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 > 二重积分计算举例
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
-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









