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二重积分计算举例

下一节:二重积分的几何应用

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二重积分计算举例课程教案、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 我们来学习几个二重积分的计算实例

前面 我们探讨了二重积分的定义

对于矩形区域上的二重积分

我们通过分割 近似 求和

取极限这四步来定义的

而对于非矩形区域上的二重积分

我们是将它约化为零延拓之后函数

在矩形区域上的二重积分

二重积分具有与定积分类似的良好性质

这些性质可以帮助简化二重积分的计算

一般地

利用富比尼定理

可以将一个二重积分的计算问题

约化为累次积分的计算问题

当然

有可能累次积分不同计算顺序

对积分的计算有很大的影响

需要我们具体问题具体分析

那么

如何灵活运用二重积分的性质

准确快速地计算二重积分

这就是本讲的中心任务

在由四条直线所围成的区域上

计算二重积分

在直角坐标系内画出题中所给的四条直线

进而确定它们所围成的区域

对函数的可积性做一个判定

这个二元函数是多项式

与指数函数的复合和乘积

因此 在整个平面上都是连续的

而积分区域是一个有界闭区域

从而 函数在这个区域上是可积的

确定自变量x,y的变化范围

以及相互依赖关系

考虑一下积分区域是x型区域

还是y型区域

选定合适的累次积分顺序

计算积分

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

如果把积分区域视为一个x型区域

就需要将S分成三个部分

分别计算积分

第一部分

x从1变到2 y从1变到x

第二部分

x从2变到3 y从二分之x变到x

第三部分

x从3变到6 y从二分之x变到3

分别将上面三个x型区域上的二重积分

约化为先y后x的累次积分

但是

内层关于变量y的积分是积不出来的

所以 这个解答并不能得到积分值

同学 试着换个积分顺序

看能不能计算出二重积分的值

试着将积分区域视为一个y型区域

此时 y从1变到3

而对于从1到3上的任意y

x从y变到2倍的y

由上述关于y型区域的描述

我们可以将原来的二重积分

改写为先x后y的累次积分

进行计算

由内而外 逐次积分

可以得到累次积分和二重积分的值

上面 两种不同顺序计算顺序

一种顺序积不出来

而另一种顺序却计算出来了

由此可见

选择合适的积分顺序

对于利用累次积分法

计算二重积分的重要性

我们再来看一道二重积分的题目

在由三条直线和一条曲线所围成的区域上

计算二重积分

在直角坐标系内画出题中所给的三条直线

和一条曲线

进而确定它们所围成的区域

对函数的可积性做一个判定

这个二元函数是一个单项式

因此

在整个平面上都是连续的

而积分区域是一个有界闭区域

从而 函数在这个区域上是可积的

确定自变量x,y的变化范围

以及相互依赖关系

视区域为x型区域

还是y型区域

选定合适的累次积分顺序

计算积分

如果把积分区域视为一个y型区域

则当y从0变到2时

x从-2变到-√(2y-y² )

这就提示我们把原来的二重积分

约化为一个先x后y的累次积分进行计算

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 动脑想一想有没有其它方法

计算这个二重积分

动手算一算

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

我们再来看道题目

在由一条曲线和两条直线所围成的区域上

计算二重积分

在直角坐标系内画出题中所给的直线和曲线

进而确定它所围成的区域

这个函数在区域上的可积性没有问题

但是

这个函数的形式比较复杂

如果直接计算 比较麻烦

观察函数是否具有奇偶性

以及积分区域是否具有对称性

这些性质可以帮助我们简化积分的计算吗

第一眼看

这个被积函数关于变量x是奇函数

但是积分区域关于y轴不是对称的

并不能直接应用奇偶性和对称性

简化积分的计算

如果在积分区域上

添加上函数y=-sinx的图像

那么 把原来积分区域分成两块

第一块是关于y轴对称的

第二块是关于x轴对称的

再将被积函数分成两项之和

这样

有一项关于变量x y分别是奇的

因此 在D1上的积分

利用函数关于x是奇的

以及区域关于y轴对称

可知积分为零

而在D2上的积分

利用函数关于y是奇的

以及区域关于x轴对称

可知积分为零

剩下只要计算函数x在区域D上的积分

它在D1上的积分也为零

所以

最终只要计算函数x

在区域D2上的二重积分

利用累次积分

可以计算出积分值

这个题目最突出的特点

就是利用函数的奇偶性

和积分区域的对称性

简化计算

当然 有时需要引入适当的辅助线

或者把函数拆开来看

这些灵活处理方法

需要我们平时多观察

多思考 多总结

我们来计算区域D上的计算二重积分

区域D是由一条隐式曲线所围成的区域

函数在有界闭区域上连续

因此 积分存在

那么如何计算这个二重积分

我们来分析一下

区域D具有一定的对称性

但是被积函数的形式比较复杂

关于变量x y是偶的

这些性质对于计算积分并没有什么帮助

同学 仔细观察被积函数

变量x y地位并不对称

但是 如果交换x y的位置

被积函数的形式虽然变了

但是在区域D上的积分没有变

因此

这个积分具有轮换对称性

这个性质有利于计算积分值吗

注意到积分区域D关于直线y=x对称

以及函数表达式

可知函数f(x,y)在D上的积分

等于f(x,y)和f(y,x) 在D上积分之和的一半

计算f(x,y)和f(y,x)之和

可以发现

可以约去分母

进而被积函数变得简单了

在利用函数的奇偶性和区间的对称性

只需要计算第一象限部分的积分

这个积分怎么计算

由积分区域的表达式

可以做变量代换

此时

变量θ和r的变化是相互独立的

进一步地

计算变量代换的雅克比行列式

这样关于变量x,y的二重积分

就约化为变量θ和r的二重积分

最终可以计算出积分值

本讲

通过几个具体实例

探究了二重积分的计算方法

一般地

富比尼定理指出

在一定条件下

二重积分可以约化为累次积分

进行计算

但是在约化过程中

积分顺序有时显得特别重要

在某些情况下

需要观察积分区域和被积函数的特点

例如

被积函数的奇偶性 积分区域的对称性

适当利用奇偶性和对称性

或者利用积分区域和被积函数的特点

选择合适的变量代换

可以简化积分的计算

利用二重积分概念和计算

可以解决许多几何与物理实际问题

这就是二重积分的应用

有关二重积分在几何上的应用

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

二重积分计算举例笔记与讨论

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