二重积分的区域定义
区域是 ,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。
Charles队长 · 哔哩哔哩 · 0:32
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。
在学习检查器中查看要点和时刻,或切换阅读标签查看完整笔记。
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,底面是由直线、以及曲线₁(x)和₂(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在区域D上的二重积分来表示。 体积解释假设 ;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₀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(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。
区域是 ,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。
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。
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。
先对 y 积分对应于在固定 x 的情况下沿 y 方向累加值。从几何上看,这等同于计算在该固定 x 处平行于 yz 平面切割的切片的面积。
适用条件:积分顺序是 dy dx(y 为内层,x 为外层)。;切片垂直于 x 轴(平行于 yz 平面)。
内层积分代表在固定 x 值处平行于 yz 平面切割立体所得到的垂直截面的面积。具体来说,对于选定的点 x₀,切片沿 y 方向从下边界曲线 φ₁(x₀) 延伸至上边界曲线 φ₂(x₀),且立体在任意点 (x₀, y) 处的高度由 (x₀,y) 给出。
适用条件:切片在区间 [a,b] 内的固定 ₀ 处取得。;y 方向的边界由曲线 ₁(x) 和 ₂(x) 定义。
改变积分顺序需要使用另一个变量作为外层界限来重新描述相同的平面区域 D。如果原始顺序是 dy dx(y 为内层,x 为外层),则区域描述为 x 从常数 a 到 b,y 在 x 的函数之间变化。
适用条件:两种情况下的区域 D 是相同的。;函数 在 D 上是可积的。
当函数 在区域 D 上非负()时,体积解释严格成立,代表 xy 平面上方立体的物理体积。然而,在适当的可积条件下,累次积分恒等式也适用于带符号的函数(即 f 可以为负)。
适用条件:对于体积解释:在 D 上 。;对于带符号函数:f 是可积的(例如,在紧致区域上连续)。;区域 D 由连续曲线 , , ₁(x), ₂(x) 界定。
底面区域 D 是 xy 平面上的一个闭合平面域。它由两条垂直线 和 ,以及两条曲线 ₁(x) 和 ₂(x) 界定。
适用条件:区域是闭合且有界的。;x 的范围是从 a 到 b。;y 由函数 φ₁(x) 和 φ₂(x) 界定,且 φ₁(x) ≤ φ₂(x)。
函数 φ₁(x) 和 φ₂(x) 定义了对于任意给定 x,积分区域 D 在 y 方向的下边界和上边界。在累次积分 (_{φ₁(x)}^{φ₂(x)} ) dx 中,它们作为内层积分的变量限。
适用条件:φ₁(x) 代表下边界曲线 ₁(x)。;φ₂(x) 代表上边界曲线 ₂(x)。;对于 [a,b] 中的所有 x,φ₁(x) ≤ φ₂(x)。
立体区域构建在 xy 平面上方,其顶面由 定义,底面由区域 D 定义。计算二重积分 对应于计算该立体的体积(如果 )或净有符号体积(如果 f 变号)。
适用条件:立体位于 xy 平面上方。;顶面:。;底面:xy 平面上的区域 D。;体积解释假设 ;否则,它是有符号的累积。
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 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。
适用条件:底面区域 D 由垂直线 , 和曲线 ₁(x), ₂(x) 界定,且 φ₁(x) ≤ φ₂(x)。;积分顺序是先对 y 积分,再对 x 积分。