下载文档原格式
二重积分的计算公式二重积分是微积分中的基本内容之一，它用于计算平面上一些区域内的一些函数的面积或者平面质量分布等问题。
在进行二重积分计算时，首先需要确定被积函数、积分区域以及坐标系，然后通过适当的积分方法进行计算。
本文将介绍二重积分的计算公式及其应用。
一、二重积分计算公式1.矩形区域上的二重积分考虑一个定义在矩形区域D上的函数f(x,y)，该区域上的二重积分可以通过将该区域分为许多小的矩形区域，并对每个小区域内的函数值进行求和，再取极限的方法进行计算。
设矩形区域D的边界为a≤x≤b，c≤y≤d，将其进行分割，得到对应的小矩形区域ΔxΔy，将f(x,y)在该矩形区域上的积分记为ΔI。
则整个矩形区域上的二重积分可以表示为：∬Df(x,y)dA = lim Δx,Δy→0 Σf(x,y)ΔxΔy其中Σ表示对所有小矩形区域进行求和，lim表示小矩形区域的数量趋于无穷小。
2.二重积分的换元法在计算二重积分时，有时可以通过变量替换将原来的积分变为更加简化的形式，这种方法称为换元法。
换元法的基本思想是将原坐标系中的二重积分转化为新坐标系下的二重积分，并通过求导和求逆变换的方法进行计算。
设原坐标系为（x,y），新坐标系为（u,v），变换公式为x=x(u,v)，y=y(u,v)，则原坐标系中的二重积分可以表示为：∬Df(x,y)dA = ∬D′f[x(u,v),y(u,v)]，J(u,v)，dudv其中D′为新坐标系下的区域，J(u,v)为变换矩阵的行列式，J(u,v)，为其绝对值。
二、二重积分的应用1.几何应用二重积分常常用于计算平面几何中的面积和质心等问题。
例如，可以通过对平面上一个区域内的特定函数进行二重积分来计算该区域的面积，并可以通过对函数的乘积进行二重积分来计算该区域的质心位置。
2.物理应用二重积分在物理学中具有广泛的应用，特别是在计算质量分布、重心位置和力矩等问题上。
例如，可以通过对平面上一些区域的质量分布函数进行二重积分来计算该区域的总质量，并可以通过对质量分布函数与各点与一些轴线的距离的乘积进行二重积分来计算该区域对该轴线的力矩。
二重积分的计算方法二重积分是微积分中的重要内容，用于计算平面上的曲线与坐标轴所围成的面积或求平面上的散布点的平均性质等。
在实际运用中，可以通过直接计算、换元法、极坐标法等多种方法来进行二重积分的计算。
一、直接计算法直接计算法是最常用也是最基础的计算二重积分的方法。
其基本步骤是将所给的二重积分转化为累次积分，先对一个变量进行积分，再对另一个变量进行积分。
1.内部积分内部积分即对于每个固定的y值，对x进行积分。
可以根据具体的题目决定如何进行内部积分，常用的有定积分、不定积分和积分换元等方法。
2.外部积分外部积分即对内部积分的结果再进行一次积分，这一步是对y进行积分。
同样的，可以根据具体题目决定如何进行外部积分，可以选择定积分、不定积分和积分换元等方法。
需要注意的是，直接计算法在面对比较复杂的函数或曲线时计算量较大，需要进行复杂的代数计算，常常需要对整个积分范围进行划分，或者使用边界定理简化计算。
二、换元法换元法是将二重积分变换到坐标系上的简单区域。
换元法分为直角坐标系的变换和极坐标系的变换两种情况。
1.直角坐标系的变换直角坐标系的变换是指将原先的积分变为关于新的变量的积分，使得积分计算更加简化。
常见的直角坐标系变换有平移变换、旋转变换和放缩变换等。
例如，当变量的变化范围较大或边界不规则时，使用平移变换可以将积分范围变为一个更加简单的区域，从而简化计算。
2.极坐标系的变换极坐标系的变换是将原先的直角坐标系变为极坐标系，使得计算过程更加简单明了。
极坐标系变换常用于对称图形或圆形区域进行积分计算。
极坐标系变换需要通过变量替换来实现，通常需要将原函数和积分上下限由直角坐标形式转换为极坐标形式，再进行计算。
