二重积分

1、意义:

  • 表示曲顶柱体的体积
  • 表示面密度为f(x,y)f(x,y)的平面的面质量

2、计算

和式极限

Df(x,y)dσ=limni=1nj=1nf(a+bani,c+dcnj)bandcn\iint \limits_{D} f(x,y) d\sigma = \lim \limits_{n \to \infty} \sum \limits_{i=1}^{n} \sum \limits_{j=1}^n f(a + \frac{b-a}{n} i, c + \frac{d-c}{n}j) \cdot \frac{b-a}{n} \cdot \frac{d-c}{n}

顺便补充一下一重积分的和式极限

abf(x)dx=limni=1nbanf(i(ba)n)\int_a^b f(x) dx = \lim\limits_{n\rightarrow\infty} \sum\limits_{i=1}^n \frac{b-a}{n}f\left(\frac{i(b-a)}{n}\right)

对称性计算

积分区域关于x对称,就看积分函数是否关于y对称

轮换对称性

积分区域关于 y=xy = x 对称,就具有轮换对称性 I=Df(x,y)dxdy=Df(x,y)dxdyI = \iint \limits_D f(x,y)dxdy = \iint \limits_D f(x,y) dx dy

二重积分比大小

  • 对称性
  • 保号性
  • 画图

3、两大坐标系计算

(1)直角坐标系

(2) 极坐标系

三重积分

对称性计算

 积分区域沿着x轴(关于yOz面)对称,那么积分函数就看为x的奇函数还是偶函数

直角坐标系

Ωf(x,y,z)dv=abdzDzf(x,y,z)dσ=Dxydσz1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz\iiint\limits_\Omega f(x,y,z) dv = \\ \int_a^bdz\iint\limits_{D_z} f(x,y,z)d\sigma = \\ \iint\limits_{D_{xy}}d\sigma \int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)} f(x,y,z) dz

柱坐标系

{x=rcosθy=rsinθΩf(x,y,z)dv=Ωf(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz\begin{cases} x = r\cos\theta \\ y = r\sin\theta \end{cases}\\ \\ \iiint\limits_\Omega f(x,y,z) dv = \iiint\limits_\Omega f(r\cos\theta, r\sin\theta,z)rdrd\theta dz

球坐标系

{x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφΩf(x,y,z)dv=Ωf(rsinφcosθ,rsinφsinθ,rcosφ)r2sinφdrdφdθ\begin{cases} x = r\sin\varphi\cos\theta \\ y = r\sin\varphi\sin\theta \\ z= r\cos\varphi \end{cases}\\ \\ \iiint\limits_\Omega f(x,y,z) dv = \iiint\limits_\Omega f(r\sin\varphi\cos\theta, r\sin\varphi\sin\theta,r\cos\varphi)r^2\sin\varphi drd\varphi d\theta

换元法

{x=x(u,v,w)y=y(u,v,w)z=z(u,v,w)Ωxyzf(x,y,z)dxdydz=Ωuvwf[x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)](x,y,z)(u,v,w)dudvdw注意这里的“”是绝对值,里面的分式才是行列式\begin{cases} x = x(u,v,w) \\ y = y(u,v,w) \\ z= z(u,v,w) \end{cases}\\ \iiint\limits_{\Omega_{xyz}} f(x,y,z) dxdydz =\\ \iiint\limits_{\Omega_{uvw}} f[x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)] \left| \frac{\partial (x,y,z)}{\partial(u,v,w)} \right| dudvdw \\ 注意这里的“|”是绝对值,里面的分式才是行列式

第一型曲线积分

1、二重直接计算

(1)Lf(x,y)ds=abf[x,y(x)]1+(yx)2dx(2)Lf(x,y)ds=αβf[x(t),y(t)](xt)2+(yt)2dt(3)Lf(x,y)ds=αβf[r(θ)cosθ,r(θ)sinθ][r(θ)]2+[r(θ)]2(1) \int_L f(x,y) ds = \int_a^b f[x, y(x)] \sqrt{1+(y'_x)^2}dx\\ (2)\int_L f(x,y) ds = \int_{\alpha}^{\beta} f[x(t), y(t)] \sqrt{(x_t')^2+(y_t')^2}dt \\ (3)\int_L f(x,y) ds = \int_{\alpha}^{\beta} f[r(\theta)cos\theta, r(\theta)sin\theta]\sqrt{[r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2}

2、看对称性

 积分区域沿着x轴对称,看积分函数关于x是奇函数还是偶函数

第一型曲面积分

1、直接计算

Σf(x,y,z)dS=Dxyf[x,y,z(x,y)]1+(zx)2+(zy)2dxdy\iint \limits_{\Sigma} f(x,y,z) dS = \iint \limits_{D_{xy}}f[x,y,z(x,y)]\sqrt{1+(z'_x)^2+(z_y')^2}dxdy

 值得注意的是:DxyD_{xy}Σ\Sigma 在xOy面的投影,Σ\Sigma 上可能回出现两点投影到一个 (x,y)(x,y) 的情况,因此,这个时候需要用对称性消除。也就是说,一个(x,y)(x,y) 只能对应 Σ\Sigma 上唯一的点。

2、对称性

 积分区域沿着x轴对称,看积分函数关于x是奇函数还是偶函数

第二型曲线积分

1、直接计算

不要小看这个方法,建议最先用这个方法

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=αβ{P[x(t),y(t)]x(t)+Q[x(t),y(t)]y(t)}\int_L P(x,y)dx + Q(x,y)dy = \int_\alpha^\beta \{P[x(t),y(t)]x'(t) + Q[x(t),y(t)]y'(t)\}

