第10章重积分
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多元函数积分学是定积分概念的推广,包括二重积分、三重积分、曲线积分和曲面
积分?它们所解决的问题的类型不同,但解决问题的思想和方法是一致的,都是以“分割、
近似、求和、取极限”为其基本思想,它们的计算最终都归结为定积分?本章主要介绍二重积分与三重积分的概念、性质、计算方法及其应用
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奥斯特罗格拉茨基 (Octporpajickh h )对重积分的研究也作了许多工作,他在研究
热传导理论的过程中,证明了关于三重积分和曲面积分之间关系的公式.
1828年,格林(Green)在其私人印刷出版的小册子《关于数学分析应用于电磁
学理论的一篇论文》中,为了推动位势论的进一步发展,建立了著名的格林公式.
10.1二重积分的概念及性质
10.1.1 二重积分的概念
实例1设函数z f(x, y)在有界闭区域D上连续,且f(x, y) 0 .以函数z f(x, y) 所表示的曲面为顶,以区域D为底,且以区域D的边界曲线为准线而母线平行于z轴的柱面为侧面的立体叫做曲顶柱体,如图10.1.1所示.求该曲顶柱体的体积V .
对于平顶柱体,它的体积就等于底面积乘高.现在曲顶柱体的顶是曲面,当点(x,y)在D上变动时,其高度z f(x, y)是一个变量,因此不能直接用上述方法求其体积,但是可以沿用求曲边梯形面积的方法和思路求其体积.具体步骤如下
第一步(分割).用一组曲线网将区域D任意分成n个小区域1, 2,… i ,…
n,其中记号i (i = 1 , 2,…,n)也用来表示第i个小区域的面积?分别以每个小区域的边界曲线为准线作母线平行于z轴的柱面,这些柱面把原来的曲顶柱体分割成
图
10.1.1
图
10.1.2
小曲顶柱体V , V…,V…,V,其中记号V i (i = 1, 2,…,n)也用来表示第i 个小曲顶柱体的体积.
第二步(近似)?因为f(x,y)在区域D上连续,在每个小区域上其函数值变化很小,这
个小曲顶柱体可以近似地看作平顶柱体(如图10.1.2)?分别在每个小区域i上任取一点(i, i),以f(i, i)为高,i为底的小平顶柱体的体积f(i, i)i作为第i个小曲顶
柱体体积V i的近似值,即
V f ( i, i) i(i 1,2, ,n).
第三步(求和).这n个小平顶柱体体积之和可作为原曲顶柱体体积V的近似值,即
n n
V V i f(i, i)i.
i 1 i 1
第四步(取极限)?对区域D分割越细,近似程度越高,当各小区域直径的最大值0(有界闭区域的直径是指区域上任意两点间距离的最大值)时,若上述和式的极限存在,贝U 该极限值就是曲顶柱体的体积V,即有
n
V li叫f(i, i)i .
i 1
实例2设有一个质量非均匀分布的平面薄片,它在xOy平面上占有有界闭区域D , 此薄片在点(x,y) D处的面密度为(x, y),且(x, y)在D上连续?求该薄片的质量M .
如果平面薄片是均匀的,即面密度是常数,则薄片的质量
就等于面密度与面积的乘积.现在薄片的面密度随着点(x, y)
的
位置而变化,我们仍然可以采用上述方法求薄片的质量?用一
组曲线网将区域D任意分成n个小块1, 2…,n;由
于(x,y)在D上连续,只要每个小块i (i = 1, 2,…,n)
上任取一点(i,」,用点
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的直径很小,这个小块就可以近似地看作均匀小薄片?在
n
(i , i )
i 1
极限值就是所求平面薄片的质量,
n
lim 0i1(i ,i )
尽管上面两个问题的实际意义不同,但解决问题的方法是一样的,而且最终都归结
为求二元函数的某种特定和式的极限?在数学上加以抽象,便得到二重积分的概念.
(i ,i )
图 10.1.3 处的面密度 (i , i )近似代替区域 i 上各点处的面密度(如图10.1.3),从而求得小薄片
i 的质量的近似值
(i ,i ) (i 1,2, ,n );
整个薄片质量的近似值为 将薄片无限细分,当所有小区域
i 的最大直径 0时,若上述和式的极限存在,这个
根据二重积分的定义可知,例10.1.1中曲顶柱体的体积V是其曲顶函数f(x,y)在底面
区域D上的二重积分,即
V f(x, y)d ;
D
例10.1.2中平面薄片的质量M是其面密度函数(x, y)在其所占闭区域D上的二重积分,
即
M (x,y)d ?
D
关于二重积分的几点说明.
(1) 如果函数f (x,y)在区域D上的二重积分存在,则称函数 f (x, y)在D上可积.如
果函数f (x, y)在有界闭区域D上连续,则f (x, y)在D上可积.
(2) 当f(x, y)在有界闭区域D上可积时,积分值与区域D的分法及点(i, i)的取法
无关.
(3) 二重积分只与被积函数 f (x, y)和积分区域D有关.
二重积分f(x,y)d 的几何意义.
D
(1) 若在闭区域D上f (x, y) 0 ,二重积分表示曲顶柱体的体积;
(2) 若在闭区域D上f (x, y) 0 ,二重积分表示曲顶柱体体积的负值;
(3) 若在闭区域D上f (x, y)有正有负,二重积分表示各个部分区域上曲顶柱体体积的代数和.
10.1.2 二重积分的性质
二重积分有与定积分完全类似的性质,这里我们只列举这些性质,而将证明略去.
性质1被积函数中的常数因子可以提到积分符号的外面,即
kf(x, y)d k f (x, y)d ,其中k
为常数.
D D
性质2有限个函数代数和的二重积分等于各函数二重积分的代数和,即