换元法可以大大简化积分计算过程，但需要选择合适的坐标变换，有时会引入更多的计算量。
需要根据具体问题的特点来决定选择哪种变换。
三、几何意义根据题目所给的条件，可以确定积分范围和被积函数形式，将二重积分转化为面积或长度的几何问题。
二重积分公式“二重积分公式”是指将复杂的定积分变形成两层积分，从而使计算简单易行的数学方法。
在微积分中，二重积分公式可用来计算含有两个变量的函数的定积分。
一般地，二重积分公式的积分限定应当是单变量连续函数f (x, y) 上的闭区间（a，b）×（c，d），即：∫a b ∫c d f (x, y) dx dy其中，a、b、c、d 四个数值都是已知的，两个积分符号表示对 f (x, y) 进行双重积分。
二重积分公式的计算步骤如下：（1）首先将复杂的定积分表达式变形成两层积分的形式：∫a b ∫c d f (x, y) dx dy（2）然后内层积分，即将 x 变量作为不变量，固定y 的值，用其他技巧把 y 和 f (x, y) 表示的函数抽象出来，这样就得到一个关于 x 的积分：∫a b F (x, y) dx（3）最后外层积分，先把 y 变量作为不变量，把 F (x, y) 抽象出来，再用其他技巧将 y 和 F (x, y) 表示的函数抽象出来，这样就得到一个关于 y 的积分：∫c d G (y) dy（4）通过计算内层积分和外层积分，就可以得到最终的定积分结果：∫a b ∫c d f (x, y) dx dy = ∫c d G (y) dy ∫a b F (x, y) dx总而言之，二重积分公式就是将复杂的定积分变形成两层积分，并用计算内层积分和外层积分的方法来求解定积分的数学方法。
除此之外，二重积分公式还有一些特殊情况。
例如，如果 a=b 或 c=d，那么就可以将二重积分公式变成单重积分。
另外，如果 a=c 且 b=d，那么就可以将二重积分公式变成求面积的公式。
总之，二重积分公式是一种非常有用的数学工具，能够帮助我们快速求解含有双重变量的定积分问题，简化复杂的计算过程，使得定积分的计算变得更加简单易行。
二重积分的计算方法2. 二重积分的计算法目前所能接触到的方法是：将二重积分化为两次单积分将二重积分化为两次单积分_接下来介绍：①直角坐标系②极坐标③二重积分的换元法（至于二重积分的换元法，仅作简单介绍）2.1 利用直角坐标计算二重积分本质思想是通过画图来判断是先对x还是先对y积分。
（先对哪一个积分不绝对，需要具体问题具体分析，但仍需考虑图形，这里不过多解释为什么，仅给出相关题型的做法）下面的介绍中，默认f(x,y)≥0①有如下闭区域D：∬Df(x,y) dσ=∫abdx∫ϕ1(x)ϕ2(x)f(x,y) dy（先对y后对x）②∬Df(x,y) dσ=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y) dx（先对x后对y）（注：这里未考虑在立体空间中的形状，但只研究物体在xOy面上的投影即可解决问题）我们称①、②中的区域分别为X型区域、Y型区域。
（按先对、x、y中的哪个积分来命名）若闭区域D既是X型区域，又是Y型区域，则选择哪一种都可以（尽量找简单的）不管先对还是进行积分，要找准积分限不管先对x还是y进行积分，要找准积分限“每个人都有每个人的理解方式，这里我有些解释不出来，大家自行领会吧”注：在解题时，注意使用可加性"可加性"，区间可以分为X型、Y型，既是X型又是Y型的，此时我们对其分别求二重积分即可。
这里给出一个例子来让大家认识到选择正确的积分次序的重要性：计算∬Dy1+x2−y2 dσ，其中区域D是由、、y=x、x=−1、y=1围成的闭区域。
