<高等数学>AM6 重积分

本文最后更新于:2023年10月27日 中午

AM6 重积分

AM6.1 二重积分

f(x, y)f(x,\ y) 是区域 DD 上的有界函数,将区域 DD 任意分为 nn 个区域 Δσ1,,Δσn\Delta\sigma_1,\ldots, \Delta\sigma_n,所有区域中直径的最大值记为 λ\lambda。在每个 Δσi\Delta\sigma_i 上任取一点 (ξi, ηi)(\xi_i,\ \eta_i),若 limλ0i=1nΔσif(ξi, ηi){\lim_{\lambda\rarr 0}\\}{\sum^n_{i=1}\\}\Delta\sigma_i f(\xi_i,\ \eta_i) 存在,则称之为 f(x, y)f(x,\ y)二重积分,记为 Df(x, y)dσ{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma

可见,Df(x, y)dσ=ab[ψ1(y)ψ2(y)f(x, y)dy] dx=abdxψ1(y)ψ2(y)f(x, y)dy{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma ={\int\limits^b_a}[{\color{Orange} {\int\limits_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)}}f(x,\ y)dy} ]\ dx ={\int\limits^b_a}dx{\int\limits_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)}}f(x,\ y)dy

二重积分有如下性质

  • D[αf(x, y)+βg(x, y)]dσ=αDf(x, y)dσ+βDg(x, y)dσ{\iint\limits_D\\}[\alpha f(x,\ y)+\beta g(x,\ y)]d\sigma=\alpha {\iint\limits_D}f(x,\ y)d\sigma+\beta {\iint\limits_D}g(x,\ y)d\sigma
  • 若有 D1D2=D_1\cap D_2=\emptyD=D1D2D=D_1\cup D_2,则 Df(x, y)dσ=D1f(x, y)dσ+D2f(x, y)dσ{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma={\iint\limits_{D_1}\\}f(x,\ y)d\sigma+{\iint\limits_{D_2}\\}f(x,\ y)d\sigma
  • f(x, y)1f(x,\ y)\equiv 1,则 D1dσ=σ×1=σ{\iint\limits_D\\}1d\sigma=\sigma\times 1=\sigma
  • f(x, y)g(x, y)f(x,\ y)\le g(x,\ y),则 Df(x, y)dσDg(x, y)dσ{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma\le {\iint\limits_D}g(x,\ y)d\sigma
  • Df(x, y)dσDf(x, y)dσ\left|{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma\right|\le{\iint\limits_D}\left|f(x,\ y)\right|d\sigma
  • M, mM,\ mf(x, y)f(x,\ y) 的最大值和最小值,则 mσDf(x, y)dσMσm\sigma\le{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma\le M\sigma

# 极坐标二重积分

极坐标与直角坐标的转换为 {x=ρcosθy=ρsinθ\begin{cases}x=\rho\cos\theta\\ y=\rho\sin\theta\end{cases}

极坐标的二重积分公式为 Df(x, y)dσ=Df(ρcosθ, ρsinθ) ρ dρ dθ{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)d\sigma={\iint\limits_D}f(\rho\cos\theta,\ \rho\sin\theta)\ {\color{Orange}\rho}\ d\rho\ d\theta

# 二重积分换元法

若有 {x=x(u, v)y=y(u, v)\begin{cases}x=x(u,\ v)\\ y=y(u,\ v)\end{cases},原积分区域为 DD,以 u, vu,\ v 为坐标的积分区域为 DD'

有以下定理

  • x(u, v)x(u,\ v)y(u, v)y(u,\ v) 存在一阶偏导
  • J(u, v)=(x, y)(u,v)=xuxvyuyv0J(u,\ v) =\dfrac{\partial(x,\ y)}{\partial(u, v)} =\begin{vmatrix}\dfrac{\partial x}{\partial u}&\dfrac{\partial x}{\partial v}\\\dfrac{\partial y}{\partial u}&\dfrac{\partial y}{\partial v}\end{vmatrix}\not=0
  • DD'DD 的点一一对应,则 Df(x, y) dx dy=Df[x(u, v), y(u, v)] J(u, v) du dv{\iint\limits_D\\}f(x,\ y)\ dx\ dy ={\iint\limits_D}f[x(u,\ v),\ y(u,\ v)]\ {\color{Orange}\left|J(u,\ v)\right|}\ du\ dv

AM6.2 三重积分

# 三重积分球面坐标

若有点 P=(x, y, z)P=(x,\ y,\ z),向量 OP\overrightarrow{OP}xoyxoy 平面的夹角为 θ\thetaOP\overrightarrow{OP}zz 轴的夹角为 φ\varphi

则可以将坐标转化为球面形式:{x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφ\begin{cases}x=r\sin\varphi\cos\theta\\y=r\sin\varphi\sin\theta\\z=r\cos\varphi\end{cases}

可见,rr 是素数时为一球面,φ\varphi 是素数时为一圆锥面,θ\theta 是素数是为一半平面

Vf(x, y, z)dx dy dz=Vg(r, θ, φ)r2sinφ dr dφ dθ{\iiint\limits_V\\}f(x,\ y,\ z)dx\ dy\ dz={\iiint\limits_V\\}g(r,\ \theta,\ \varphi){\color{Orange}r^2\sin\varphi}\ dr\ d\varphi\ d\theta

