>其中f>(x>,y>)叫做被积函数,f>(x>,y>)ds >叫做被积表达式,ds >叫做面积元素,
x>与y>叫做积分变量,D>叫做积分区域,叫做积分和。
>在二重积分的定义中对闭区域D>的划分是任意的,如果在直角坐标系中用平行于坐标轴的直线网来划分D>,那末除了包含边界点的一些小闭区域外,其余的小闭区域都是矩形闭区域。设矩形闭区域D s i>的边长为D xj>和D yk>,则D s = D xj>·D yk>。因此在直角坐标系中,有时也把面积元素ds >记作dxdy>,而把二重积分记作 >
>其中dxdy>叫做直角坐标系中的面积元素。
>这里我们要指出,当f>(x>,y>)在闭区域D>上连续时,(*>)式右端的和的极限必定存在,也就是说,函数f>(x>,y>)在D>上的二重积分必定存在。 >
二、 二重积分的性质
二重积分与定积分有类似的性质:
>性质1 >被积函数的常数因子可以提到二重积分号的外面,即
> >(k>为常数)。
>性质2 >函数的和(或差)的二重积分等于各个函数的二重积分的和(或差)。例如 >
。
>性质3 >如果闭区域D>被有限条曲线分为有限个部分闭区域,则在D>上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和。例如D>分为两个闭区域D1>与 D2>,则 >
。
此性质表示二重积分对于积分区域具有可加性。
21
>性质4 >如果在D>上,f>(x>,y>)= 1>,s 为D>的面积,则 >
。
>此性质的几何意义很明显,因为高为1>的平顶柱体的体积在数值上就等于柱体的底面积。 >性质5 >如果在D>上,f>(x>,y>)? j >(x>,y>),则有不等式 >
。
特殊地,由于
>- | f>(x>,y>)| >? f>(x>,y>)? | f>(x>,y>)|>, > 又有不等式
。
>性质6 >设M>,m>分别是f>(x>,y>)在闭区域D>上的最大值和最小值,s 是D>的面积,则有 >
。
上述不等式是对二重积分估值的不等式。
>性质7>(二重积分的中值定理) >设函数f>(x>,y>)在闭区域D>上连续,s 是D>的面积,则在D>上至少存在一点(x ,h )使得下式成立: >
9.2 二重积分的计算法(直角坐标,极坐标)
按照二重积分的定义来计算二重积分,对少数特别简单的被积函数和积分区域来说是可行的,但对一般的函数和积分区域来说,这不是一种切实可行的方法。这里介绍一种方法,把二重积分化为两次单积分(即两次定积分)来计算。
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一、 利用直角坐标计算二重积分
下面用几何的观点来讨论二重积分的计算问题。
在讨论中我们假定f(x,y)? 0。并设积分区域D可以用不等式 j 1(x)? y ? j 2(x),a?x?b
其中函数j 1(x)、j 2(x)在区间 [a,b] 上连续。
我们应用“平行截面面积为已知的立体的体积”的方法,来计算这个曲顶柱体的体积。 为计算截面面积,在区间 [a,b] 上任意取定一点x0,作平行于yOz面的平面x=x0。这平面截曲顶柱体所得截面是一个以区间 [j 1(x0),j 2(x0)] 为底、曲线z = f(x0,y)为曲边的曲边梯形中阴影部分),所以这截面的面积为
。
一般的,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
,
于是,得曲顶柱体的体积为
。
这个体积也就是所求二重积分的值,从而有等式
。(1)
上式右端的积分叫做先对y、后对x的二次积分。就是说,先把x看作常数,把f(x,y)只看作y的函数,并对y计算从j 1(x)到j 2(x)的定积分;然后把算得的结果(是x的函数)再对x计算在区间 [a,b] 上的定积分。这个先对y、后对x的二次积分也常记作
。
因此,等式(1)也写成
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,(1’)
在上述讨论中,我们假定f(x,y)? 0,但实际上公式(1)的成立并不受此条件限制。 类似地,如果积分区域D可以用不等式 ψ1(y)? x ? ψ2(y),c?y?d
其中函数ψ1(y)、 ψ2(y)在区间 [c,d] 上连续,那末就有
。
上式右端的积分叫做先对x、后对y的二次积分,这个积分也常记作
。
因此,等式(2)也写成
,(2’)
这就是把二重积分化为先对x、后对y的二次积分的公式。
如果积分区域D既不是X-型的,也不是Y-型的,我们可以把D分成几个部分,使每个部分是X-型区域或是Y-型区域。如果积分区域D既是X-型的,又是Y-型的,则由公式(1’)及(2’)就得
。
上式表明,这两个不同次序的二次积分相等,因为它们都等于同一个二重积分
。
二重积分化为二次积分时,确定积分限是一个关键。而积分限是根据积分区域D的类型来确定的。
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例1 计算,其中D是由直线y = 1、x = 2及y = x所围成的闭区域。
例2 求量各底圆半径都等于R的直交圆柱面所围成的立体的体积。 二、利用极坐标计算二重积分
有些二重积分,积分区域D的边界曲线用极坐标方程来表示比较方便,且被积函数用极坐标
变量r,θ比较简单。这时,我们就可以考虑利用极坐标来计算二重积分按二重积分的定义有
。
,
由于在直角坐标系中也常记作,所以上式又可写成
这就是二重积分的变量从直角坐标变换为极坐标的变换公式为
(1)0?r?φ(θ),α?θ?β
。
(2)0?r?φ(θ),0?θ?2π
。
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