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第九章 重积分
与定积分类似,二重积分的概念也是从实践中抽象出来的,它是定积分的推广,其中的数学思想与定积分一样,也是一种“和式的极限”. 所不同的是:定积分的被积函数是一元函数,积分范围是一个区间;而重积分的被积函数是二元函数或三元函数,积分范围是平面上的一个区域或空间中的一个区域. 它们之间存在着密切的联系,重积分可以通过定积分来计算.
第一节 二重积分的概念与性质
本节主要内容
1 引例
2 二重积分的概念
3 二重积分的性质
讲解提纲:
一、引例
引例1 求曲顶柱体的体积
设有曲顶柱体,它的底是面上的闭区域,侧面是以的边界曲线为准线而母线平行于轴的柱面,顶是曲面,这里且在上连续,求其体积.
引例2 求非均匀平面薄片的质量
设有一平面薄片占有面上的闭区域,它在点处的面密度为,这里且在上连续,求薄片的质量.
二、二重积分的定义:
设是有界闭区域上的有界函数.将闭区域任意分成个小闭区域:,以表示第个小闭区域的面积,以表示的直径,并令.在每个上任取一点,作和式:.如果当时,该积分和的极限存在,则称此极限值为在区域D上的二重积分,记作,即
.
其中称为被积函数,称为积分表达式,称为面积元素,称为积分变量,称为积分区域.
三、二重积分的性质
性质1 设,为常数,则
.
性质2 如果闭区域被有限条曲线分为有限个部分闭区域,则在上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和.例如分为两个闭区域与,则
.
这个性质表示二重积分对于积分区域具有可加性.
性质3 如果闭区域上,,为的面积,则 .
性质4 设在有,则.
性质5 设、分别是在闭区域上的最大值和最小值,为的面积,则有
.
性质6(中值定理)设函数在闭区域上连续,为的面积,则在上至少存在一点,使
.
例题选讲:
例1 不作计算估计的值,其中是圆域:.
解: D .由于,故.
例2估计二重积分的值, 其中积分区域为闭区域(如右图).
解: D .
由于,故,
即.
判断的符号().
解 当时,.
故.又当时,,于是
.
积分有怎样的符号,其中 .
解: ,如右图:则
原式=
<
=
.
比较积分与的大小,其中D是圆域: .
解: 的边界为圆周:,它与轴交于点,与直线相切,而域位于直线的上方, 上,从而
.
课堂练习
1.将二重积分定义与定积分定义进行比较, 找出它们的相同之处与不同之处.
2.试用二重积分表示极限.
第二节 二重积分的计算
本节主要内容
1利用直角坐标系计算二重积分
2利用极坐标系计算二重积分
讲解提纲:
一、利用直角坐标系计算二重积分
对型区域:,有
;
对型区域:,有
.
注:(1)有的情况下积分区域既是型区域又是型区域(如右图),不妨设为
,
则
.
为计算方便,可以选择积分次序,在必要时也可交换积分次序.
(2)若积分区域较复杂,可将其分成若干个互不相交的型区域或型区域.如右图中:,则有 .
(3)利用被积函数的奇偶性及积分区域D的对称性,常会大大化简二重积分的计算.
设函数在闭区域D上连续,且关于轴对称,位于轴上方的部分记为,则在上
若,则;
若,则.
当区域关于轴对称,函数关于变量有奇偶性时有类似的结果.
在利用这种方法时,要同时兼顾到被积函数的奇偶性和积分区域D的对称性两方面.
例题选讲:
例1计算其中D是
由直线及所围成的闭区域;
由抛物线和直线所围成的闭区域.
解:
解法1. D看作X–型区域, .
于是,
.
解法2. D看作Y–型区域, .
于是,.
为计算简便,先对 x 后对 y 积分,则
.于是,
.
例2 计算, 其中是直线和所围成的闭区域.
解: D既是X–型区域,又是Y–型区域, X–型区域做法简单,于是
.
例3 求其中D为.
分析:当被积函数中有绝对值时,要考虑积分域中不同范围脱去绝对值符号.将分为两部分和.
解:.
例4求两个底圆半径都等于R的直交圆柱面所围成的立体的体积.
解:设这两个圆柱面的方程分别为:和.利用立体关于坐标平面的对称性,只须求出它在第一卦限部分的体积,然后再乘以8就行了.由于,于是,
从而,所求立体的体积为.
例5 交换下列二次积分的积分次序
(1);
解:,
.
故
原式.
(2).
解: 和.
将视为Y–型区域 , ,
于是,.
例6 证明:
.
证明:
.
例7 计算其中积分区域由曲线与所围成.
解:令,(如图所示).
显然在上,;在上,.于是,
.
二、利用极坐标
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