当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第四章 重积分及其应用 > 第一节 直角坐标系下的二重积分 > 矩形区域上的二重积分
同学 你好
欢迎来到中国大学先修课
《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师 宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
从本讲开始
我们来学习多元函数的积分及其应用
我们还是从简单到复杂
逐渐展开学习
首先 我们来学习
矩形区域上的二重积分
在一元微积分中
我们学习了
一元函数的定积分及其应用
几何上 如何计算曲边梯形
乃至一般平面区域的面积
物理上 如何计算变力沿直线做功
抛开这些具体问题的几何和物理的背景
可以抽象出
一元函数的定积分
定积分的定义采取的是
分割 近似 求和 取极限这四步
那么 如何定义二元函数的积分
这就是本讲的中心任务
设有一个非负的二元函数
它在矩形区域R上有定义
二元函数的图像
与坐标平面xoy之间的
曲顶柱体的体积等于多少
对于体积
我们知道长方体的体积
等于底面积乘以高
那么 这个曲顶柱体的体积
也等于底面积乘以高吗
底是一个矩形
因此 底面积很好算
那么 高呢
在不同之处
二元函数取值是变化的
因此 以函数在哪一点处的取值
作为曲顶柱体的高
同学 想一想
我们在计算曲边梯形面积时
也遇到过高变化的情形
我们当时是如何处理的
那个思想可以移植过来吗
采用曲边梯形面积计算的思想
来考察曲顶柱体的体积
第一步 分割
对定义域R作分割
第二步 近似
对于每个小矩形上的柱体
它还是一个曲顶的
也就是高还是变化的
我们作近似
在每个小矩形上任取一点作为样点
以二元函数在这个样点处的取值作高
得到一个长方体
以它的体积近似小曲顶柱体的体积
第三步 求和
对于分割中的脚标求和
也就是把分割得到的
小曲顶柱体体积的近似值求和
得到大的曲顶柱体的体积的一个近似
这个和就称为积分和或者黎曼和
为了得到曲顶柱体体积的精确值
必须取极限
当分割无限细分下去时
我们把积分和的极限
就定义为曲顶柱体的体积
这个积分和的极限一定存在吗
它的极限值依赖于哪些因素
如何精确刻画这个极限过程
同学 把曲顶柱体体积的定义过程
与曲边梯形面积做一个比较
你有什么心得体会
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
抛开上面计算
曲顶柱体体积的具体几何背景
可以抽象出二元函数二重积分的定义
设一个二元函数在矩形区域R上有定义
对定义域R作分割
在每个小矩形上任取一点作为样点
以二元函数在样点取值
乘以
对于分割中的脚标求和
得到黎曼和
当分割无限细分下去时
对积分和取极限
那么 如何精确刻画这个极限过程
如何定量地刻画分割越分越细
或者小矩形越来越小
我们以小矩形的对角线
作为矩形大小的定量刻画
这与我们熟悉的手机和电视机
等屏幕尺寸大小的定量刻画一样
将每个小矩形对角线的最大值
记为分割的宽度
它是分割粗细的定量刻画
同学 你觉得这样的定量刻画有道理吗
当分割的宽度趋于零正时
如果积分和的极限存在
并且与前面的分割方式
样点的选取都无关
则称二元函数在矩形区域R上可积
积分和的极限就是
二元函数在矩形区域R上的二重积分
那么 积分和的极限一定存在吗
为了探究积分和的极限是否存在
我们来考察二维狄利克雷函数
当x,y都是有理数时
它取值为1
其它点处 函数取值为零
不妨在单位矩形R内
考虑二维狄利克雷函数的可积性
对R的任意分割T
如果所有的样点都选取为有理点
即点的横纵坐标都是有理数
那么 狄利克雷函数取值都是1
因而 此时的积分和也等于1
积分和的极限也是1
如果所有的样点都不选取有理数
即点的横纵坐标至少有一个为无理数
那么 狄利克雷函数取值都是0
因而 此时的积分和也是0
积分和的极限也是0
这说明 对于样点的不同选取方法
积分和的极限不一样
这与二重积分定义中要求的
积分和的极限值与分割方式
样点选取都无关 不一致
所以 二维狄利克雷函数
在单位矩形上不可积
那么 什么样的二元函数可积
这就是二元函数可积性的判定了
在一元函数的积分学中
我们探究过一元函数可积的判定
例如 除了有限个点外
处处连续的函数一定可积
那么 对于二元函数
这个判定应该怎么提
对于二元函数
其定义域是一个面
此时 允许函数除了
有限条光滑曲线外处处连续
特别地 有界矩形上的连续函数
一定可积
我们再来考察
二维狄利克雷函数的连续性
它在哪些点连续
在哪些点不连续
事实上 它是处处都不连续的
