张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
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类比与一维积分的Riemann和,来看看二维积分的Riemann和。
平面区域上的点集的面积为一个非负实数,记为,满足:
设是有界集,则有。作分割 这样,可以得到个小正方形。 记完全包含在内的小正方形的面积和为,那些与有交集的小正方形的面积和为 |
定义 1.
设是有界集,取使得。若对于任意分割
有
则称点集是Jordan可测的,否则称为不可测的。这个极限值称为的测度或面积。 极限为零时,称为零测集。
定理 1.
是Jordan可测的充分必要条件是它的边界是零测集。
例 1. (面积为0的点集) 闭区间上连续函数
给出的平面曲线段的面积为零。
例 2. (不可测度的点集) 内所有有理点所构成的集合是Jordan意义下不可测的。
解. 可以得到,从而的面积不为0。
或者,依定义,对任意分割,有
今后,假定平面区域是闭的有界区域,以及它的分割都是可测的。
定义 2.
所谓的“分割”,指把分成个互不重叠的可测区域, 。
记表示分割小区域的面积,并记
这里表示的直径。称
为在上的一个Riemann和。
定义 3. |
则称函数在上可积,记为
几何上看: 是以上的函数为顶的曲顶柱体的体积的近似,它与一元定积分是一样的。
物理上看: 把看成是面积为的一块薄板的密度函数,则二重积分就是薄板的质量。
定理 2.
上可积函数必有界
证明. 与单变量情形完全一样
设在上有界:,记在小区域的上、下确界为
定义函数在上的Darboux上和, Darboux下和
振幅的和为
类似一元定积分的分析过程,有
定理 3.
在上有界,则在上可积的充分必要条件是Darboux上和的下确界与Darboux下和的上确界相等,或者
定理 4.
是上的有界函数。
定理 5.
是由有限条分段光滑曲线围成的区域,, 是上的可积函数。
(线性)对任意常数, 和在上可积,且
(乘积) 在上可积
(保序性)若在上,则
(绝对可积性)在上可积,且有
定理 6.
是两个可测点集, 的拼接(即没有公共内点),
若函数在, 上都可积,
则在上可积,且
定理 7. (积分中值定理)
在连通闭域中连续,则存在, 使得
先讨论矩形区域上的积分。
作和的分割: 就得到的分割 |
显然, ,
由
得到
通常,把积分 又记为更常见的形式
,由
存在,当时,对任意成立
注意到,对于, 是 在上的Riemann和。
若对每个,作为的函数在上可积, 记积分值为,则
对式取极限,则有
对成立。
因此,在上可积,且积分为。
定理 8. (Fubini定理)
函数在二维闭区间上可积。
定理表明,二维区域上函数的二重积分,可化为先对一个变量的积分,再对另一个变量的积分。 这种积分过程称为累次积分。
几何上看,面包的体积,可以分为切片面包的体积来表示。
物理上看,薄板的质量,可以分为一些细长条来计算。
例 3. (例10.1.2) 求,
例 4. 计算二重积分
I型区域是由曲线, 和直线, 围成 的区域,即
定理 9.
I型区域
其中, 为连续函数。在上可积, 且对于,积分 存在,则
证明: 设,
令
对中任意固定值,有
定理 10.
II型区域
其中, 为连续函数。在上可积, 且对于,积分 存在,则
II型区域
例 5. 计算累次积分
例 6. 画出计算积分区域,改写计算顺序
例 7. 画出计算积分区域,改写计算顺序
例 8. (例10.1.8) 计算由两个圆柱面与所围成的立体的体积
在曲线上取两点和,其横坐标分别为与, 则两点的距离为 |
例 9. 谢
9. 图形可以放缩吗?