显然D既是X型，又是Y型积分区域，现在我们用两种方法来看一下：①先对y后对x：∫−11dx∫x1y1+x2−y2 dσ（偶函数，想想为什么这里是）=−13∫−11[(1+x2−y2)32|x1] dx=−13∫−11(|x|3−1) dx_（偶函数，想想为什么这里是|x|3）=−23∫01(x3−1)dx=−23(x44−x)|01 =−23⋅(14−1)=12②先对x后对y：∫−11dy∫y1y1+x2−y2dx=∫−11[xy(1+x2−y2)12|1y−∫1yx d[y(1+x2−y2)12]]=∫−11[y2−y2−y2−∫1yx2y1+x2−y2 dx]dy此时还需求∫1yx2y1+x2−y2 dx，难免比较麻烦。
计算二重积分的几种简便方法计算二重积分是数学中的重要概念，它在多个领域有着广泛的应用。
对于一些复杂的函数，计算二重积分可能会变得非常繁琐。
人们寻求一些简便的方法来计算二重积分，以提高计算效率。
本文将介绍几种计算二重积分的简便方法，帮助读者更轻松地应对二重积分计算问题。
一、极坐标变换法极坐标变换法是计算二重积分的一种简便方法。
它适用于一些具有极坐标对称性的函数，能够将二重积分转化为单重积分，简化计算过程。
设要计算的二重积分为∬Rf(x,y)dxdy，其中R为xy平面上的一个区域，f(x,y)为被积函数。
如果区域R在极坐标下的描述为R={(r,θ)|α≤θ≤β，g(θ)≤r≤h(θ)}，那么进行极坐标变换时，被积函数f(x,y)要转化为F(r,θ)。
然后利用极坐标的雅可比行列式进行计算，最终将二重积分转化为一个极坐标下的单重积分∫(α,β)∫(g(θ),h(θ))F(r,θ)rdrdθ。
极坐标变换法的优势在于能够简化一些对称性较强的函数的计算过程，减少了计算量，提高了计算效率。
二、直角坐标系下的累次积分法设要计算的二重积分为∬Rf(x,y)dxdy，其中R为xy平面上的矩形区域，f(x,y)为被积函数。
通过内层积分和外层积分的累次积分转化，将二重积分变为∫a∫bf(x,y)dxdy，其中a、b为区间端点。
累次积分法的优势在于适用范围广泛，能够简化一些矩形区域内的二重积分计算问题，提高了计算效率。
三、利用对称性简化计算在计算二重积分时，有时可以利用函数的对称性来简化计算。
如果被积函数具有轴对称性或中心对称性，可以利用这种特性来简化计算过程。
对于具有轴对称性的函数，可以只计算坐标轴的一侧，然后通过对称性得到整个区域的积分值。
对于具有中心对称性的函数，可以只计算某一部分区域，然后通过对称性得到整个区域的积分值。
在计算二重积分时，可以利用积分的线性性质、换元积分法等积分性质来简化计算。
如果被积函数可以拆分为两个函数的和，可以分别计算每个函数的积分，然后将结果相加。
第二节 二重积分的计算法教学目的：熟练掌握二重积分的计算方法教学重点：利用直角坐标和极坐标计算二重积分 教学难点：化二重积分为二次积分的定限问题 教学容：利用二重积分的定义来计算二重积分显然是不实际的,二重积分的计算是通过两个定积分的计算(即二次积分)来实现的. 一、利用直角坐标计算二重积分我们用几何观点来讨论二重积分f x y d D(,)σ⎰⎰的计算问题.讨论中,我们假定f x y (,)≥0；假定积分区域D 可用不等式 a x b x y x ≤≤≤≤ϕϕ12()()表示,其中ϕ1()x , ϕ2()x 在[,]a b 上连续.据二重积分的几何意义可知,f x y d D(,)σ⎰⎰的值等于以D 为底,以曲面z f x y =(,)为顶的曲顶柱体的体积.