ΓPdx+Qdy+Rdz=αβ{P[x(t),y(t),z(t)]x(t)+Q[x(t),y(t),z(t)]y(t)+R[x(t),y(t),z(t)]z(t)}dt\int_\Gamma Pdx + Qdy + Rdz = \int_\alpha^\beta \{ P[x(t),y(t),z(t)]x'(t) + Q[x(t),y(t),z(t)]y'(t) + R[x(t), y(t),z(t)]z'(t) \} dt

2、格林公式

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=D(QxPy)dσ\oint_L P(x,y)dx+Q(x,y)dy = \iint\limits_D(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y})d \sigma

  • 曲线封闭

    • 内部有奇点

      在内部使用一个小圆圈消除它

    • 内部无奇点

      直接使用格林公式

  • 曲线不封闭

    • 如果积分与路径无关

      换条路经,见第3点

    • 如果积分与路径有关

      补线,用格林公式(注意:补线所经之处,躲避奇点

3、积分与路径无关

下面四个问题等价

  • LABP(x,y)dx+Q(x,y)dy\int_{L_{AB}} P(x,y)dx + Q(x,y)dy与路径无关
  • Pdx+QdyPdx + Qdy为某二元函数u(x,y)u(x,y)的全微分
  • Pdx+Qdy=0Pdx+Qdy=0为全微分方程
  • Pi+QjP\boldsymbol{i} + Q\boldsymbol{j}为某二元函数u(x,y)u(x,y)的梯度
  • 沿D内任意分段光滑闭曲线L都有LPdx+Qdy=0\oint_L Pdx + Qdy = 0
  • PyQx\frac{\partial P}{\partial y} \equiv \frac{\partial Q}{\partial x}处处成立

三重积分上路径无关

  • rotF=0\boldsymbol{rot F} = 0 积分与路径无关

4、两类曲线积分联系

LPdx+Qdy=L(Pcosα+Qsinα)ds(cosα,sinα)L在点(x,y)L同向的切向量\int_L P dx + Qdy = \int_L(Pcos\alpha + Qsin\alpha)ds\\ (cos\alpha , sin \alpha) 为L在点(x,y)与L同向的切向量

5、斯托克公式

将空间第二型曲线积分化成第二型曲面积分或者第一型曲面积分

ΓPdx+Qdy+Rdz=ΣdydzdzdxdxdyxyzPQR(第二型曲面积分)ΣcosαcosβcosγxyzPQRdS(第一型曲面积分)\oint\limits_\Gamma Pdx+Qdy+Rdz = \\ \iint\limits_\Sigma \left |\begin{array}{ccc} dydz &dzdx &dxdy \\ \frac{\partial}{\partial x} &\frac{\partial}{\partial y} &\frac{\partial}{\partial z} \\ P &Q &R \\ \end{array}\right| (第二型曲面积分)\\ \iint \limits_\Sigma \left |\begin{array}{ccc} cos\alpha &cos\beta &cos\gamma \\ \frac{\partial}{\partial x} &\frac{\partial}{\partial y} &\frac{\partial}{\partial z} \\ P &Q &R \\ \end{array}\right| dS (第一型曲面积分)

LF=ΣrotFdS\oint_L \vec{F} = \iint_\Sigma rot\vec{F} dS

第二型曲面积分

1、直接计算

不要小看第1、2方法,建议最先用这两个方法看看

ΣR(x,y,z)dxdy=±DxyR[x,y,z(x,y)]dxdy\iint_\Sigma R(x,y,z)dxdy = \pm \iint_{D_{xy}}R[x,y,z(x,y)]dxdy

其余同理,当Σ\Sigmazz轴成锐角取+,成钝角取-

2、转换投影法

如果Σ\Sigma上任意两点到xOyxOy平面不重合

F(x,y,z)=zz(x,y)(Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)(Fx,Fy,Fx)=(Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)(zx,zy,1)=[P(zx)+Q(zy)+R(1)]dxdyΣP(x,yz)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy=±Dxy{p[x,y,z(x,y)](zx)+Q[x,y,z(x,y)](zy)+R[x,y,z(x,y)]}dxdyF(x,y,z) = z-z(x,y)\\ (Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)\cdot (F_x^{'},F_y^{'},F_x^{'}) =\\ (Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)\cdot (-z_x^{'},-z_y^{'},1) =\\ \left[P\cdot(-z_x^{'})+Q\cdot(-z_y^{'})+R\cdot(1)\right]dxdy\\ \quad\\\quad \\ \iint_\Sigma P(x,yz)dydz + Q(x,y,z)dzdx + R(x,y,z)dxdy = \\ \pm \iint\limits_{D{xy}}\{p[x,y,z(x,y)](-\frac{\partial z}{\partial x}) + Q[x,y,z(x,y)](-\frac{\partial z}{\partial y}) + R[x,y,z(x,y)] \}dxdy

其中正、负的取值与,曲面法向量跟z轴之间成锐、钝角有关

3、高斯公式

\oiintΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω(Px+Qy+Rz)dv\oiint \limits_\Sigma Pdydz + Qdzdx + Rdxdy = \\ \iiint \limits_\Omega (\frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z})dv

  • 曲面封闭

    • 内部无奇点:直接高斯公式
    • 内部有奇点:用一个封闭曲面将奇点圈出来
  • 曲面不封闭

    • divF=0div \boldsymbol{F} = 0:换个面积分
    • divF0div \boldsymbol{F} \neq 0:补面使其封闭