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 > 非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
本讲 我们来学习
非矩形区域上的二重积分
前面 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
也是采用 分割 近似 求和
取极限这四步来定义的
从定义上看
二重积分也是有限和加极限
因此 二重积分
具有与定积分类似的性质
例如 线性性
对积分区域的可加性
以及保序性等
在计算层面上看
富比尼定理指出
在一定条件下
矩形区域上二重积分的计算
可以约化为累次积分的计算
那么
如何定义非矩形区域上的
二元函数的二重积分
这就是本讲的中心任务
平面α与三个坐标平面围成一个四面体
那么 这个四面体的体积等于多少
平面α在三个坐标轴上的截距
分别为a=4 b=2 c=3
在平面α的方程中 解出变量z
得到一个二元函数z(x,y)
再考察四面体
在坐标平面 x o y 上的投影区域S
这是一个三角形区域
类似于曲顶柱体体积的计算积分表达式
我们可以将四面体的体积
就定义为三角形区域S上的
二元函数z(x,y)的二重积分
如何定义和计算
这样的非矩形区域上的二重积分
为了计算上面的四面体的体积
我们将底面的三角形
补成一个矩形R
并将二元函数零延拓到
这个矩形区域上
这个做法具有什么样的几何意义
由于在三角形区域S外面
函数取值为零
也就是高为零
因此 它们对计算体积没有贡献
也就是 四面体的体积
等于零延拓之后函数
在矩形区域上的二重积分
如何计算这个二重积分
为了计算零延拓之后函数
在矩形区域上的二重积分
利用富比尼定理
约化为累次积分
例如 先y后x的累次积分
注意到 在计算内层积分时
当y大于2-x/2时
函数取值为零
对积分没有贡献
所以 只需从零积到2-x/2
逐次积分
可以计算出
四面体的体积为4
这个计算方法和结果对吗
同学 你能用初等算法
计算出四面体的体积吗
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
上面四面体的体积
可以利用初等算法来计算
将这个四面体补成一个直三棱柱
直三棱柱的体积等于底面积乘以高
底面又是一个直角三角形
因此 底面积等于
两个直角边长度乘积的二分之一
因此 直三棱柱的体积等于12
而四面体
也就是三棱锥的体积
等于等底同高的三棱柱体积的三分之一
从而 原来的四面体体积等于4
这与上面的面积计算结果一致
既然可以用初等算法
就可以算出来的东西
为什么我们还要采用积分算法呢
如何理解上述初等算法中
公式的三棱锥的体积等于
等底同高的三棱柱体积的三分之一
同学 动脑想一想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
对于一般有界闭集S
和二元函数f(x,y)
如何定义二元函数f
在有界闭集S上的二重积分
对于有界闭集S
我们选择一个矩形区域R
它包含S 并将S上的函数f
零延拓至R上
如果零延拓之后的函数
在矩形区域R上可积
那么 我们又称二元函数f
在有界闭集S上可积
函数在矩形区域R上的二重积分值
就是f在有界闭集S上的二重积分值
这样 利用矩形区域上的二重积分
定义了有界闭集S上的二重积分
我们知道
高恒为1的柱体体积就等于它的底面积
同样 如果常值函数f(x,y)≡1
在有界闭集S上可积
那么 有界闭集S是有面积的
并且它的面积就等于常值函数1
在有界闭集S上的二重积分值
这样 我们利用二重积分
定义了平面上有界闭集S的面积
那么 有没有可能常值函数1
不可积的集合
常值函数1在某个集合不可积
说明了什么
考察单位正方形内的有理点
即横纵坐标都是有理数的点
所构成的集合S
常值函数1在集合S上是否可积
将集合S上的常值函数1
零延拓到单位正方形上
得到的函数事实上是
二维的狄利克雷函数
前面 我们讨论过
它在正方形上不可积
这说明什么
首先 这个结论说明
集合S上的常值函数1不可积
进一步地说明集合S没有面积
类似于矩形区域上的二重积分
非矩形区域上的二重积分
也具有线性性
也就是
两个可积函数的线性组合还是可积的
并且线性组合的积分等于
各自积分的线性组合
二重积分的线性性
本质上是继承了
有限求和和极限的线性性
同样 非矩形区域上的二重积分
对积分的集合也具有可加性
假设集合S是由两个集合
S1和S2并起来的
并且S1和S2的交集至多为光滑曲线
那么
如果一个二元函数f(x,y)
分别在集合S1和S2上都可积
则这个函数在集合S上也是可积的
并且在S上的二重积分值就等于
在S1和S2上的二重积分的值的和
同样 非矩形区域上的二重积分
也具有保序性
如果对于集合S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在集合S上都是可积的
那么 取值较小的函数f
在集合S上的二重积分值
一定小于等于取值较大的函数g
在集合S上的二重积分值
特别地 如果函数f
在集合S上的取值总是非负的
并且函数f在集合S上可积
那么
f在集合S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 我们利用矩形区域上的二重积分
定义了非矩形区域上的二重积分
这体现了数学上的约化的思想
与矩形区域上的二重积分类似
非矩形区域上二重积分
也有一些有用的性质
例如 线性性
对积分集合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
有关非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