在区间[,]a b 上任意取定一个点x 0,作平行于yoz 面的平面x x =0,这平面截曲顶柱体所得截面是一个以区间[(),()]ϕϕ1020x x 为底,曲线z f x y =(,)0为曲边的曲边梯形,其面积为A x f x y dy x x ()(,)()()001020=⎰ϕϕ一般地,过区间[,]a b 上任一点x 且平行于yoz 面的平面截曲顶柱体所得截面的面积为A x f x y dy x x ()(,)()()=⎰ϕϕ12利用计算平行截面面积为已知的立体之体积的方法,该曲顶柱体的体积为V A x a dx f x y dy dx bx x a b ==⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥⎰⎰⎰()(,)()()ϕϕ12从而有dx dy y x f d y x f ba x x D⎰⎰⎰⎰⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡=)(2)(1),(),(ϕϕσ (1)上述积分叫做先对Y,后对X 的二次积分,即先把x 看作常数,),(y x f 只看作y 的函数,对),(y x f 计算从)(1x ϕ到)(2x ϕ的定积分,然后把所得的结果( 它是x 的函数 )再对x 从a 到b 计算定积分.这个先对y , 后对x 的二次积分也常记作f x y d dx f x y dy Dabx x (,)(,)()()σϕϕ⎰⎰⎰⎰=12在上述讨论中,假定了0),(≥y x f ，利用二重积分的几何意义,导出了二重积分的计算公式(1).但实际上,公式(1)并不受此条件限制,对一般的),(y x f (在D 上连续),公式(1)总是成立的.例如:计算 I x d D x y x y D=-=-≤≤≤≤⎰⎰(){(,)|,}111022σ解: []dx y x dy x dx I 211220211)1()1(⎰⎰⎰---=-=38322)1(2113112=-=-=--⎰x x dx x类似地,如果积分区域D 可以用下述不等式c yd y x y ≤≤≤≤,()()φφ12表示,且函数φ1()y ,φ2()y 在[,]c d 上连续,f x y (,)在D 上连续,则f x y d f x y dx dy dy f x y dx D y y c dc d y y (,)(,)(,)()()()()σφφφφ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=⎡⎣⎢⎢⎤⎦⎥⎥=1212 (2)显然,(2)式是先对x ,后对y 的二次积分.二重积分化二次积分时应注意的问题1、积分区域的形状前面所画的两类积分区域的形状具有一个共同点:对于I 型(或II 型)区域, 用平行于y 轴(x 轴 )的直线穿过区域部,直线与区域的边界相交不多于两点.如果积分区域不满足这一条件时,可对区域进行剖分,化归为I 型(或II 型)区域的并集. 2、积分限的确定二重积分化二次积分, 确定两个定积分的限是关键.这里,我们介绍配置二次积分限的方法-- 几何法.画出积分区域D 的图形(假设的图形如下 )在],[b a 上任取一点x ,过x 作平行于y 轴的直线,该直线穿过区域D ,与区域D 的边界有两个交点))(,(1x x ϕ与))(,(2x x ϕ,这里的)(1x ϕ、)(2x ϕ就是将x ,看作常数而对y 积分时的下限和上限；又因x 是在区间[,]a b 上任意取的,所以再将x 看作变量而对x 积分时,积分的下限为a 、上限为b .例1计算322x y d D⎰⎰σ,其中D 是由x 轴,y 轴和抛物线yx =-12在第一象限所围成的区域.类似地, D y x y :,0101≤≤≤≤-[]==-⎰⎰-x y dy y y dy y3211322011()3322012201x y d dy x y dx D y ⎰⎰⎰⎰=-σ令y t t t dt=⋅=⋅--=⎰sin cos sin()!!