当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第三章重积分 > 第三节 极坐标系及一般坐标系 > 二重积分的计算:一般坐标系例题
好我们来看一下另外一道例题
我们要求一个椭球体的体积
这个椭球体呢
它的边界面是
z平方除以c平方小于等于一
这是椭球体
要求它的体积
其中我们不妨假设
a和b和c呢都是大于零的三个数
那么我们先来看看
在直角坐标系下
如何来求椭球体的体积
我们先画一下图
在xy平面上
是一个椭圆 上面呢是一个椭球体
为了简单起见 我就画了半个
实际上下面还有半个
那么这个椭球体的体积V呢
因为我们在求二重
我们在引入二重积分的定义的时候
实际上我们就是虚拟的要做一下体积
所以呢这个椭球体的体积
完全就是二重积分
这个二重积分呢
它是在D这个区域
D这个区域呢就是这么一个区域
是(x,y)
x平方除以a方加上y平方除以b方小于等于一
这是椭球体在xy平面上的投影
就是这个椭圆
在D区域上
那么高度是多少呢
这个高度呢实际上来讲就是
把这个解出来
等于c根号 一减x方除以a方
减去y方除以b方dxdy
因为我们讲 它是要求椭球体的体积
所以呢上下都算是两倍的
如果说我仅仅算dxy呢
是这个区域
也就我们把上半椭球体呢
又分成前后左右四块
那么我们再给约束条件
x大于等于零 y大于等于零
这样的话实际上椭球体的体积
上面有四块
底下有四块
所以呢这应该乘上一个八倍的
那你会发现
这个东西怎么去算
这是一个很困难的一件事情
我们不知道这么去算
如果能算的话
也是非常非常困难的
那么我们引进坐标变换
我们已经引进过一类广义的极坐标系
就是椭圆坐标系
处理椭圆问题呢
用椭圆坐标系是最简单的
这个坐标系呢
我们现在就要引进椭圆坐标系
x等于a乘上ρcosφ
y就等于b乘上ρsinφ
好 我们看看这么一个椭圆坐标变换
把原来那个四分之一的椭圆
直角坐标系下的四分之一椭圆
变成了一个新的坐标系下的一个区域
是什么东西呢 是(ρ,φ)
那我们可以知道
φ呢是从零到二分之π转一圈
所以呢零小于等于φ小于等于二分之π转一圈
ρ的变化范围
ρ是从原点出发到这条曲线
而这条曲线我们来看看这条曲线
这条曲线的话是
x平方除以a方加上y平方除以b方等于一
我们把x等于aρcosφ
y等于bρsinφ
代进去之后 你会发现
这条曲线就是ρ等于一
既然ρ等于一
所以呢ρ的变化范围是大于等于零
小于等于一
所以呢我们把直接坐标系下
这么一个四分之一椭圆这么一个区域
在椭圆坐标系下
就变成了一个长方形的区域
这当然给我们的计算带来了极大的方便
我们区域改变之后
我们在这么一个椭圆坐标系的坐标变换下
我们把原来的积分变成了什么东西呢
八倍放在那
我们来看看φ的变化范围
是从零到二分之π
零到二分之πdφ
ρ的变化范围是从零到一
零到一
被积函数呢是c乘上根号一减去
x方除以a方呢就等于ρ方cos方φ
y方除以b方呢等于ρ方sin平方φ
sin平方加cos平方等于一
所以呢 实际上最后剩下就是ρ平方
那么还有一个问题
就是面积之间是怎么改变的
那我们就要来算这么一件事情了
偏x偏ρ偏x偏φ
偏y偏ρ偏y偏φ
的行列式的绝对值
我们可以仔细算一下
就等于ab乘上ρ
所以呢再乘上abρdρ
要注意这个东西千万不能落掉
有一点点可以有小的技巧的地方
我们可以算一下这个积分
这是先算的一个积分
二次积分有一个先算的
有一个后算的
这是先算的那个积分
我们可以发现 这个积分
被积函数是不是跟φ是没有关系的
积分的上下限跟φ也是没有关系的
所以这个积分算完之后就是一个常数
作为一个常数
可以把它拿到积分号的外面
那么剩下那个积分不就是
一从零到二分之π的积分
所以呢就是等于二分之π
所以它就等于
八乘上二分之π
再乘上零到一的积分c根号一减ρ方
乘上abρdρ
要注意这件事情可以行得通
或者说可以正确的时候
需要满足一定的条件
被积函数要跟
后面这个积分φ是没关系的
不出现φ
积分上下限也不出现φ
这时候是可以这么来做的
那么这样的话我们可以发现
它是等于四倍的π乘上abc
从零到一的积分根号一减ρ的平方
乘上ρdρ
这就变成了一个定积分了
而且这个定积分是一个很容易算的定积分
