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矩形区域上二重积分的计算

下一节:非矩形区域上的二重积分

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矩形区域上二重积分的计算课程教案、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

本讲我们来学习

矩形区域上二重积分的计算

前面 我们利用分割 近似 求和

以及取极限这四步

定义了矩形区域上二元函数的二重积分

与一元函数的定积分类似

二重积分也是有限和 加上极限

随后 类比于一元函数定积分的性质

我们探讨了

二元函数二重积分的简单性质

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

那么

如何计算

二元函数在矩形区域上的二重积分

这就是本讲的中心任务

设有一个二元连续函数f(x,y)

它在矩形区域R上有定义

前面 我们利用二重积分

表达了二元函数图像

与坐标平面xoy之间

所围成曲顶柱体的体积

那么 如何计算出这个体积

我们利用“切体成片”的思想

用垂直于x轴的两个平行平面

去切曲顶柱体

得到一个薄片

薄片厚度为dx

记在x位置处截面的面积为A(x)

那么 切得的薄片体积近似为A(x)dx

再“叠面成体”

将薄片体积加起来

可以得到原来曲顶柱体的体积

那么 如何计算截面面积A(x)

可以利用关于变量y的定积分来表示

再代入体积的表达式

同学 你能得出什么样的结论

这个结论具有一般性吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流吧

将截面面积的计算表达式

代入体积的计算公式

可以得到一个

由一定次序的定积分所组成的式子

这个式子称为累次积分

它也可以表达原来曲顶柱体的体积

因而 与前面表达

曲顶柱体体积的二重积分应该相等

当然 也可以考虑另外的计算顺序

即先计算关于变量x的定积分

再计算关于变量y的定积分

它们应该都是相等的

累次积分也体现了

控制变量的思想

因为 在计算内层积分时

将外层积分的变元视为常数

分别计算这两个累次积分

第一个是

先对变量x计算定积分

再对变量y计算定积分

第二个是P先对变量y计算定积分

再对变量x计算定积分

进一步地

比较两者的积分值是否相等

也就是确认能否交换

累次积分的积分顺序

累次积分的计算顺序是

由内而外 逐次积分

在计算内层积分时

将外层积分的变元视为常数

对于第一个累次积分

先计算关于变量x的定积分

此时 视变量y为常数

得到的积分值

一般是一个关于变量y的函数

再计算关于变量y的定积分

可以得到累次积分的值

类似 可以计算第二个累次积分的值

同学 你发现没有

这两个累次积分的值是相等的

这个结论具有一般性吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

从前面关于曲顶柱体体积的计算过程

可以得到

二元连续函数的二重积分值

与两个不同顺序的累次积分值是相等的

那么 对于一般的二元函数

这个结论还成立吗

其实 还有一个基本问题

这些积分都是存在的吗

富比尼给出二重积分

与累次积分相等的一个充分性定理

即如果二重积分存在

对于每个y

关于变量x的定积分都存在

那么 先对x再对y的累次积分存在

并且累次积分的值与二重积分的值相等

同样 可以叙述先y对

再对x的累次积分存在

并与二重积分相等的条件

当然 对于连续的二元函数

在有界闭矩形上

这些积分都存在

并且积分值都是相等的

那么 如何证明富比尼定理呢

同学 动脑想一想

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

由二重积分的定义可知

二重积分存在说明

在二重积分的最后一步取极限时

极限值与分割方式

样点选取等无关

那么

对于矩形区域R上的任意一个分割

选取特殊的样点

这些样点有什么样的特点

所得到的积分和

可以写成二重求和的形式

再分开计算

也就是先对变量x的脚标i求和

再对变量y的脚标j求和

再由对于每个y

关于变量x的定积分都存在可知

内层求和的极限

就是关于变量x的定积分

再对变量y的脚标j求和取极限

极限值就是先x后y的累次积分

同学 再回头仔细品味一下

这个定理的证明思想

想一想定理条件用在哪里

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

在富比尼定理中

要求二重积分

以及对某个变量的定积分都存在

才能保证累次积分存在

进而累次积分值与二重积分值相等

那么 二重积分与累次积分的存在性

是相互依赖关系 还是相互独立的

或者说 由二重积分的存在

是否可以推出累次积分存在

或者反过来 由累次积分存在

是否可以推出二重积分存在

我们来考察一个具体实例

在单位矩形区域上

考察分段定义的函数f(x,y)

当x是无理数时 函数取常值1

当x是有理数时 函数取2y

这个函数在矩形区域上是否可积

对每个y 关于x的定积分是否都存在

对于每个分割取样点的横坐标

或者全是有理数

或者全是无理数

可以验证 积分和的极限不相等

因此 二重积分和先x后y的

累次积分都不存在

而对每个x

关于y的定积分是否都存在

也是分x是无理数和x

是有理数两种情形讨论

可以发现

关于y的定积分都存在

并且积分值都等于1

因此 先y后x的累次积分存在

同学 你能举出一个二重积分存在

但是累次积分不存在的例子吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

同学 拿出纸和笔

计算一下这个二元多项式函数

在矩形区域R上的二重积分

首先 对二重积分

和累次积分的存在性

做一个判定

因为二元多项式函数

在整个平面上都是连续的

矩形区域R是一个有界闭区域

因此 二重积分

以及累次积分都是存在的

所以 利用富比尼定理

可以通过计算累次积分

而得到二重积分的值

我们可以采取两种不同的计算顺序

来计算累次积分

第一种是先x后y

逐次积分可得累次积分的值

第二种是先y后x

逐次积分也可以得到累次积分的值

果然 正如富比尼定理所断言的

这两个不同顺序的累次积分值是相等的

也就是二重积分的值

在一元函数的积分学中

有一个施瓦兹不等式

即对于闭区间[a,b]上的两个可积函数

它们乘积积分的平方

一定小于等于各自平方积分的乘积

这个不等式还有一个离散形式

同学 你还记得吗

这是一个关于定积分的不等式

我们当时是怎么证明的

现在 我们采取“升维”的思想

构造适当的二重积分

证明这个关于定积分的不等式

那么 怎样构造二重积分

在矩形区域R上

构造二元非负函数

则它在矩形R上二重积分

一定是非负的

将被积函数的平方展开

并将二重积分约化为累次积分

利用定积分的积分变元

是哑元这个事实

移项 整理可得

施瓦兹不等式

本讲 我们利用控制变量法

将二重积分约化为累次积分

累次积分的两个定积分具有一定的次序

这就是富比尼定理

它说明 在二重积分

和关于某个变量的定积分

都存在的前提下

可以推导出相应的累次积分存在

并且累次积分的值等于二重积分的值

富比尼定理

把二重积分的计算

约化为累次积分的计算

但是在积分的存在性上

富比尼定理并没有给出判定

事实上 二重积分和累次积分的存在性

不是相互依赖的关系

由于矩形区域上的两个变量的

变化范围是相互独立的

因此 在把矩形区域上二重积分

约化为累次积分时

定积分的上 下限

可以直接写上

相应变量的最小值和最大值

但是 如果区域不是矩形的区域

那么 变量的变化范围是相互关联的

此时 将二重积分约化为累次积分

就需要特别关注积分限的确定了

有关非矩形区域上的

二重积分的定义和计算

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

矩形区域上二重积分的计算笔记与讨论

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