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微积分 / 中文

直角坐标计算二重积分

Charles队长 · 哔哩哔哩 · 0:32

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视频展示了在直角坐标系下,利用先对y积分再对x积分的方法(即截面法)来计算二重积分的几何意义与公式推导过程。

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章节

0:00建立三维模型0:16分析固定截面的面积0:24得出二重积分计算公式

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

首先构建一个位于xy平面上方的立体区域。该区域的顶面是曲面z=f(x,y)z=f(x,y),底面是由直线x=ax=a、x=bx=b以及曲线y=φy=φ₁(x)和y=φy=φ₂(x)所围成的平面闭区域D。这个立体的体积可以通过计算函数f(x,y)f(x,y)在区域D上的二重积分来表示。 体积解释假设 f≥0f\ge0;累次积分公式在适当可积性条件下仍适用于带符号函数。这里可取f在紧区域上连续、上下边界连续且不交叉。

接下来采用平行于yz平面的截面来分析该立体。假设在区间[a,b]内任取一点x=xx=x₀作垂直截面。在这个固定的x值处,沿y轴方向的边界由下方的φ₁(x₀)变化到上方的φ₂(x₀)。此时截面的形状是一个曲边梯形,其高度为z=fz=f(x₀,y)。因此,该特定截面的面积A(x₀)可以表示为一个定积分:从φ₁(x₀)到φ₂(x₀)对f(x₀,y)关于变量y进行积分。

最后,将这种切片思想推广到整个立体。为了求出总体积或完整的二重积分值,我们需要将所有这些平行截面的面积沿着x轴方向累加起来。这相当于把刚才求得的截面面积表达式A(x₀)作为被积函数的一部分,再从a到b对变量x进行一次定积分。由此便得出了化为累次积分的标准形式:双重积分符号∬Df(x,y)\iint _D f(x,y)dxdy等于先对内层积分限φ₁(x)至φ₂(x)对y积分,再对外层积分限a至b对x积分的结果。

知识卡片

01

二重积分的区域定义

区域是 D={(x,y):a≤x≤b,φ1(x)≤y≤φ2(x)}D=\{(x,y):a\le x\le b,\varphi_1(x)\le y\le\varphi_2(x)\},属于x型平面区域。两条边界是y关于x的函数,并非“水平曲线”。连续非负f可解释为立体高度。

∬Df(x,y)dxdy\iint_D f(x,y) dxdy
02

固定x处的截面面积

固定x后,截面平行yz平面,y从下边界变化到上边界。非负f时截面面积是内层积分;带符号f时对应有向积分量。

A(x0)=∫φ1(x0)φ2(x0)f(x0,y)dyA(x_0) = \int_{\varphi_1(x_0)}^{\varphi_2(x_0)} f(x_0,y) dy
03

累次积分的计算法则

先计算内层y积分,此时x保持不变;再把所得关于x的函数从a到b积分。次序和积分限必须与区域描述一致。

∬Df(x,y)dxdy=∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx\iint_D f(x,y) dxdy = \int_a^b \left( \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y) dy \right) dx

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  • 定积分 应用定位 0:28
    查看关联依据

    截面法例子在区域 a≤x≤ba\le x\le b、φ₁(x)≤y≤φy\le φ₂(x) 上计算累次积分:先固定 x 对 y 积分,再把所得函数对 x 积分。连续非负 f 时截面量为几何面积,带符号 f 时为有向积分量;次序和积分限必须与区域一致。

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