因为如果你要再算一下的话
等于四的π abc
零到一的积分根号一减ρ平方
再乘上d的
二分之一的dρ的平方
连三角公式都不需要的
那么我们可以发现
最后算一下等于
三分之四的πabc
作为一个特例
如果a等于b等于c的话
这就是一个球的方程
所以呢球的体积的话
当然就是三分之四πr三次方
好我们来看看二重积分的应用
一个很重要的应用
就是曲面的面积
假如说空间有一个曲面
x等于u v的函数
y是u v的函数
z呢是u v的函数
其中u v呢是在一个平面区域上
是一个有界区域
这个曲面S呢
这些函数x y z
都是C1类的函数
也就是所有的偏导数都是连续的函数
并且满足正则曲面
也就是说 如果说我把A写成是
y对u的偏导数 y对v的偏导数
z对u的偏导数 z对v的偏导数
把B写成是
z对u的偏导数 z对v的偏导数
x对u的偏导数 x对v的偏导数
C呢写成是
x对u的偏导数 x对v的偏导数
y对u的偏导数 y对v的偏导数
并且满足
A方加上B方加上C方是不等于零的
满足这些条件
在满足这些条件的情况下
我们看一下
我们想求的就是空间曲面
S曲面的面积
其中呢u v呢
是一个平面区域上的一个有界区域
这个呢Duv
这个是S曲面
我们要求这个S曲面的面积
我们所用的工具呢还是那个工具
我们把S曲面做分割
分割完了之后每一小片做近似
最后求和最后求极限
最后呢把它用一个积分
来把它构造出来
我们这个分割呢是在uv平面做分割
我们在uv平面上我们找很小的一小片
分割一个小的长方形的条
我们取几个点
我们把这个点呢叫做P0
这个点叫做P1
这个点叫做P2
我们对uv平面上做分割
这是u这是v
比如说我们这条线
我们把它叫做u等于u0
也就是P0这一点
它的坐标是(u0,v0)
P1这一点呢
它的坐标是(u0+Δu,v0)
P2这一点呢
它的坐标是(u0,v0+Δv)
ΔuΔv都是小量
那么我们看一下这条线
u等于u0 我们把它代进去之后
我们可以发现u等于u0
它就是S曲面上的
把v看成参数的话
就是S曲面上的一条曲线
同样把u等于u0加上Δu
把它写上去 这么写上去
实际上这个四条直的线
我们把它代入这个曲面的方程
相对应的就是曲面上的四条曲线
其中这有几个交点
这个点呢叫做P0星号
这一点呢叫做P1星号
这一点呢叫做P2星号
我们把这个小曲面呢给它放大
放大之后我们可以知道
就是这么一个曲面
这一点叫做P0的星号
这一点叫做P1的星号
这一点叫做P2的星号
那么P0P1P2它的坐标就是这么一个坐标
那么P0星号的坐标
x呢就是(u0,v0)
y呢也是(u0,v0)
z呢也是(u0,v0)
曲面上的一点
P1星号呢 它的坐标
x呢是(u0+Δu,v0)
y呢是在(u0+Δu,v0)上取值
z呢也是在(u0+Δu,v0)上取值
这是P1的星号的坐标
P2星号的坐标
x呢是在(u0,v0+Δv)取值
你看(u0,v0+Δv)取值
同样y呢也是在(u0,v0+Δv)取值
z呢也是(u0,v0+Δv)的取值
我们来看一看
向量P0星号P1星号构成的一个向量
也就是说相当于这么一个向量
这个向量呢是P1星号减去P0星号
那么分成几个分量
第一个分量是x在(u0+Δu,v0)取值
减去x在(u0,v0)取值
用一下微分中值定理
大概基本上就是近似于
偏x偏u在(u0,v0)取值乘上Δu
第二个分量是y在(u0+Δu,v0)
减去y在(u0,v0)取值
再用一下关于y这个函数的
微分中值定理就是
偏y偏uΔu
第三个分量就是z
偏z偏uΔu
或者说呢 我们把它写成
偏x偏u 偏y偏u 偏z偏u乘上Δu
同样我们可以发现
P0星号P2星号构成的一个向量
就相当于P2减去P0
这时候我们大家会发现
u第一分量是不变
第二分量是改变的
所以呢它就近似于等于
偏x偏v 偏y偏v 偏z偏v乘上Δv
这是两个向量
这个曲面尽管是很小一片
但是它也是曲面
那么这个曲面的它的面积
近似的可以由两个向量
所张成的平行四边形的面积近似的表示
那么这个平行四边形的面积
曲面的面积呢
近似的等于平行四边形的面积
这个平行四边形的面积
又近似的等于这两个向量
P0星号P1星号作为一个向量
和另外一个向量P0星号P2星号作为一个向量
叉积的模
因为我们讲两个向量叉积
