3.2 二重积分的计算

高等数学 A2



周维祺

直角坐标下的计算

对积分区域DD的假设

设积分区域可以写作

{a≤x≤bφ1(x)≤y≤φ2(x)\begin{cases}a\le x\le b \\ \varphi_1(x)\le y\le \varphi_2(x)\end{cases}

其中φ1(x),φ2(x)\varphi_1(x),\varphi_2(x)连续

截面面积

  • 设有DD上的连续函数z=f(x,y)z=f(x,y)

  • 用平面x=x0x=x_0截z=f(x,y)z=f(x,y)与DD围成的柱体,得一截面

  • 此截面的顶即z=f(x0,y)z=f(x_0,y),φ1(x0)≤y≤φ2(x0)\varphi_1(x_0)\le y\le \varphi_2(x_0)

  • 其面积即∫φ1(x0)φ2(x0)f(x0,y)dy\int_{\varphi_1(x_0)}^{\varphi_2(x_0)} f(x_0,y)dy

转化为两个一重积分

再对x0x_0由aa到bb积分,即得

∬Df(x,y)dxdy=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx\iint_D f(x,y)dxdy=\int_a^b(\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y)dy)dx

对称的情况

同理,若积分区域可以写作 c≤y≤dc\le y\le d\quad, ψ1(y)≤x≤ψ2(y)\psi_1(y)\le x\le \psi_2(y)
其中ψ1(y),ψ2(y)\psi_1(y),\psi_2(y)连续,则

∬Df(x,y)dxdy=∫cd(∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx)dy\iint_D f(x,y)dxdy=\int_c^d(\int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)} f(x,y)dx)dy

例子

  • 设DD是由直线x=2,y=1,y=x所围成的区域,计算z=xyz=xy在DD上的积分

  • D:1≤x≤2,1≤y≤xD:1\le x\le 2, 1\le y \le x

  • ∬Dxydxdy=∫12(∫1xxydy)dx=∫12x⋅12(x2−1)dx\iint_D xydxdy=\int_{1}^2(\int_1^x xydy)dx=\int_1^2x\cdot\frac{1}{2}(x^2-1)dx

  • ∫12x⋅12(x2−1)dx=[x48−x24]12=98\int_1^2x\cdot\frac{1}{2}(x^2-1)dx=\left[\frac{x^4}{8}-\frac{x^2}{4}\right]_1^2=\frac{9}{8}

练习

  • 设D1D_1是区域:{(x,y):x2+y2≤2,∣y∣≥1}\{(x,y): x^2+y^2\le 2, |y|\ge 1\}

  • 设D2D_2是抛物线x=y2x=y^2以及直线y=x−2y=x-2所围成的区域

  • 分别求f(x,y)=xyf(x,y)=xy在D1D_1和D2D_2上的积分

有界闭区域上的连续函数总是可积的 且积分顺序可以交换

求和结果与顺序

(1−11−11−11⋱⋱)\begin{pmatrix} 1 & -1 & & & \\ & 1 & -1 & & \\ & & 1 & -1 & \\ & & & 1 & \ddots \\ & & & & \ddots \\ \end{pmatrix}

求和结果与顺序

D=[−1,1]×[−1,1]D=[-1,1]\times [-1,1],f(x,y)=x/yf(x,y)=x/y

练习

计算

∫01x2−y2(x2+y2)2dx,以及∫01x2−y2(x2+y2)2dy\int_0^1\frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2}dx, \quad以及\quad \int_0^1\frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2}dy

(提示:令x=ytan⁡tx=y\tan t)

求和结果与顺序

∫01(∫01x2−y2(x2+y2)2dx)dy=−π4≠π4=∫01(∫01x2−y2(x2+y2)2dy)dx\int_0^1(\int_0^1\frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2}dx)dy=-\frac{\pi}{4}\neq\frac{\pi}{4}=\int_0^1(\int_0^1\frac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2}dy)dx

本课程中的多重积分一般不含反常积分

反常积分:积分区域或被积函数无界

极坐标下的计算

Jacobian(雅可比式)

  • 设x=g(u,v),y=h(u,v)x=g(u,v),y=h(u,v)的偏导都存在且连续

  • 称矩阵J=(gugvhuhv)J=\begin{pmatrix}g_u & g_v \\ h_u & h_v \end{pmatrix}为映射(u,v)↦(x,y)(u,v)\mapsto(x,y)的雅可比矩阵

  • 称∣J∣=det⁡(gugvhuhv)=hvgu−hugv|J|=\det\begin{pmatrix}g_u & g_v \\ h_u & h_v \end{pmatrix}=h_vg_u-h_ug_v为该映射的雅可比式

练习

计算{x=ρcos⁡θy=ρsin⁡θ\begin{cases}x=\rho\cos\theta \\ y=\rho\sin\theta \end{cases}的雅可比式

换元的前提条件

  • 设z=f(x,y)z=f(x,y)是有界闭区域DD上的连续函数

  • x=g(u,v),y=h(u,v)x=g(u,v),y=h(u,v)的偏导都存在且连续

  • 设(u,v)↦(x,y)(u,v)\mapsto(x,y)的映射是单射

  • 设∣J∣≠0|J|\neq0

换元

∬Df(x,y)dxdy=∬Df(g(u,v),h(u,v))∣J∣dudv\iint_D f(x,y)dxdy=\iint_D f\left(g(u,v),h(u,v)\right)|J|dudv

换元:坐标转换

∬Df(x,y)dxdy=∬Df(ρcos⁡θ,ρsin⁡θ)ρ  dρdθ\iint_D f(x,y)dxdy=\iint_D f(\rho\cos\theta,\rho\sin\theta)\rho \;d\rho d\theta

例子

计算f(x,y)=e−x2−y2f(x,y)=e^{-x^2-y^2}在D={(x,y):x2+y2≤r2}D=\{(x,y):x^2+y^2\le r^2\}上的积分

∬Df(x,y)dxdy=∬De−ρ2ρ  dρdθ=∫02π(∫0re−ρ2ρ  dρ)dθ\iint_D f(x,y)dxdy=\iint_D e^{-\rho^2}\rho \;d\rho d\theta=\int_0^{2\pi}(\int_0^re^{-\rho^2}\rho \;d\rho)d\theta

∫02π(∫0re−ρ2ρ  dρ)dθ=−π[e−ρ2]0r=π(1−e−r2)→π,若r→∞\int_0^{2\pi}(\int_0^re^{-\rho^2}\rho \;d\rho)d\theta=-\pi[e^{-\rho^2}]_0^r=\pi(1-e^{-r^2})\to\pi, 若r\to\infty

练习

计算 f(x,y)=ln⁡(1+x2+y2)f(x,y)=\ln(1+x^2+y^2)在
D={(x,y):x2+y2≤1,x,y≥0}D=\{(x,y):x^2+y^2\le 1, x,y\ge 0\}上的积分

小结

  • 二重积分的计算

  • 了解可积性与积分顺序

  • 二重积分的换元和坐标转换