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 > 非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
网上人称“笨笨熊”老师
本讲
我们来学习非箱型区域上的三重积分
前面 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
在计算层面上看
富比尼定理指出
在一定条件下
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
如何定义非箱型区域上的三元函数的三重积分
这就是本讲的中心任务
对于定义在空间中
有界闭集V上的三元函数f(x,y,z)
如何定义和计算三元函数f在V上的三重积分
与非矩形区域上的二重积分定义类似
对于空间中有界闭集V
选择一个箱型区域B 包含V
并将V上的函数f零延拓到B上
如果零延拓之后的函数fˇ在矩形区域B上可积
那么
我们称三元函数f在有界闭集V上可积
P函数fˇ在箱型区域B上的三重积分值
就是f在有界闭集V上的三重积分值
这样
利用箱型区域上的三重积分
定义了有界闭集V上的三重积分
如何定义和计算空间有界集合上体积
类似于平面有界集合面积的定义
如果常值函数f(x,y,z)≡1
在有界闭集V上可积
那么
有界集V是有体积的
并且它的体积就等于
常值函数1在有界集V上的三重积分
这样我们利用三重积分
定义了空间中有界集V的体积
那么
有没有可能常值函数1不可积的集合
常值函数1在某个集合上不可积说明了什么
考察单位正方体内的有理点
即所有坐标都是有理数的点
所构成的集合V
常值函数1在集合V上可积吗
补成单位立方体B
并将三元函数零延拓到箱型区域上
零延拓之后的函数
就是一个三维的狄利克雷函数
它在单位立方体B上不可积
因此原来的有界集没有体积
同学 将上述定义方式与平面情形比较
体会一下数学的约化思想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
下面
我们通过几个具体实例
理解如何计算三重积分
考察由抛物柱面
与三张平面所围成的立体区域V
三元函数f在V上的三重积分等于多少
为了计算这个三重积分
将区域V在坐标平面xoy上作投影
得到一个三角形的投影区域
对xoy平面上的投影区域内的任意一点(x,y)
区域V中点的z轴坐标从零变到抛物柱面上
这提示我们
将三重积分写成什么样的累次积分
同学 自己动脑想一想
动手写一写
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
利用上面对空间区域V的描述
区域V上的三重积分可以写成
先关于变量z的定积分
一般地
积分限依赖于变量x,y
再对变量x,y
在xoy平面上的投影区域上的计算二重积分
这个累次积分简记为“先一后二”
然后先计算出内层关于变量z的定积分
得到一个关于变量x,y的二重积分
如何计算这个二重积分
这就约化到我们前面重点学习的内容了
再利用累次积分
计算剩下的二重积分
比如
约化为先y后x的累次积分
再由内而外 逐次积分
可以得到原来三重积分的值
上面 我们对坐标平面xoy上作投影
同学
你可以试试对其它坐标平面作投影
再将三重积分约化为不同形式的
“先一后二”型的累次积分
将区域V对xoz平面作投影
对投影区域内任意一点(x,z)
区域V中点的y坐标从零变到x
这提示我们将三重积分写成
一个先对变量y的定积分
再对关于变量x,z的二重积分
那么
有没有其它形式的计算方式
由于三维空间的自由度比较多
我们换一种方式来计算上面的三重积分
考察区域V中点z轴坐标的变化情况
z从0变到2
对于0到2上的任意z
作一个垂直于z轴的平面
去截区域V
得到一个三角形的截口
这样 当z从0变到2时
三角形的截口就扫成了区域V
由此 我们可以将三重积分
约化为一个“先二后一”的累次积分
即先在截口上
对变量x,y作二重积分
积分值一般依赖于变量z
再对变量z计算从0到2上的定积分
如此 也可以计算出三重积分的值
同学 拿出纸和笔
自己动手计算一下
再动脑想一想
这些计算方法具有一般性吗
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
从上述具体实例的计算方法
可以总结出三重积分的一般计算方法
这些方法依赖于区域的特殊性
比如
一个区域是由垂直于坐标平面xoy的柱面
与上下底分别是关于x,y的二元函数所围成的
称为z型区域
如何计算z型区域上的三重积分
从z型区域的描述
可以将z型区域上的三重积分
约化为一个“先一后二”的累次积分
这个方法具有什么样的几何意义
这个方法是用在坐标平面xoy上的
区域D上的每一点处有一个小的细棒子
组成空间区域V
或者说 把区域V切成丝
所以 形象地
称这种方法是“切丝法”
如果可以确定z型区域中
点z轴的坐标的变化区间I
然后 对区间I内的任意一点z
作垂直于z轴的平面
去截区域V
得到一个截口
这样 当z在区间I上变化时
截口就扫成了区域V
由此
我们可以将三重积分
约化为一个“先二后一”的累次积分
即先在截口上
对变量x,y作二重积分
积分值一般依赖于变量z
再对变量z在区间I上计算定积分
如此也可以计算出三重积分的值
这个方法是用垂直于z轴的平面
截空间区域V
或者是把区域V切成片
形象地 把这种方法称为“切片法”
当然
空间区域可能不是标准的z型区域
可能是x型或者y型区域,或者是更一般的区域
如何计算一般形式区域上的三重积分
同学
对比一下平面上一般区域上的二重积分的计算
再动脑想一想
如何将一般区域约化为若干个x型 y型
或者z型区域
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
本讲
我们将非箱型区域上的三重积分
约化为箱型区域上的三重积分进行定义
讨论了三重积分的计算方法
比如“先一后二”的切丝法
和“先二后一”的切片法
有关三重积分的更多计算
有关三重积分的更多计算
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