当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第三章重积分 > 第四节 三重积分 > 球坐标系例题
好 我们来看一道例题
用球坐标系算这么一个三重积分
被积函数是x平方加z平方
Ω区域是这么一个区域
(x,y,z)x平方加上y平方加上z-R平方
R是大于零的数
小于等于R的平方
我们先来看看
Ω区域在球坐标系下的表示
画一下图
这是一个球
所以一般看来
用球坐标系比较简单一点
这叫做Ω区域
我们知道Ω区域对θ角来讲
从零到二分之π转了90度
所以θ是大于等于零小于等于二分之π
对φ来讲是水平的转了360度
所以φ是大于等于零小于等于2π
对r来讲 我随便找一个r
这个是在球里面
从某一点出来了
所以r的范围一定是从零开始
到这个球面
所以r大于等于零
我们来看看这个球面的球坐标方程怎么表示
这个球面实际上就是
x方加上y方加上z方等于两倍的Rz
这是球面方程
那么x方加上y方加上z方就等于r的平方
就等于两倍的R
z就是rcosθ
把r去掉
这个球面的方程 r就等于两倍的半径乘上cosθ
所以我们可以看出来r的变化范围
是从零到两倍的Rcosθ
这就是Ω区域在球坐标系下的表示形式
如果我们还是按老样子
记I是这么一个三重积分的话
I就可以写成从零到二分之πdθ
从零到2πdφ
然后是从零到两倍的Rcosθ
被积函数是x平方加z平方
x平方是rsinθcosφ括弧的平方
加上z平方是rcosθ的平方
这是被积函数
乘上体积元素的比例因子
就是r平方sinθdr
所以这就是我们刚才那个三重积分
在球坐标系下的三重积分的表达形式
我们可以看出来r的平方r的平方r的平方
一个是r的四次方
那么对r的积分
就是从零到二分之πdθ
最外的积分我们先不管
然后从零到2πdφ
里面我们把常数拿出来
是sin平方θcos平方φ加上cos平方θ
这是常数 再乘上sinθ
里面从零到两倍的Rcosθ
r的四次方dr
r的平方r的平方r的平方
一共乘起来是r的四次方
那么被积函数sin平方cos平方φ
加上cos平方θ
再乘上这还有一个sinθ
作为θ和φ的函数
对r这个变量来讲它都是一个常数
所以完全可以拿出来的
变成这么一个积分
这个积分我们重新改写一下
可以写成从零到二分之πdθ
从零到2πdφ
那么被积函数我们可以写一下是
sin平方θcos平方φ加上
cos平方θ乘上sinθ
这是原来那个常数
照样抄下来
r的四次方的积分
当然就是五分之r的五次方
我们把上限下限往里面放
乘上五分之32R的五次方cos五次方θ
这就就是一个二重积分
被积函数对φ先做一次积分
然后对θ再做一次积分
这些都是三角函数
所以算起来并不是太复杂
我们给一个最后的答案
这个答案就是15分之28 πR的五次方
这样的话 用球坐标变换
把一个看上去复杂的三重积分
变成了相对来讲比较简单的三次积分
最后我们可以很容易的把它算出来
所以我们可以发现
跟球面有关系的这种曲面
通常用球坐标系会简单一点
那么我们讲了各种各样的坐标系
那么我们可以发现两个问题
我们在原来讲定积分的时候
我们也讲坐标变换讲变量代换
我们讲二重积分和三重积分的时候
同样也讲讲坐标变换讲变量代换
那么它们的目的是不一样的
定积分的变量代换的目的
就是要使被积函数变得简单
因为对定积分来讲 通过变量代换
它把一个区间仍然还是变成一个区间
所以这个没有简单和复杂之分
反正两个都是区间
那么二重积分也好
三重积分的变量代换
其实最终的目的我们希望能够做到
把积分区域变得简单
把被积函数做的简单
然后这两件事情一般来讲
不一定能够同时做到
所以在做变量代换的时候
或者在选择坐标系的时候
对重积分二重积分三重积分来讲
我们实际上更关注的或者说更在意的
就是使这个积分区域变得简单
那么球坐标系柱坐标系
包括二重积分的极坐标系椭圆坐标系
对于某一类特定的一些区域
那么通过这些坐标变换
通常会变得简单一点
-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
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-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
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--偏导数的几何意义
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-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
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--可微的充分条件
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-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
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-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
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--方向导数的概念
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-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
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--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
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-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
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--极值点的判别法
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-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
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--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
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--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
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--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
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-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
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-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
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--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
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--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
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--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