张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
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仿照一维情形下求曲边梯形的面积,可以求解空间中以平面上有界矩形区域为底,为曲顶的柱体的体积。
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定义 1.
设,是上的一个函数。作和的分割:
两组平行直线将分割成个二维子区间
这样,就得到的一个分割,记为,
为分割的宽度。
而
称为在上的二重积分,记为
称为被积函数,为积分区间,为被积表达式,为面积元。
定义 2.
是有界集上的函数,取二维闭区间,做的零延拓
若在上可积,则称f(x,y)在D上可积,
并称为f(x,y)在D上的二重积分,记为
这样定义的二重积分与闭区间的选取无关。
定义 3.
设是有界的平面点集,如果上取值为的常值函数可积,
则称是有面积的,并称
为的面积。
定理 1.
有界平面点集是有面积的的面积为。
特别地,由有限条分段光滑曲线围成的区域或闭域是有面积的
定理不做证明。
以后,总假定积分区域是由有限条分段光滑曲线围成的区域。
定理 2.
是由有限条分段光滑曲线围成的区域,是上的函数。
定理 3.
是由有限条分段光滑曲线围成的区域,, 是上的可积函数。
定理 4.
, 是由有限条分段光滑曲线围成的区域,且。
函数在, 上都可积。
则在上可积,且
定理 5. (积分中值定理)
在闭域中连续,则存在, 使得
其中是的面积。
定理 6.
是有面积的平面点集,为上的函数,
那么在上可积且积分等于的充要条件是,
对, , 将分割为有限个内部互不相交的有面积的小块 ,,,,记 为的直径, 只要分割的宽度满足, 对就有 |
函数在二维闭区间上可积。 把二重积分看做是以为底、 为顶的曲顶柱体的体积,则
|
可以得到
这样,柱体的体积用截面积的积分表示为
定理 7. (Fubini定理)
函数在二维闭区间上可积。
证明: 由函数在上可积,则 ,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y,f(x,y)作为x的函数在[a,b]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 1. (例7.1.1) 计算二重积分
例 2. 为闭区间上的连续函数,则有
等号成立当且仅当为常数
I型区域是由曲线, 和直线, 围成 的区域,即
定理 8.
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:
定理 9.
II型区域
其中, 为连续函数。在上可积, 且对于,积分 存在,则
例 3. (例7.1.3) 计算累次积分
例 4. 画出计算积分区域,改写计算顺序
例 5. 交换积分顺序
例 6. 画出计算积分区域,改写计算顺序
例 7. (例7.1.5) 计算由两个圆柱面与所围成的立体的体积
例 8. 计算积分 其中是以原点为圆心的单位圆盘 |
解. 用累次积分来解
不容易求解
换用极坐标: 对区域圆的弧度和径向做分割
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则每一小块的面积 Riemann和为 可以取 |
Riemann和为
取极限后,有
对于函数 取极坐标变换 则有 |
用极坐标表示积分区域,可以
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例 9. 求 |
解. 可以看到,,
例 10. 求
例 11. 球体被圆柱面 所截得部分的体积
例 12. (例7.1.10) 求
例 13. 求
其中由 围成
对平面上有界区域进行矩形分割
它们对应的u曲线和v曲线把平面上的区域分割成小区域,
中的一个方块 对应到中,就是一个曲边四边形,它的面积近似一个平行四边形的面积, 把平面向量看作空间向量,则 |
曲边四边形的四个顶点坐标为
从而
略去高阶无穷小后,有
取,则Riemann和
取极限后,上式的两边分别为积分
定理 10.
设, 为由分段光滑曲线围成的区域,
则
换元的关键在于,上的积分易于求解。
例 14. 求椭球的体积
其中由 围成
例 15. 求积分 其中在第一象限中,由, , 围成
例 16. 求
(1) 由, , 围成 |
(2) 由, , , 围成 |
例 17. 求,
(3) 由, , 围成
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例 18. 求积分 ,其中由, , , 所围成(, )
积分即为这4条抛物线围成的面积。
例 19. 求
例 20. 求
20.
令
则
例 21. 计算曲线围成的平面区域的面积
(1) , |
(2) |
定义 4.
设是定义在有界区域及上的非负函数。
做中任一有界闭域列, 使得
如果
存在有限,且与闭域列的取法无关,那么称瑕积分是收敛的, 并规定瑕积分的值为
否则称在上的瑕积分发散。
例 22. (例7.1.15) ,计算
解. 令,则
定义 5.
设是定义在无界闭区域上的非负函数, 且在内的任意有界闭区域上可积。做中任一有界闭域列,使得及,如果
存在有限,且与闭域列的取法无关,那么称无穷积分是收敛的, 并规定无穷积分的值为
否则称在上的无穷积分发散。
例 23. (例7.1.16) 为第一象限,求
解. 取,则
定义 6.
在可正可负的情形下,令
若和在上的瑕积分(或无穷积分)都收敛,则称在上的瑕积分(或无穷积分)绝对收敛,并规定瑕积分(无穷积分)的值为
例 24. 本节读完
24.