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)的平面的面质量
2、计算
和式极限
D∬f(x,y)dσ=n→∞limi=1∑nj=1∑nf(a+nb−ai,c+nd−cj)⋅nb−a⋅nd−c
顺便补充一下一重积分的和式极限
∫abf(x)dx=n→∞limi=1∑nnb−af(ni(b−a))
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=x 对称,就具有轮换对称性 I=D∬f(x,y)dxdy=D∬f(x,y)dxdy
二重积分比大小
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
Ω∭f(x,y,z)dv=∫abdzDz∬f(x,y,z)dσ=Dxy∬dσ∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz
柱坐标系
{x=rcosθy=rsinθΩ∭f(x,y,z)dv=Ω∭f(rcosθ,rsinθ,z)rdrdθdz
球坐标系
⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧x=rsinφcosθy=rsinφsinθz=rcosφΩ∭f(x,y,z)dv=Ω∭f(rsinφcosθ,rsinφsinθ,rcosφ)r2sinφdrdφdθ
换元法
⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧x=x(u,v,w)y=y(u,v,w)z=z(u,v,w)Ωxyz∭f(x,y,z)dxdydz=Ωuvw∭f[x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)]∣∣∣∣∣∂(u,v,w)∂(x,y,z)∣∣∣∣∣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
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
Σ∬f(x,y,z)dS=Dxy∬f[x,y,z(x,y)]1+(zx′)2+(zy′)2dxdy
值得注意的是:Dxy 为 Σ 在xOy面的投影,Σ 上可能回出现两点投影到一个 (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) 只能对应 Σ 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)}
∫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
2、格林公式
∮LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=D∬(∂x∂Q−∂y∂P)dσ
-
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与路径无关
- Pdx+Qdy为某二元函数u(x,y)的全微分
- Pdx+Qdy=0为全微分方程
- Pi+Qj为某二元函数u(x,y)的梯度
- 沿D内任意分段光滑闭曲线L都有∮LPdx+Qdy=0
- ∂y∂P≡∂x∂Q处处成立
三重积分上路径无关
- rotF=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)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
Γ∮Pdx+Qdy+Rdz=Σ∬∣∣∣∣∣∣∣dydz∂x∂Pdzdx∂y∂Qdxdy∂z∂R∣∣∣∣∣∣∣(第二型曲面积分)Σ∬∣∣∣∣∣∣∣cosα∂x∂Pcosβ∂y∂Qcosγ∂z∂R∣∣∣∣∣∣∣dS(第一型曲面积分)
∮LF=∬ΣrotFdS
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
其余同理,当Σ与z轴成锐角取+,成钝角取-
2、转换投影法
如果Σ上任意两点到xOy平面不重合
F(x,y,z)=z−z(x,y)(Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)⋅(Fx′,Fy′,Fx′)=(Pdydz,Qdzdx,Rdxdy)⋅(−zx′,−zy′,1)=[P⋅(−zx′)+Q⋅(−zy′)+R⋅(1)]dxdy∬ΣP(x,yz)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy=±Dxy∬{p[x,y,z(x,y)](−∂x∂z)+Q[x,y,z(x,y)](−∂y∂z)+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
Σ∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω∭(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)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=0:换个面积分
- divF=0:补面使其封闭