()!!!!2452224151916315π例2计算xydD⎰⎰σ, 其中D是由抛物线y x2=及直线y x=-2所围成的区域.D y y x y:,-≤≤≤≤+1222xyd dy xydx x y dyD yyyyσ⎰⎰⎰⎰⎰==⎡⎣⎢⎤⎦⎥-+-+12221222212[]=+-=-⎰1224582512y y y dy()例3求由曲面z x y=+222及z x y=--6222所围成的立体的体积. 解: 1、作出该立体的简图, 并确定它在xoy面上的投影区域消去变量z得一垂直于xoy面的柱面x y222+=,立体镶嵌在其中,立体在xoy面的投影区域就是该柱面在xoy面上所围成的区域D x y:222+≤2、列出体积计算的表达式V x y x y dD=---+⎰⎰[()()]6222222σ=--⎰⎰()63323x y dDσ3、配置积分限, 化二重积分为二次积分并作定积分计算V d x d y dD D D=--⎰⎰⎰⎰⎰⎰63322σσσ而dDσπ⎰⎰=2由x,y的对称性有x d y dD D22σσ⎰⎰⎰⎰=x d x dx dy x x dxD xx22222222222222σ⎰⎰⎰⎰⎰==------=-=⎰⎰4244222222x x dx sin cosθθπ=⋅--+⋅162121222()!!()!!()!!π=⋅⋅⋅⋅1611422π=π所求立体的体积为V=-=1266πππ二、利用极坐标计算二重积分1、变换公式按照二重积分的定义有f x y d f Di i i i n(,)lim (,)σξησλ⎰⎰∑=→=01∆现研究这一和式极限在极坐标中的形式.用以极点0为中心的一族同心圆 r =常数以及从极点出发的一族射线θ=常数,将D 剖分成个小闭区域.除了包含边界点的一些小闭区域外,小闭区域∆σi的面积可如下计算i i i i i i i i i i r r r r r r θθθσ∆∆∆+=∆-∆∆+=∆)2(2121)(2122i i i i i i i i r r r r r r θθ∆∆=∆∆∆++=2)(其中,r i表示相邻两圆弧半径的平均值.(数学上可以证明: 包含边界点的那些小闭区域所对应项之和的极限为零, 因此, 这样的一些小区域可以略去不计)在小区域∆σi 上取点(,)r i i θ,设该点直角坐标为(,)ξηi i,据直角坐标与极坐标的关系有 ξθηθi i i i i i r r ==cos ,sin于是lim (,)lim (cos ,sin )λλξησθθθ→=→=∑∑=⋅0101f f r r r r i i i i ni ni i i i i i i ∆∆∆即f x y d f r r rdrd DD(,)(cos ,sin )σθθθ⎰⎰⎰⎰=由于f x y d D (,)σ⎰⎰也常记作f x y dxdy D (,)⎰⎰, 因此,上述变换公式也可以写成更富有启发性的形式f x y dxdy f r r rdrd DD(,)(cos ,sin )⎰⎰⎰⎰=θθθ (1)(1)式称之为二重积分由直角坐标变量变换成极坐标变量的变换公式,其中,rdrdθ就是极坐标中的面积元素.(1)式的记忆方法:x r→cosθy r→sinθdxdy rdrd→θf x y dxdyD(,)⎰⎰f r r rdrdD(cos,sin)θθθ⎰⎰2、极坐标下的二重积分计算法极坐标系中的二重积分, 同样可以化归为二次积分来计算.【情形一】积分区域D可表示成下述形式αθβϕθϕθ≤≤≤≤12()()r其中函数ϕθ1(), ϕθ2()在[,]αβ上连续.则f r r rdrd d f r r rdrD(cos,sin)(cos,sin)()()θθθθθθαβϕθϕθ⎰⎰⎰⎰=12【情形二】积分区域D为下述形式显然,这只是情形一的特殊形式ϕθ1()≡( 即极点在积分区域的边界上 ). 