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 > 第二节 二重积分的计算 > 极坐标系下的二重积分
同学 你好
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《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
极坐标系下的二重积分
前面 我们定义和计算了
直角坐标系下的二重积分
特别是 在一定条件下
富比尼定理保证了
可以将二重积分约化为累次积分
进行计算
对于矩形区域
累次积分中每个积分上下限
分别为积分变元变化的最大值和最小值
而对于非矩形区域
我们分别讨论了y型区域和x型区域
这两种简单情形
对于一般区域情形
利用二重积分对区域的可加性
将一般区域约化为
若干个y型区域和x型区域的并
再分别利用相应的累次积分
计算二重积分
最后 再加起来
对于像圆和扇形的平面区域
采用直角坐标系计算并不是很方便
此时 可以考虑采用极坐标系计算
那么 如何定义和计算
极坐标系下的二重积分
这就是本讲的中心任务
设由两段圆弧和两条直线段
所围成的平面区域S
考虑二元函数在区域S上的二重积分
这个区域S是y型区域还是x型区域
都不是
那么 如何计算区域S上的二重积分
对于这个区域
如果采用极坐标系
区域可以描述为
此时,变量r和θ的变化相互独立
称为极矩形
那么 面积元dxdy
在极坐标系下变成什么
同学 动脑想一想 动手算一算
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流吧
类似于直角坐标系下的
矩形区域上的二重积分定义
我们可以定义
极坐标系下极矩形S上的二重积分
第一步 分割
对极矩形S作分割
得到若干个小的极矩形Sij
第二步 近似
对于每个小极矩形Sij
它还是曲边的
为了计算曲边极矩形Sij的面积
我们以半径方向上的变化量△ri
和圆弧方向上的变化量r△θj的乘积
近似小极矩形Sij的面积
再在每个小极矩形上
任取一点作为样点
以二元函数在这个样点处的取值
乘以小极矩形的面积的近似值r△θj △ri
第三步 求和
将小极矩形上的近似值求和
得到大的极矩形上积分和或者黎曼和
第四步 取极限
当分割无限细分下去时
如果积分和的极限存在
并且与分割方式 样点的选取无关
则称二元函数f(r,θ)在S上可积
函数f(r,θ)在S上的二重积分
就等于积分和的极限
从这个定义过程中
我们事实上推导出了
极坐标系下的面积元dA=rdrdθ
同学 如何理解
极坐标系下的面积元表达式
进一步地
如何计算极坐标系下的二重积分
动脑想一想
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
我们还是回到前面的具体实例
考察极矩形S上的二重积分
注意到 在极矩形中
变量r和θ的变化相互独立
因此 类似于直角坐标系下
矩形区域上的二重积分
约化为累次积分进行计算
我们也可以将极矩形上的二重积分
约化为累次积分进行计算
为此 我们可以将
极矩形区域上的二重积分
约化为先r后θ的累次积分
再由内而外 逐次积分
可以得到累次积分和二重积分的值
对于极坐标系下的一般有界闭集S
和二元函数f(r,θ)
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
我们选择一个极矩形R 包含S
并将S上的函数f零延拓到R上
如果零延拓之后的函数f ̃
在极矩形R上可积
那么 我们称二元函数f
在有界闭集S上可积
函数f~在极矩形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 利用极矩形上的二重积分
定义了有界闭集S上的二重积分
我们来考察一个具体实例
设平面区域S
在第一象限内
位于圆r=2之外
心形线r=2(1+cosθ)之内
二元函数z=r sinθ
试求函数z在区域S上的二重积分
这个区域是极矩形吗
由区域S的图形
可以得到变量r和θ的变化情况
进而 可以将函数z
在区域S上的二重积分
约化为一个先r后θ的累次积分
再由内而外 逐次积分
可以得到累次积分
和二重积分的值
同学 动脑想一想
这种约化方式适用于什么样的区域
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
上述区域具有一个特点
就是区域介于两条过极点的
直线段之间
称为r型区域
极坐标系下的二元函数 f
在r型区域上的二重积分
可以约化为一个先r后θ的累次积分
进行计算
同学 拿出纸和笔
计算一下二元函数z
在平面区域S上的二重积分
区域S是一个圆心在y轴上
与x轴在原点处相切的圆盘
那么 如何在极坐标系下表达这个圆盘
对圆周上任意一点
连接该点与y轴上直径的两个端点
可以得到一个直角三角形
其中一个角度就等于极角θ
而极径r=2 sinθ
因此 圆盘S可以描述为
进而 函数z在区域S上的二重积分
可以约化为一个先r后θ的累次积分
再由内而外 逐次积分
可以得到累次积分和二重积分的值
当然 在某些时候
某些平面区域
可以描述为
称之为θ型区域
此时 可以把S上的二重积分
约化为一个先θ后r的累次积分
进行计算
本讲 我们探究了
极坐标系下二重积分的定义和计算
对于极矩形
由于自变量r和θ的变化是相互独立的
因此 在确定累次积分中每个积分限时
只要保证每个积分的上下限
与积分元的变化的
最大值和最小值对应即可
而对于非极矩形区域
自变量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
我们分别讨论了
r型区域和θ型区域这两种简单情况
对于一般平面区域
利用二重积分对区域的可加性
将一般区域约化为
若干个r型区域和θ型区域的并
再分别利用相应的累次积分
计算二重积分
最后 再加起来
类似于一元函数定积分的换元法
某些时候我们也需要对二重积分
引入二元变量代换
将一个较难计算的二重积分
约化为有新变元的二重积分
有关二重积分的换元法
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