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 > 第三节 二重积分的应用 > 二重积分的几何应用
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
我们来学习二重积分的几何应用
前面我们从曲顶柱体的体积
抽象出了二重积分的定义
对于矩形区域上的二元函数
我们通过分割 近似 求和
取极限这四步
定义了二重积分
那么如何利用二重积分概念
计算各种几何量
这就是本讲的中心任务
试求由椭圆抛物面和圆柱面以及坐标平面
在第一卦限内围成的立体体积
在直角坐标系内画出题中
所给的椭圆抛物面和圆柱面
以及坐标平面
进而确定它们所围成的区域
确定自变量的变化范围
以及相互依赖关系
选择合适的积分
表达出立体体积
剩下的就是计算积分了
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
将题中的立体向xoy平面作投影
投影区域S是第一象限内的四分之一圆盘
立体可以视为
二元函数
在S上所产生的曲顶柱体
因此它的体积可以用二元函数在S上的
二重积分来表达
那么 如何计算这个积分
利用积分区域和被积函数的特点
我们采用极坐标系来计算这个积分
然后将极坐标系下的二重积分
约化为先θ后r的累次积分进行计算
进而计算出立体的体积
如何计算圆柱面的面积
在初等几何中
利用平行于轴线的方向剪开 摊平
得到一个矩形
这是为什么
矩形的高就是圆柱面的高
而长则是圆柱面圆周的周长
因此得到圆柱面的面积公式
但是
这个方法具有一般性吗
比如
如何将一个球面剪开 摊平
所以 自然提出问题
如何计算一般曲面的面积
我们采用定积分和二重积分的思想
定义显式曲面的面积
也就是分割 近似 求和
以及取极限这四步
其中最关键的一步是近似
如何近似小曲面片的面积
对 还是以直代曲的思想的具体应用
即以切平面片的面积
近似曲面片的面积
为此研究x曲线及其切向量
以及y曲线及其切向量
由此可以计算出切平面片的面积吗
为了计算曲面微元的面积
可以计算x曲线和y曲线切向量的向量积
由向量积的几何意义
切向量的向量积就表达了切平面上
以这两个切向量为邻边的平行四边形的
有向面积
不考虑方向 只看大小
就得到曲面微元的面积
同学 综合以上分析
你可以动手写出显式曲面面积的定义吗
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
综合以上分析
对于一个显式曲面
如何定义和计算曲面的面积
如果二元函数具有连续的一阶偏导数
那么它的图像在任意一点的面积元
可以用二元函数的一阶偏导数
和自变量的微分来表达
将曲面微元的面积加起来
也就是积分
可以得到显式曲面的面积
那么如何计算这个二重积分
进而计算出显式曲面的面积
我们通过几个具体示例
展示一下
如何计算显式曲面的面积
首先
我们来计算一下前面提到的圆柱面的面积
为此 将这个圆柱面
向xoz平面作投影
投影区域是一个矩形
利用对称性
或者分别用两个函数
来表达圆柱面在xoz平面左右两侧的部分
进一步地
计算出曲面的面积元
最后
圆柱面的面积可以表示成
矩形区域上的二重积分
约化为累次积分
可得积分值
也就是圆柱面的面积
这与初等方法的计算结果相一致吧
我们再来考察一个实例
计算圆锥曲面一部分的面积
我们可以利用初等方法计算出它的面积
同学 还记得怎么计算圆锥曲面的面积吗
将圆锥曲面剪开 摊平
可以的到一个以圆锥曲面斜高为半径
圆锥曲面上口的圆周长为弧长的扇形
利用扇形面积的计算公式
即 半径与弧长乘积的一半
可以计算出这部分 圆锥曲面的面积
这个初等算法
充分利用了圆锥曲面的特性
因而不具有一般性
那么如何利用二重积分
计算这部分圆锥曲面的面积
同学拿出纸和笔
动手计算一下
到学习讨论群与小伙伴们交流交流
将这个圆锥曲面
向xoy平面做投影
投影区域是一个圆盘
进一步的计算这个显式曲面的面积圆
这样圆锥曲面的面积 就约化为一个二重积分
这个二重积分的被积函数是常数
提到积分号外面
剩下就是常数一的积分
也就是投影区域的面积
进而得到圆锥曲面的面积
同学
这个答案与用初等方法计算出来的结果一致吗
初等方法充分利用了圆锥曲面的具体特性
而我们这里利用二重积分计算曲面的面积
具有一般性
这正是微积分思想的厉害之处
本讲
我们探究了二重积分的几何应用
例如
立体的体积和显式曲面的面积等
当然
利用二重积分的思想和方法
可以计算出其他形式的曲面的面积
例如
参数曲面和隐式曲面的面积
以及其他几何量
还有利用二重积分的思想和方法
可以解决许多物理的实际问题
这就是二重积分的物理应用
有关二重积分在物理上的应用
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