椭圆
围成的闭区域. 作广义坐标变换
其中 在这个变换下,与 对应的闭区域为 ,雅可比式
在 内仅在
处为零,故换元公式仍成立,从而有
三重积分
定义
设 是空间有界闭区域
上的有界函数. 将 任意分成 个小闭区域
其中 表示第 个小闭区域,也表示它的体积. 在每个
上任取一点 ,作乘积 ,并作和 .
如果当各小闭区域直径中的最大值 时,这和的极限总存在,且与闭区域 的分法和及点
的取法无关,那么称此极限为函数 在闭区域 上的三重积分. 记作 ,即
其中
叫做被积函数,
叫做体积元素,
叫做积分区域.
三重积分的计算
大体上有 3 种方法,及其相应的坐标系变换。
投影法
在直角坐标系下,将积分区域 投影到一个平面上,此处以投影到
平面为例,记投影区域为 . 以 的边界为准线作母线平行于 轴的柱面. 这柱面与曲面 的交线从
中分出上、下两部分,它们的方程分别为
且
,则积分区域 可表示为
先将 视为定值,沿 积分,积分结果是 的函数,记为 ,即
然后计算 在闭区域 上的二重积分
可记为 “先一后二” 法,这样将三重积分最终可以化为 3 次积分.
截面法
对于性质特殊的积分函数,例如只与 有关的积分函数,即沿 的线密度,我们可以先算 上的二重积分,再沿 积分.
设空间闭区域
则有
几个坐标变换
其中