因而 它不可积
也就不是那么出人意外了
从定义方式上看
二元函数的二重积分
与一元函数定积分是很相似的
都是有限和加极限
那么 二元函数的二重积分
具有与一元函数的定积分类似的性质吗
例如 线性性
如果已知两个二元函数
在同一矩形上可积
那么 它们的线性组合
在这个矩形区域上也可积吗
如果可积 积分等于多少
类似于一元函数的定积分
从有限和和极限的性质
可以推导出积分的线性性
即可积函数的线性组合
仍然可积
并且线性组合的积分
等于积分的线性组合
同学 自己动脑想一想
动手写一写
类似于一元函数定积分对区间的可加性
矩形区域上二元函数的二重积分
也对其积分区域具有可加性
假设矩形区域R
是由两个小的矩形区域并起来的
并且交集是直线段
那么 如果一个二元函数
在小矩形区域上都是可积的
则这个函数
在大的矩形区域R上也是可积的
并且在R上的二重积分值
就等于 二重积分值的和
类似于一元函数定积分的保序性
矩形区域上的
二元函数的二重积分也具有保序性
如果对于矩形区域R上的所有点
函数f的取值
总是小于等于函数g的取值
并且函数f和g
在矩形区域R上都是可积的
那么 取值较小的函数在区域R上的
二重积分值
一定小于等于取值较大的函数在R上的
二重积分值
这个性质称为二重积分的保序性
即二重积分保持了
函数取值的大小顺序不变
特别地 如果函数f
在区域R上的取值总是非负的
并且函数f在R上可积
那么 f在区域R上的二重积分值
也是非负的
这个性质称为二重积分的保号性
即二重积分保持了函数取值的符号不变
本讲 我们从求解曲顶柱体体积
这个几何问题出发
抽象出二元函数
在矩形区域上的二重积分
与一元函数定积分类似
二元函数在矩形区域上的二重积分
也是通过有限和加上极限来定义的
关于二元函数二重积分的存在性
简单地说
有界闭区域上的连续函数一定可积
随后 类比于一元函数定积分的性质
我们探讨了二元函数
在矩形区域上的二重积分的简单的性质
例如 线性性
对积分区域的可加性以及保序性等
这些性质可以帮助简化二重积分的计算
有关二元函数
在矩形区域上的二重积分的计算
请听下回分解
-第一节 空间直角坐标系
--平面初等几何
--平面解析几何
--空间直角坐标系
--空间图形与方程
-第一节 空间直角坐标系--作业
-第二节 空间向量及其运算
--向量及其几何表示
--向量的代数表示
--向量的数量积
--数量积的应用
--平面方程及其应用
--向量的向量积
--向量积的应用
-第二节 空间向量及其运算--作业
-第三节 空间解析几何
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-第一节 多元函数
--平面点集及其分类
--多元函数
-第一节 多元函数--作业
-第二节 多元函数的极限
--二重极限的定义
--二重极限的性质
--二重极限的计算
-第二节 多元函数的极限--作业
-第三节 多元函数的连续性
--多元函数的连续性
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-第一节 偏导数与方向导数--作业
-第二节 多元函数的一阶可微性
-第二节 多元函数的一阶可微性--作业
-第三节 一阶微分的应用
-第三节 一阶微分的应用--作业
-第四节 多元函数的高阶可微性
-第四节 多元函数的高阶可微性--作业
-多元微分学总结
--多元微分学总结
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业
-第二节 二重积分的计算
--二重积分的换元法
--二重积分计算举例
-第二节 二重积分的计算--作业
-第三节 二重积分的应用
-第三节 二重积分的应用--作业
-第四节 直角坐标系下的三重积分
--三重积分计算举例
-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业
-第五节 其它坐标系下的三重积分
-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业
-第六节 三重积分的计算与应用
--三重积分的换元法
--三重积分应用举例
-重积分总结
--重积分总结
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业
-第二节 第一型曲面积分及其应用
--曲面的面积
-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业
-曲线曲面积分总结
--曲线曲面积分总结





