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
设 f(x, y) 是区域 D 上的有界函数,将区域 D 任意分为 n 个区域 Δσ1,…,Δσn,所有区域中直径的最大值记为 λ。在每个 Δσi 上任取一点 (ξi, ηi),若 limλ→0∑i=1nΔσif(ξi, ηi) 存在,则称之为 f(x, y) 的 二重积分,记为 D∬f(x, y)dσ
可见,D∬f(x, y)dσ=a∫b[ψ1(y)∫ψ2(y)f(x, y)dy] dx=a∫bdxψ1(y)∫ψ2(y)f(x, y)dy
二重积分有如下性质
- D∬[αf(x, y)+βg(x, y)]dσ=αD∬f(x, y)dσ+βD∬g(x, y)dσ
- 若有 D1∩D2=∅ 且 D=D1∪D2,则 D∬f(x, y)dσ=D1∬f(x, y)dσ+D2∬f(x, y)dσ
- 若 f(x, y)≡1,则 D∬1dσ=σ×1=σ
- 若 f(x, y)≤g(x, y),则 D∬f(x, y)dσ≤D∬g(x, y)dσ
- D∬f(x, y)dσ≤D∬∣f(x, y)∣dσ
- 若 M, m 是 f(x, y) 的最大值和最小值,则 mσ≤D∬f(x, y)dσ≤Mσ
# 极坐标二重积分
极坐标与直角坐标的转换为 {x=ρcosθy=ρsinθ
极坐标的二重积分公式为 D∬f(x, y)dσ=D∬f(ρcosθ, ρsinθ) ρ dρ dθ
# 二重积分换元法
若有 {x=x(u, v)y=y(u, v),原积分区域为 D,以 u, v 为坐标的积分区域为 D′
有以下定理
- x(u, v) 和 y(u, v) 存在一阶偏导
- J(u, v)=∂(u,v)∂(x, y)=∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y=0
- 若 D′ 与 D 的点一一对应,则 D∬f(x, y) dx dy=D∬f[x(u, v), y(u, v)] ∣J(u, v)∣ du dv
AM6.2 三重积分
# 三重积分球面坐标
若有点 P=(x, y, z),向量 OP 与 xoy 平面的夹角为 θ,OP 与 z 轴的夹角为 φ
则可以将坐标转化为球面形式:⎩⎨⎧x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφ
可见,r 是素数时为一球面,φ 是素数时为一圆锥面,θ 是素数是为一半平面
有 V∭f(x, y, z)dx dy dz=V∭g(r, θ, φ)r2sinφ dr dφ dθ
# 三维空间曲面面积
对于三维空间中的曲面 z=f(x, y),其面积为 D∬1+(fx′)2+(fy′)2 dσ
证明过程
# 质心位置
若密度公式为 μ(x, y),则质心位置 (x, y) 为
x=D∬μ(x, y)dσD∬xμ(x, y)dσ,以及 y=D∬μ(x, y)dσD∬yμ(x, y)dσ
密度均匀时,μ(x, y)=μ 为常数。此时 x=A1D∬x dσ,y=A1D∬y dσ
AM6.3 曲线积分
# 第一类曲线积分
若曲线 L 的参数方程为 {x=ϕ(t)y=ψ(t),且满足 (ϕ′(t))2+(ψ′(t))2=0
则 ∫Lf(x, y) ds=∫αβf(ϕ(t), ψ(t)) (ϕ′(t))2+(ψ′(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
# 第二类曲线积分
若 λ→0limi=1∑nP(ξi, ηi) Δxi 存在,则
函数 P(x, y) 在有向有限曲弧 L 上对坐标 x 的积分 ∫LP(x, y) dx=λ→0limi=1∑nP(ξi, ηi) Δxi
三维情况下同理有 ∫ΓP(x, y, z) dx=λ→0limi=1∑nP(ξi, ηi, ζi) Δxi
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
有如下性质
- ∫L(αF1(x, y)+βF2(x, y))∙dr=α∫LF1(x, y)∙dr+β∫LF2(x, y)∙dr
- 若 L=L1+L2,则 ∫LF(x, y)∙dr=∫L1F(x, y)∙dr+∫L2F(x, y)∙dr
- 若 L− 是 L 的反向弧,则 ∫LF(x, y)∙dr=−∫L−F(x, y)∙dr
若 {x=ϕ(t)y=ψ(t),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