它的大小呢或者说模呢
就是由这两个向量所张成的平行四边形的面积
正好就是这个面积
方向的话就是垂直方向
所以呢我们现在用的是面积
那么也就是说这两个向量做叉积
这两个向量的叉积我们算一下之后
我们就可以发现
它就等于根号A方加上B方加上C方ΔuΔv
其中这个A B C实际上就是我们这算出来的A B C
这就是曲面上的面积
和这个ΔuΔv实际上就是
Duv这个区域上的长方形面积
它们之间的一个比例关系
那么我们可以知道 S这个面积
我们做累加 我们分割完了做累加
所以的都加一遍
累加之后再让分割趋于零
最后我们再用积分的定义
我们就可以知道
S呢就等于在Duv上
根号A方加上B方加上C方dudv
我们同样用了二重积分的定义
分割 然后呢取点 累加 求极限
判断无关性
只要这是一个C1类的函数
并且A B C不同时为零的话
那么这个曲面的面积就等于
根号A方加B方加上C
这么一个二重积分
作为一个特例
如果说这个曲面它的方程
是由z等于z(x,y)来表示
其中呢xy呢是一个平面区域
Dxy属于一个xy上的平面区域
那么这时候曲面的面积
也是一个Dxy上的二重积分
我们去算一下 A B C
最后我们算的结果就可以写成是
一加上z对x的偏导数括弧平方
加上括弧z对y的偏导数括弧平方dxdy
可以用一个关于xy的二重积分
来表示这么一个空间曲面的面积
所以这是一个参数方程的曲面公式
这是一个显函数方程
z等于xy显函数方程的曲面的面积公式
我们下面给一个例子来看一下
好 我们来看一下例子
S这个曲面
曲面的方程是z等于根号
x平方减y平方
它包含在某一个柱面
x方加上y方括弧的平方等于
a方x方减y方
包含在柱面内的那部分曲面内的曲面面积
好 我们知道
一加上偏z偏x括弧的平方
加上偏z偏y括弧的平方
这不就是求曲面面积所要的么
我们把z等于根号x方减y方
朝里面一代
就等于根号两倍的x方除以x方减y方
那么积分区域Dxy呢
是这么一个区域
就是x方加上y方括弧的平方
小于等于a方x方减去y方
这个区域是什么东西呢
我们在直角坐标系下不太好看
我们把它写成极坐标系
x就等于ρcosφ
y就等于ρsinφ
朝里面一代的话
那么左边那个是ρ的四次方
小于等于a平方乘上ρ的平方
cos平方减sin的平方是cos两倍的φ
把ρ平方ρ平方消掉一次
那么也就是说ρ小于等于
a根号cos两倍的φ
这个曲线的
它这个曲面的边界线的形状呢
大概是这么一个样子
从负的四分之π出发到零
到正的四分之π回来
然后呢 另外一半是对称的
完全是一个对称的区域 双纽线
这就是Dxy区域
左右是对称的
所以呢我们知道曲面的面积S
就是等于Dxy这个区域上
根号2x平方x平方减y平方dxdy
就可以用这么一个二重积分来表示
那么在极坐标的坐标变换下
我们可以知道这个曲面
左右是对称的
积分区域左右也是对称的
所以呢它就等于
两倍的D右侧的那个区域上的
两倍的根号x平方x平方减y平方dxdy
就等于两倍的根号二
φ呢从负的四分之π到正的四分之πdφ
ρ呢是从原点出发到边界线
边界线ρ等于acos两倍的φ
所以呢ρ呢从零到a乘上根号cos两倍的φ
被积函数呢就是x
x呢就是等于ρcosφ除以
x平方减y平方
就是等于ρ根号
x平方呢等于ρ的平方cos平方φ
y平方呢是ρ的平方sin平方φ
就是cos两倍的φ
极坐标变换乘上ρdρ
把这个消掉
等于两倍
因为这个对称性
所以呢等于四倍的根号二
从零到四分之π的积分dφ
从零到a根号cos2φ的积分
乘上ρcosφ
除以根号cos2φdφ
我们把φ
跟φ有关系的提出来
里面的被积函数等于
二分之一ρ的平方
所以等于二分之一跟二抵消
剩下的二倍的根号二
零到四分之π
a平方cosφ
再乘上根号的平方就是cos2φ
除以根号还是cos2φ dφ
也就等于二倍的根号二 a的平方
从零到四分之π
内部呢是等于 用倍角公式
一减去两倍的sin平方φdsinφ
最后算一下
用一下变量代换算一下
就等于二分之πa的平方
这就是我们这张曲面
包含在柱面
这是一个柱面内的
这个曲面的面积的具体的计算过程
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题