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 > 第五节 其它坐标系下的三重积分 > 柱坐标系下的三重积分
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
本讲 我们来学习柱坐标系下三重积分
前面 我们讨论了直角坐标系下三重积分
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
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
依据被积函数和积分区域的特点
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
对于像圆柱之类的柱状区域
采用直角坐标系就不是很方便了
此时 可以采用柱坐标系进行计算
那么
如何定义和计算柱坐标系下的三重积分
这就是本讲的中心任务
设有一个柱状空间区域
以及它上面的三元函数f r θ z
如何定义和计算柱坐标系下的三重积分
我们还是采用前面的思想和方法
第一步 分割
对柱状区域V作分割
得到若干个小的柱状区域
第二步 近似
在每个小的柱状区域上任取一点作为样点
以三元函数在这个样点处的取值
乘以小柱状区域体积的近似值
第三步 求和
将小柱状区域上的近似值求和
得到大的柱状区域上的积分和
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
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吧
类似于前面有关箱型区域上三重积分的定义
我们需要准确的刻画小柱状区域的 体积的近似值
以及极限过程
为此
我们来研究柱坐标系下变元的增量
以及由此引起的弧长增量
假设半径有一个增量△r
相应的弧长增量也是△r
而如果角度有一个增量△θ
引起的弧长增量是r△θ
如果变量z有一个增量△z
相应的弧长增量也是△z
注意到
在柱坐标系下
任何一点处都具有一个两两垂直的活动标架
以△r r△θ和△z
为邻边的小柱状区域的对角线的长度
可以利用三维的勾股定理计算出来
以它作为小柱状区域大小的定量刻画
所有小柱状区域对角线长度的最大值
称为分割的宽度
它是分割粗细的定量刻画
而以△r r△θ和△z
为邻边的小柱状区域的体积为r△θ△r△z
当分割宽度趋于零正时
柱坐标系下微元的体积为rdθdrdz
这样
得到柱坐标系下的三重积分表达式
那么如何计算柱坐标系下的三重积分
设有一个圆柱形区域V
试求函数f(r,θ,z)=z在区域V上的三重积分
注意到
对于圆柱形区域
它在柱坐标系下的三个变元变化互不相干
因此 柱坐标系下的这个三重积分
可以约化为关于变量r,θ,z的累次积分
由内而外 逐次积分
可以得到柱坐标系下三重积分的值
同学 这个计算方法具有一般性吗
动脑想一想
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
类似于直角坐标系下的箱型区域
我们将柱箱型区域V上的三重积分
约化为累次积分进行计算
因为
柱箱型区域上的变量r,θ,z的变化相互独立
因此
类似于直角坐标系下箱型区域上的三重积分
约化为累次积分进行计算
我们也可以将柱坐标系下的
柱箱型区域上的三重积分
约化为累次积分进行计算
设有一个抛物面与一个圆柱面在第一卦限内
所围成的区域V
求常值函数1在区域V上的三重积分
为了计算这个三重积分
从积分区域的特点出发
我们选择柱坐标系
那么 如何在柱坐标系下
描述区域V
以及柱坐标系下三重积分
将区域V向坐标平面xoy作投影
得到一个圆形的投影区域
这个圆形区域在坐标平面xoy上的方程是什么
如图
利用圆的直径所对应的圆周角是直角
可以写出圆的方程
这个投影区域内的任意一点
对应空间区域V中的点z坐标
从0变到4-r平方
那么 这个区域是柱箱型区域吗
如何在坐标系下
写出常值函数1在区域V上的三重积分
在柱坐标系下
常值函数1在区域V上的三重积分
可以写成关于变量r θ z的三重积分
基于上述对空间V的描述
我们可以采用“先一后二”形式的累次积分
来计算这个三重积分
再由内而外 逐次积分
可以得到累次积分和三重积分的值
同学 动脑想一想
这种计算方法具有一般性吗
它适用于什么样的区域
到学习讨论区与小伙伴们交流交流
上述方法依赖于区域的特点
即空间区域可以视为坐标平面xoy上
投影区域上的一个柱体
此时 柱坐标系下的三重积分
可以采用“先一后二”形式的累次积分
来进行计算
同学 拿出纸和笔
计算一下
由一个球面与旋转抛物面
所围成的空间区域V上的三重积分
为了描述这个空间区域
联立球面与旋转抛物面的方程
求出交线方程
解方程可得到z=1
进而 交线是z=1的平面上的一个单位圆周
那么 如何在合适的坐标系下
描述区域V
以及计算三重积分
利用空间区域的特点
采用柱坐标系来描述该区域
将区域V向坐标平面xoy作投影
得到投影区域是一个单位圆
进而 对单位元内的任意一点
区域V中点z坐标从r平方
变到根号下2-r平方
基于区域V的上述描述
可以把V上的三重积分
约化为“先一后二”形式的累次积分
来进行计算
不过 这个积分可能计算比较复杂
那么有没有更简单的计算方法
我们换个角度
从图像上可以发现
平面z=1把积分区域分成上 下两块
下面一块 z从0到1
对0到1上的任意z
作一个垂直于z轴的平面
去截取区域V
得到一个半径为根号下z的圆盘
而上面一块 z从1变到根号下2
对1到根号下2上的任意的z
作一个垂直于z轴的平面
去截取区域V
得到一个半径为根号下2-z平方的圆盘
这样利用积分对区域的可加性
V上的三重积分等于
上下两块区域上的三重积分之和
而上下两块区域上的三重积分
又分别可以约化为“先二后一”的累次积分
内层积分是极坐标系下的圆盘上的二重积分
同学 还记得如何计算吗
对于内层的二重积分
视z平方为常数
提到积分号外
内层的积分值就等于圆盘的面积
再分别计算关于z的定积分
可以得到原来的三重积分的值
怎么样
这种计算方法比较简单吧
这个方法具有一般性吗
上述方法
依赖于积分区域的特点
即区域介于两块垂直于z轴的平面之内
用垂直于z轴的平面
去截取区域V
得到的截口比较简单
此时 区域V上的三重积分
可以约化为“先二后一”的累次积分
内层积分是截口上的二重积分
而外层积分是关于z的定积分
本讲我们探究了
柱坐标系下三重积分的定义和计算
利用富比尼定理
在一定条件下
柱坐标系下的三重积分
可以约化为累次积分进行计算
对于柱箱型区域
自变量变化范围相互独立
三重积分可以约化为三个有一定顺序的定积分
简单地记为1+1+1
而对于一般区域
自变量变化范围是相互关联的
此时
将三重积分约化为累次积分
就需要特别关注积分限的确定了
依据积分区域和被积函数的特点
此时 采用投影法
三重积分可以约化为“先一后二”的累次积分
简单记为1+2
或者采用截面法
三重积分可以约化为“先二后一”的累次积分
简单记为2+1
如果积分区域是一个球型区域
则可以考虑采用球坐标系来计算
有关球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




