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三重积分计算举例

下一节:柱坐标系下的三重积分

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三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 我们来学习几个三重积分的计算实例

希望大家总结一点解题的小技巧和心得体会

前面

我们采用分割 近似 求和与取极限这四步

定义了箱型区域上的三重积分

并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

关于三元函数的三重积分的存在性

简单地说

有界闭区域上的连续函数一定可积

三重积分的性质可以简化三重积分的计算

进一步地

富比尼定理指出

在一定条件下

三重积分可以约化为累次积分进行计算

依据被积函数与积分区域的特点

可以采用“先一后二”的投影法

或者“先二后一”的截面法

计算三重积分

那么

如何快速有效地计算三元函数的三重积分

这就是本讲的中心任务

考察由抛物柱面和三张平面

所围成的区域上的三重积分

在直角坐标系内画出题中

所给的抛物柱面和三张平面

进而确定它所围成的空间区域

对函数的可积性做一个判定

这三元函数连续的吗

因为当x趋于零时

sin x比x的极限是1

因此 x=0是可去间断点

进一步地

在x=0这个面上的间断性

不影响函数的可积性

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

为了计算这个三重积分

将区域V向平面yoz作投影

得到一个投影区域

对投影区域内的任意一点

对应空间V中的点的x坐标

从y平方变到二分之π 减去z

由此

我们似乎可以将原来的三重积分

约化为先对x求定积分 再对y z求二重积分 即先一后二的累次积分

不过 注意到

内层关于x的定积分是积不出来的

也就是说

不能用一个初等函数把内层积分表示出来

怎么办

同学 动脑想一想

动手算一算

看看有没有其他形式的计算方法

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

我们来换一个思路

计算刚才的三重积分

空间区域V上的点x坐标

是从零变到二分之π

对零到二分之π区间上的任意x

作一个垂直于x轴的平面

去截取区域V

截面是一个长与宽都依赖于x的矩形

这是对空间区域V的另外一种描述

由此 可以将原来的三重积分

约化为一个先二后一的累次积分

对于内层的二重积分

可以进一步地写成累次积分

这样

由内而外 逐次积分

可以计算出积分值

同学 还有没有其它计算方法

将区域V向坐标平面xoz作投影

得到一个三角形的投影区域

对投影区域内的任意一点

对应空间V中的点的y坐标

从0变到根号下x

由此 可以将原来的三重积分

约化为先对y求定积分 再对x z 求二重积分

即先一后二的累次积分

注意到 内层关于y的定积分的计算结果

把原来被积函数中分母约去了

这样再对 x z计算二重积分时

就可以利用累次积分计算出来了

同学 再回头仔细考察一下

上面三种计算方法的有效性

你有什么样的心得体会

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

我们再来考察一个具体实例

考察由球面与圆锥面

所围成的空间区域V上的三重积分

在直角坐标系内画出题中

所给的球面与圆锥曲面

进而确定它们所围成的空间区域

对函数的可积性做一个判定

这个三元函数是连续的吗

这个函数在z轴上没有定义

当点趋于z轴时

函数取值趋于无穷大

所以这个积分的存在性

需要更细致的讨论

由进一步的讨论可以得到

函数在这个区域上是可积的

为了描述区域V

我们首先来确定球面与圆锥面的交线

联立球面与圆锥面的方程

可以解出变量 z等于五分之三

因此

交线是z等于五分之三平面上的一个圆盘

圆盘半径为五分之四

将空间区域V向坐标平面xoy作投影

得到一个圆盘形的投影区域

对投影区域内的任意一点

对应空间区域V中的点z坐标介于圆锥面

和球面相应点之间

同学 基于以上分析

动脑想一想

动手算一算

你能给出空间区域V的一个合理的

不等式的描述吗

进一步地

原来的三重积分如何约化

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

基于以上分析

可以将原来的三重积分

约化为先一后二的累次积分

首先

可以计算出内层关于变量z的定积分

积分值是一个关于 x y的函数

为了计算关于x y 的二重积分

观察被积函数和积分区域的特点

采用极坐标进行计算

经过极坐标变换

原来关于 x y的二重积分

约化为关于半径和角度的二重积分

再约化为累次积分

由内而外 逐次积分

最终 可以计算出积分值

同学 动脑想一想

动手算一算

试试其它形式的约化方法

计算这个三重积分

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

考察空间区域V中点z坐标的变化范围

它是从-1变到1

但是 注意到

平面z等于五分之三

将空间区域V分成上 下两块

这提示我们

将区域V上的三重积分写成

上 下两块区域上的三重积分之和

下面

分别计算上 下两块区域的三重积分

对于下面那块区域z从-1变到五分之三

对于其中任意一个z

作一个垂直于z的平面

截取空间区域

得到截口是一个圆盘

圆盘半径与变量z有关

同样对于上面的区域

z从五分之三变到1

对于其中的任意一个z

作一个垂直于z轴的平面

截取空间区域

得到截口也是一个圆盘

不过圆盘的半径变化了

有了上面的分析

如何计算相应的三重积分

有了空间区域V的上述截面法描述

我们可以把上下两块区域上的三重积分

分别约化为“先二后一”的累次积分

再由内而外 逐次积分

可以计算出三重积分的值

同学 动脑想一想

比较一下上面不同计算方法

你有什么样的心得体会

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

我们再来考察一个具体实例

考察椭球体V上的三重积分

这个被积函数是连续的

椭球体是有界闭区域

因此 积分存在性没有问题

如何计算这个三重积分

将被积函数的平方展开

得到各个变量的平方和

再加上交叉项

由区域的对称性和被积函数的奇偶性可知

交叉项的积分都等于零

剩下只要计算平方项的积分即可

我们可以采用截面法

来计算平方项的积分

为了计算z平方的积分

对任意一个z

作一个垂直于z轴的平面

去截取区域V

得到截口是椭圆形的截口

这样 当z从-c变化到c时

截口就扫成了区域V

由此 我们可以将三重积分

约化为“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从-c到c计算定积分

如此 可以计算出z平方的三重积分值

利用本题变量具有轮换对称性

可以得到

x平方和y平方的三重积分值

三者相加

就得到原来的三重积分值

同学 总结一下

以上几个具体实例的计算方法

对于三重积分的计算

你get到几项技能

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

本讲

我们通过具体实例

讨论了三重积分的计算方法

总体上

在一定条件下

三重积分可以约化为累次积分进行计算

具体的约化方式

依赖于被积函数与积分区域的特点

如果被积函数具有一定的奇偶性

积分区域具有一定的对称性

可以利用这些对称性

简化三重积分的计算

而约化累次积分

也依据被积函数与积分区域的特点

可以采用“先一后二”的投影法

或者“先二后一”的截面法

不同方法的选取

可能导致积分计算的难易程度不同

需要我们在具体操作时

多观察 多总结

以上是有关直角坐标系下的

三重积分的定义和计算

对于像圆柱或者球体等空间区域

采用直角坐标系就不是很方便了

此时可以采用柱坐标系

或者球坐标系进行计算

有关柱坐标系下的三重积分

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

三重积分计算举例笔记与讨论

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