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文檔簡介
§16.21直角坐標(biāo)系下二重積分的計算z
=f
(x,y)為頂面的曲頂柱體21f
(
x
,
y
)
dyA
(
x
0
)
=j
(
x
)j
(
x
)2一、矩形區(qū)域上的二重積分的計算設(shè)
D
=
[a,
b]·[c,
d
],
f
:
D
fiR,如對"x
?
[a,b],函數(shù)
f
(
x, )
在[c,
d
]上可積,
則可得如下函數(shù):dcf
(
x,
y)dy,
x
?
[a,
b].I
(
x)
=如果函數(shù)
I
(
x)
也在[a,
b]上可積,
則得積分
a
cb
b
da(
f
(
x,
y)dy)dx
.I
(
x)dx
=3ab
dcf
(
x,
y)dy.dx此積分稱為累次積分.
記為類似理解:(cd
badcbaf
(
x,
y)dx)dy
.f
(
x,
y)dx
=dy問題:
f
(
x,
y)dsDbadcf
(
x,
y)dy,dxdcbaf
(
x,
y)dx.dy4且對"x
?
[a,b],5積分定理1.設(shè)f
(x,y)在矩形區(qū)域D
=[a,b]·[c,d
]上可積,dcf
(x,y)dy
都存在,則累次積分ab
dcdxf
(
x,
y)dy
也存在,
且Df
(
x,
y)ds=ab
dcf
(
x,
y)dy.dx證明:f
(
x,
y)dy,dcx
?
[a,
b].I
(
x)
=對[a,b],[c,d
]的分割px
:
a
=
x0
<
x1
<
<
xn
=
b,p
y
:
c
=
y0
<
y1
<
<
ym
=
d
,6令
Ii
=
[
xi
-1
,
xi
],
i
=
1,,
n,J
j
=
[
y
j-1
,
y
j
],
j
=
1,,
m.因此子矩形Ii
·
J
j
形成了D的分割p
=
px
·py令A(yù)
=
fdsD由定義,"e
>0,$d
>0,當(dāng)分割p滿足p
<d時,有n
nA
-
e
<
f
(xi
,h
j
)Dxi
Dyj
<
A
+
e
(1)i
=1
j=127現(xiàn)取p
,p
<d
,則p
<dx
y在(1)中取n
ninf
f
(xi
,
J
j
)Dyj
sup
f
(xi
,
J
j
)Dyjj=1
j=1分別是f
(xi
,)在[c,d
]上的上和與下和n8lim
I
(xi
)Dxi
=
Apx
fi
0
j=1Df
(
x,
y)ds
=badcf
(
x,
y)dy.dxni
=1A
-
e
£
I
(xi
)Dxi
£
A
+
edcnji
jinf
f
(j=1f
(xi
,
J
j
)Dyjx
,
J
)Dy
£nj=1£
sup
f
(xi
,
J
j
)Dyj定理2.設(shè)f
(x,y)在矩形區(qū)域D
=[a,b]·[c,d
]上可積,9且對"y
?
[c,d
],積分baf
(x,y)dx
都存在,則累次Df
(
x,
y)ds積分cd
badyf
(
x,
y)dx
也存在,
且=dcbaf
(
x,
y)dx.dy證明:類似于定理1.
10=c
ady f
(
x,
y)dx.定理3.設(shè)f
(x,y)在矩形區(qū)域D
=[a,b]·[c,d
]上連續(xù),則有
f
(
x,
y)ds
=Dadb
dcbdxf
(
x,
y)dy累次積分交換順序的充分條件:f
(x,y)在D上可積,dcf
(x,y)dy
都存在,對"x
?
[a,b],對"y
?
[c,d
],積分積分baf
(x,y)dx
都存在.例1.設(shè)
f
(
x,
y)
=
1
-
x
-
yD計算
f
(x,y)ds
,其中D
=[0,1]·[0,1].解因為f
(x,y)滿足定理31010f
(
x,
y)dydxDf
(
x,
y)ds
=0x
x1y1x
+
y
=
111的條件,所以1010-
y)dy(1
-
xf
(
x,
y)dy
==1010ydy(1
-
x)dy
-= -
x1
12
2=
(1
-
x)
-而所以1212(10-
x)dx
=
0.Df
(
x,
y)ds
=二、一般區(qū)域上的二重積分的計算x型區(qū)域D
=
{(
x,
y)
|
y1
(
x)
£
y
£
y2
(
x),a
£
x
£
b}baxy
=
y1
(
x)y
=
y2
(
x)特點(diǎn):穿過區(qū)域且平行于
yy軸的直線與區(qū)域邊界相交不多于兩個交點(diǎn).13y型區(qū)域D
=
{(
x,
y)
|
x1
(
y)
£
x
£
x2
(
y),c
£
y
£
d
}特點(diǎn):穿過區(qū)域且平行于x
軸的直線與區(qū)域邊界相交不多于兩個交點(diǎn).xc14ydD3152DD1一般區(qū)域或分解成有限個無公共內(nèi)點(diǎn)的x型區(qū)域y型區(qū)域.因此一般區(qū)域上的二重積分計算問題歸結(jié)到x型區(qū)域或y型區(qū)域上的二重積分計算問題.定理
4.
