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极坐标系下的二重积分在线视频

极坐标系下的二重积分

下一节:二重积分的换元法

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极坐标系下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

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

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

极坐标系下的二重积分笔记与讨论

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