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矩形区域上的二重积分在线视频

矩形区域上的二重积分

下一节:矩形区域上二重积分的计算

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矩形区域上的二重积分课程教案、知识点、字幕

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

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-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

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-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

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-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

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-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

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-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

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-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

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-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

--极坐标系下的二重积分

--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

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-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

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--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

--柱坐标系下的三重积分

--球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

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-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

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-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

矩形区域上的二重积分笔记与讨论

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