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 > 第四节 直角坐标系下的三重积分 > 箱型区域上的三重积分
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
从本讲开始
我们来学习多元函数的积分及其应用
我们还是从简单到复杂
逐渐展开学习
首先我们来学习箱型区域上的三重积分
前面我们从求解曲顶柱体体积这个几何问题
抽象出二元函数在矩形区域上的二重积分
进一步的利用矩形区域上的二重积分
定义了非矩形区域上的二重积分
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
这些都体现了数学上的约化思想
那么
如何定义和计算三元函数的三重积分
这就是本讲的中心任务
对于三元函数
需要在四维空间中才能画出它的图像
我们利用物体的质量
作为三重积分的引入
假设有一个箱型物体B
设物体的密度是关于变量x y z的函数
试求物体的质量
对于均匀物体
质量等于密度乘以体积
那么
对于非均匀物体
它的质量还等于密度乘以体积吗
此时 物体的密度是一个函数
一个变化的量
以哪一点的密度去乘
我们还是“以不变应万变”
对箱型物体作分割 近似 求和
再取极限
同学 动脑想一想
动手写一写
如何实现这几步
以求出箱型物体的质量
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
在箱型物体上选取一个典型的微元
作细致的微元分析
微元的体积等于dxdydz
关键是密度的近似
视微元为质点
或者说视微元的密度为常数
这样
微元的质量就等于密度乘以体积
最后 再将所有微元的质量加起来
就是积分
就得到了箱型物体的质量了
由此可见
箱型物体的质量可以表达成
密度函数在箱型区域上的积分
把这个思想一般化
就可以抽象出箱型区域上的三重积分
对于定义在箱型区域上的三元函数
我们还是通过
分割 近似 求和 取极限这四步
定义它的积分
第一步 分割
对定义域B作分割
这里分割维数又多了一维
第二步 近似
在每个小箱型区域上
任取一点作为样点
以三元函数在这样点处的取值
乘以小箱型区域的体积
第三步 求和
对于分割中的脚标求和
得到积分和或者黎曼和
第四步 取极限
当分割无限细分下去时
对积分和取极限
那么 如何精确刻画这个极限过程
对于第四步取极限
以小箱型的对角线
作为箱型大小的定量刻画
将每个小箱型对角线的最大值
记为分割的宽度
它是分割粗细的定量刻画
当分割的宽度趋于零正时
如果积分和的极限存在
并且与前面的分割方式 样点的选取都无关
则称三元函数在箱型区域B上可积
积分和的极限就是三元函数
在箱型区域上的三重积分
那么
积分和这样的极限一定存在吗
同学 动脑想一想
类似于定积分和二重积分存在性的判定
给出三重积分存在性的判定
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
前面我们探究过一元函数
和二元函数可积性的判定
例如
除了有限个点外 处处连续的一元函数一定可积
而除了有限条光滑曲线外
处处连续的二元函数一定可积
那么 对于三元函数
这个判定应该怎么提
对于三元函数
其定义域是空间中的一个立体区域
此时
允许函数除了有限各光滑曲面外处处连续
特别地
有界闭箱型区域上的连续函数一定可积
作为反例
我们来考察一下三维狄利克雷函数的连续性
和可积性
它在哪些点连续
在哪些点不连续
它在单位正方体上可积吗
同学 动脑想一想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
从定义方式上看
三元函数的三重积分与一元函数的定积分
二元函数的二重积分等
都是相似的
都是有限和加极限
那么 三元函数的三重积分
也具有与一元函数的定积分
二元函数的二重积分类似的性质吗
例如 线性性
如果已知两个三元函数
在同一箱型区域上可积
那么
它们的线性组合在这个箱型区域上
也是可积的吗
如果可积 积分等于多少
类似于一元函数的定积分
和二元函数的二重积分
可以推导出积分的线性性
即可积函数的线性组合
仍然是可积的
并且线性组合的积分等于积分的线性组合
同学 自己动脑想一想
动手写一写
类似于定积分和二重积分的对区间可加性
箱型区域上三元函数的三重积分
也对其积分区域具有可加性
假设箱型区域B
是由两个小的箱型区域B1 B2并起来的
并且B1 B2的交集是一个面
那么
如果一个三元函数
在小箱型区域B1 B2上都是可积的
则这个函数在大的箱型区域B上也是可积的
并且在B上的三重积分值
就等于在B1 B2上的三重积分值的和
类似于定积分和二重积分的保序性
箱型区域上的三重积分也具有保序性
如果对于箱型区域B上的所有点
函数f的取值总是小于等于函数g的取值
并且函数f和g在箱型区域上都是可积的
那么
取值较小的函数
在箱型区域上的三重积分值
一定小于等于取值较大的函数
在箱型区域上的三重积分值
这个性质称为三重积分的保序性
即三重积分保持了函数取值大小顺序不变
特别地
如果函数f在箱型区域B上的取值总是非负的
并且函数f在区域B上可积
那么
f在区域B上的三重积分值也是非负的
这个性质称为三重积分的保号性
即三重积分保持了函数取值的符号不变
对于一个箱型区域上的三元函数
如何计算它的三重积分
首先
对三元函数的可积性做一个判定
因为这个三元函数是一个单项式
它在整个空间上都是连续的
箱型区域B是一个有界的闭区域
因此
三元函数在箱型区域B上可积
那么 如何计算这个三重积分
类似于二重积分的计算
在一定条件下
利用富比尼定理
可以将三重积分的计算
约化为累次积分的计算
只不过三重积分具有三个变元
一个三重积分约化为三个有一定次序的定积分
由内而外 逐次积分
可以得到三重积分的值
本讲
我们从求解箱型物体的质量
这个物理问题出发
抽象出三元函数在箱型区域上的三重积分
与二元函数的二重积分类似
三元函数在箱型区域上的三重积分
也是通过有限和加极限来定义的
关于三元函数三重积分的存在性
简单地说
有界闭区域上的连续函数一定可积
随后
类比于二元函数二重积分的性质
我们探讨了三元函数
在箱型区域上三重积分的简单性质
例如 线性性
对积分区域的可加性 以及保序性等
这些性质可以帮助我们简化三重积分的计算
利用富比尼定理
箱型区域上的三重积分
可以约化为累次积分
进行计算
那么
如何定义和计算非箱型区域上的三重积分
有关非箱型区域上的三重积分
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