# 三维空间曲面面积

对于三维空间中的曲面 z=f(x, y)z=f(x,\ y),其面积为 D1+(fx)2+(fy)2 dσ{\iint\limits_D\\}\sqrt{1+(f'_x)^2+(f'_y)^2}\ d\sigma

证明过程

# 质心位置

若密度公式为 μ(x, y)\mu(x,\ y),则质心位置 (x, y)(\overline{x},\ \overline{y})

x=Dxμ(x, y)dσDμ(x, y)dσ\overline{x}=\dfrac{\iint\limits_Dx\mu(x,\ y)d\sigma}{\iint\limits_D\mu(x,\ y)d\sigma},以及 y=Dyμ(x, y)dσDμ(x, y)dσ\overline{y}=\dfrac{\iint\limits_Dy\mu(x,\ y)d\sigma}{\iint\limits_D\mu(x,\ y)d\sigma}

密度均匀时,μ(x, y)=μ\mu(x,\ y)=\mu 为常数。此时 x=1ADx dσ\overline{x}=\dfrac{1}{A}{\iint\limits_D\\}x\ d\sigmay=1ADy dσ\overline{y}=\dfrac{1}{A}{\iint\limits_D\\}y\ d\sigma

AM6.3 曲线积分

# 第一类曲线积分

若曲线 LL 的参数方程为 {x=ϕ(t)y=ψ(t)\begin{cases}x=\phi(t)\\y=\psi(t)\end{cases},且满足 (ϕ(t))2+(ψ(t))20(\phi'(t))^2+(\psi'(t))^2\not=0

Lf(x, y) ds=αβf(ϕ(t), ψ(t)) (ϕ(t))2+(ψ(t))2 dt{\int_L\\}f(x,\ y)\ ds={\int_{\alpha}^{\beta}\\}f(\phi(t),\ \psi(t))\ {\color{Orange}\sqrt{(\phi'(t))^2+(\psi'(t))^2}}\ dt

三维情况下同理有 Γf(x, y, z) ds=αβf(ϕ(t), ψ(t), φ(t)) (ϕ(t))2+(ψ(t))2+(φ(t))2 dt{\int_\Gamma\\}f(x,\ y,\ z)\ ds={\int_{\alpha}^{\beta}\\}f(\phi(t),\ \psi(t),\ \varphi(t))\ {\color{Orange}\sqrt{(\phi'(t))^2+(\psi'(t))^2+(\varphi'(t))^2}}\ dt

# 第二类曲线积分

limλ0i=1nP(ξi, ηi) Δxi\lim\limits_{\lambda\rarr0}\sum\limits^n_{i=1}P(\xi_i,\ \eta_i)\ \Delta x_i 存在,则

函数 P(x, y)P(x,\ y) 在有向有限曲弧 LL 上对坐标 xx 的积分 LP(x, y) dx=limλ0i=1nP(ξi, ηi) Δxi{\int_L\\}P(x,\ y)\ dx=\lim\limits_{\lambda\rarr0}\sum\limits^n_{i=1}P(\xi_i,\ \eta_i)\ \Delta x_i

三维情况下同理有 ΓP(x, y, z) dx=limλ0i=1nP(ξi, ηi, ζi) Δxi{\int_\Gamma\\}P(x,\ y,\ z)\ dx=\lim\limits_{\lambda\rarr0}\sum\limits^n_{i=1}P(\xi_i,\ \eta_i,\ \zeta_i)\ \Delta x_i

又可以改写为 LP(x, y) dx+LQ(x, y) dy=LP(x, y) dx+Q(x, y) dy=LF(x, y)dr{\int_L\\}P(x,\ y)\ dx+{\int_L\\}Q(x,\ y)\ dy={\int_L\\}P(x,\ y)\ dx+Q(x,\ y)\ dy={\int_L\\}F(x,\ y)\bull dr

有如下性质

  • L(αF1(x, y)+βF2(x, y))dr=αLF1(x, y)dr+βLF2(x, y)dr{\int_L\\}(\alpha F_1(x,\ y)+\beta F_2(x,\ y))\bull dr=\alpha{\int_L\\}F_1(x,\ y)\bull dr+\beta{\int_L\\}F_2(x,\ y)\bull dr
  • L=L1+L2L=L_1+L_2,则 LF(x, y)dr=L1F(x, y)dr+L2F(x, y)dr{\int_L\\}F(x,\ y)\bull dr={\int_{L_1}\\}F(x,\ y)\bull dr+{\int_{L_2}\\}F(x,\ y)\bull dr
  • LL^-LL 的反向弧,则 LF(x, y)dr=LF(x, y)dr{\int_L\\}F(x,\ y)\bull dr=-{\int_{L^-}\\}F(x,\ y)\bull dr

{x=ϕ(t)y=ψ(t)\begin{cases}x=\phi(t)\\y=\psi(t)\end{cases},则 LP(x, y) dx+Q(x, y) dy=αβ[P(ϕ(t), ψ(t))ϕ(t)+Q(ϕ(t), ψ(t))ψ(t)] dt{\int_L\\}P(x,\ y)\ dx+Q(x,\ y)\ dy={\int_\alpha^\beta\\}[P(\phi(t),\ \psi(t))\phi'(t)+Q(\phi(t),\ \psi(t))\psi'(t)]\ dt


<高等数学>AM6 重积分
https://i-melody.github.io/2023/10/25/高等数学/6 重积分/
作者
Melody
发布于
2023年10月25日
许可协议