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如何使用先对 y 积分的截面法计算平面区域上函数的二重积分?

二重积分通过平行于 yz 平面切割立体来计算为累次积分。首先,对于固定的 x,内层积分通过对函数 f(x,y)f(x,y) 关于 y 从下边界曲线 φ₁(x) 到上边界曲线 φ₂(x) 进行积分来计算截面的面积。其次,外层积分通过对 x 从 a 到 b 积分来累加这些截面面积。

适用条件

  • 底面区域 D 由垂直线 x=ax=a, x=bx=b 和曲线 y=φy=φ₁(x), y=φy=φ₂(x) 界定,且 φ₁(x) ≤ φ₂(x)。
  • 积分顺序是先对 y 积分,再对 x 积分。

理解与推导

  1. 确定区域 D 的界限:x 的范围是从 a 到 b,对于每个 x,y 的范围是从 φ₁(x) 到 φ₂(x)。
  2. 设置关于 y 的内层积分:∫\int _{φ₁(x)}^{φ₂(x)} f(x,y)dyf(x,y) dy。这计算了固定 x 处的截面面积 A(x)A(x)。
  3. 设置关于 x 的外层积分:∫abA(x)dx\int _a^b A(x) dx。
  4. 将它们组合成累次积分公式:∬Df(x,y)dxdy=∫ab\iint _D f(x,y) dx dy = \int _a^b (∫\int _{φ₁(x)}^{φ₂(x)} f(x,y)dyf(x,y) dy) dx。

例子

脚本指出:“外层积分将截面从 x=ax=a 加到 x=bx=b:∬Df(x,y) dx dy=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y) dy)dx\iint_D f(x,y)\,dx\,dy=\int_a^b\left(\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)\,dy\right)dx。计算切片是内层步骤;累加切片是外层步骤。”

容易误解的地方

  • 混淆积分顺序,例如在没有相应调整界限的情况下先对 x 积分。
  • 假设截面面积在 x 上是恒定的,而实际上它随 A(x)A(x) 变化。
  • 忘记内层积分的结果是关于 x 的函数,然后在第二步中进行积分。

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