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 > 三重积分计算举例
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
-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