故f r r rdrd d f r r rdr D(cos,sin)(cos,sin)()θθθθθθαβϕθ⎰⎰⎰⎰=【情形三】积分区域D为下述形式显然,这类区域又是情形二的一种变形( 极点包围在积分区域D的部 ),D可剖分成D 1与D 2,而D r D r 120020:,():,()≤≤≤≤≤≤≤≤θπϕθπθπϕθ故 D r :,()020≤≤≤≤θπϕθ则 f r r rdrd d f r r rdr D(cos ,sin )(cos ,sin )()θθθθθθπϕθ⎰⎰⎰⎰=20由上面的讨论不难发现, 将二重积分化为极坐标形式进行计算, 其关键之处在于: 将积分区域D 用极坐标变量r ,θ表示成如下形式αθβϕθϕθ≤≤≤≤,()()12r下面通过例子来介绍如何将区域用极坐标变量来表示. 例4将下列区域用极坐标变量表示 1、D x y y 1222:+≤2、D R x R R y R R x 222:,-≤≤≤≤+-D x y 31:+≤先画出区域的简图, 据图确定极角的最大变化围[,]αβ；再过[,]αβ任一点θ作射线穿过区域,与区域的边界有两交点,将它们用极坐标表示,这样就得到了极径的变化围[(),()]ϕθϕθ12.注: 本题不能利用直角坐标下二重积分计算法来求其精确值.利用此题结果可求出著名概率积分I e dxx=-+∞⎰2.而被积函数满足022>--yxe,从而以下不等式⎰⎰⎰⎰⎰⎰------<<22222122DyxSyxDyx dxdyedxdyedxdye成立，再利用例二的结果有)1(42122RDyx edxdye----=⎰⎰π,)1(422222RDyx edxdye----=⎰⎰π ,⎰⎰⎰⎰⎰⎰------==RyRxRyxRSyx dyedxedyedxdxdye222222222222⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎪⎭⎫⎝⎛=⎪⎭⎫⎝⎛⋅⎪⎭⎫⎝⎛=⎰⎰⎰⎰⎰-----RxRxRxRyRx dxedxedxedyedxe于是不等式可改写成下述形式ππππ44141422222R R xRR Re e dx e→+∞---→+∞←−−−−-<⎛⎝⎫⎭⎪<-−→−−−⎰()()故当R→+∞时有e dxx-+∞⎰⎛⎝⎫⎭⎪=224π,即I e dxx==-+∞⎰22π.3、使用极坐标变换计算二重积分的原则(1)、积分区域的边界曲线易于用极坐标方程表示( 含圆弧,直线段 )；(2)、被积函数表示式用极坐标变量表示较简单( 含()x y22+α, α为实数 ).例6计算I dx dyx y a x yaaxa a x=+⋅-+>⎰⎰--+-22222422()()解此积分区域为D x a x y a a x:,022≤≤-≤≤-+-区域的简图为该区域在极坐标下的表示形式为D r a:,sin-≤≤≤≤-πθθ4002Irdrdr a rddra rrad Da a=-=-=⎡⎣⎢⎤⎦⎥⎰⎰⎰⎰⎰----θθθπθθπ44222422224sin sinarcsin=-=-=--⎰()θθθπππd424021232小结二重积分计算公式直角坐标系下 ⎰⎰⎰⎰=Dbax x dy y x f dx dxdy y x f )()(21),(),(φφ X —型⎰⎰⎰⎰=dcy y Ddx y x f dy dxdy y x f )()(21),(),(ϕϕ Y —型极坐标系下 ⎰⎰⎰⎰=Ddr r r f d rdrd r r f βαϑφϑφϑϑϑϑϑϑ)()(21)sin ,cos ()sin ,cos (作业 教材P 161 习题2（I ）（2）（3）3（1）（3）4（2）（4）。