設(shè)f
(
x,
y)在x型區(qū)域
D上連續(xù),
其中
y1
(
x)y2
(
x)在[a,
b]上連續(xù),
則Df
(
x,
y)ds=adxy
(
x
)b y2
(
x
)1f
(
x,
y)dy分析:baxy
=
y2
(
x)y
=
y1
(
x)cyd160, (
x,
y)
ˇ
D.
f
(
x,
y),(
x,
y)
?
D,F
(
x,
y)
=
170, (
x,
y)
ˇ
D.證
由于
y1
(
x),
y2
(
x)在[a,
b]上連續(xù),
故總存在矩形區(qū)域[a,
b]·[c,
d
]
D,
作定義在[a,
b]·[c,
d
]上的輔助函數(shù)F
(
x,
y)
=
f
(
x,
y),(
x,
y)
?
D,可以驗證F
(
x,
y)在[a,
b]·[c,
d
]上可積,
而且
f
(
x,
y)ds
=D[a
,b]·[c
,d
]F
(
x,
y)ds=ab
dcdxF
(
x,
y)dy=adxy
(
x
)b y2
(
x
)11F
(
x,
y)dy
=bay2
(
x
)y
(
x
)f
(
x,
y)dy.dx則18Df
(
x,
y)ds=dcdyx
(
y
)2x1
(
y
)f
(
x,
y)dx類似可證 若f
(
x,
y)在y型區(qū)域
D上連續(xù),
x1
(
y)x2
(y)在[c,d
]上連續(xù),積分限的問題注
意:務(wù)必保證:?--同一定積分?--累次積分下限£
上限先定后積解兩曲線的交點(diǎn)2
(0,0) ,
(1,1),x
=
y
y
=
x2D(
x2
+
y)dxdy
=10x2x(
x2
+
y)dydx102=2
140[
x
(
x
-
x2
)
+
1
(
x
-
x4
)]dx
=
33
.x
=
y2y
=
x219例
2
求(
x2
+
y)dxdy,其中D
是由拋物線Dy
=x2和x
=y2所圍平面閉區(qū)域.x
=
y2y
=
x2
(
x2
+
y)dxdyD14033=
.=dyy2y(
x2
+
y)dx1013
31032332y
-
1
y6
)dy(
y
-
y
+=12074211825
01
15
4=yy
-
y
-Dx
e
dxdy2
-
y2=dxdy01
y0x2e-
y2e=-
y10y3321062y2edy
=-
y1
26
e(1
-
).dy2
=例
3.
計算
x
-2e
-
y2
ds
,
其中D是由x
=
0,
y
=
121D及y
=x
圍成的區(qū)域.2解
e-
y
dy
無法用初等函數(shù)表示\積分時必須考慮次序y
=
2
-
xy
=
2x
-
x2
dxdx2-
x0210例
4
改變積分10f
(
x,
y)dy
+2
x-
x2f
(x,y)dy的次序.22原式=102-
y1-
1-
y2dyf
(
x,
y)dx.解
積分區(qū)域如圖y
=
2ax解=ady02aa-
a2
-
y2y2f
(
x,
y)dx原式aa+
a
-
y+
dy02a2
22f
(
x,
y)dx
+
2aa2a2ayf
(
x,
y)dx.dyy
=
2ax
-
x2a2
-
y2
x
=
a
–2
aa2
aa223-f
(
x,
y)dy
(a>
0)dx2a02ax2ax
x例
5
改變積分的次序.例6.解11利用對稱關(guān)系V
=
8V
,
V
=R2
-
x
2
ds
,DR2
-
x
2
,0
£
x
£
R}.D
=
{(
x,
y)
0
£
y
£=R0R2
-
x
2
dyR2
-
x222(
)=V1
=
R
-
x
dsDRR
-
x
dx022233dx0R
.=所以3241631R
.V
=
8V
=z
=
6
-
2
x2
-
y2例725解:1、作出該立體的簡圖,并確定投影消去變量z得一垂直于xoy
面的柱面x2
+
y2
=
2立體鑲嵌在其中,立體在求由曲面z
=x
2
+2
y2所圍成的立體的體積D26V
=
6
ds
-
3
x
2
ds
-
3
y
2
dsD
D
ds
=
2pD曲面的投影區(qū)域就是該柱面在xoy面上所圍成的區(qū)域D
:x2
+
y2
£
22、列出體積計算的表達(dá)式V
=
[(6
-
2x2
-
y2
)
-(
x2
+
2
y2
)]dsD=
(6
-
3
x
2
-
3
y
2
)dsD3、配置積分限,化二重積分為二次積分27D
D由x,y的對稱性
x2ds
=
y2ds2-
2D
-
22
-
x2
dx
dy
=
2
x2-
2-
x22 2-
x2
x2ds
=
x2dx2
p
2=
4
x2
2
-
x2
dx
=
4
4sin2
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