第八章多元函数积分学

1、第八章 多元函数积分学基 本 课 题 ：8. 1 二重积分的概念与性质目 的 要 求 ：理解二重积分的概念与性质重 点 ：二重积分的性质难 点 ：8. 1 二重积分的概念教 学 方 法 ： 讲授与讨论结合教 学 手 段 ： 电子课件、黑板 教 参 ：高等数学(人大理工类本科教材)教学环节及组织：复习并引入新课 一、二重积分的概念 1. 曲顶柱体的体积 设有一立体, 它的底是xOy面上的闭区域D, 它的侧面是以D的边界曲线为准线而母线平行于z轴的柱面, 它的顶是曲面z=f(x, y), 这里f(x, y)³0且在D上连续. 这种立体叫做曲顶柱体. 现在我们来讨论如何计算曲顶柱体的体积.

2、 首先, 用一组曲线网把D分成n个小区域：Ds 1, Ds 2, × × × , Ds n .分别以这些小闭区域的边界曲线为准线, 作母线平行于z轴的柱面, 这些柱面把原来的曲顶柱体分为n个细曲顶柱体. 在每个Ds i中任取一点(x i , h i), 以f (x i , h i)为高而底为Ds i的平顶柱体的体积为 ： f (x i , h i) Dsi (i=1, 2, × × × , n ). 这个平顶柱体体积之和：. 可以认为是整个曲顶柱体体积的近似值. 为求得曲顶柱体体积的精确值, 将分割加密, 只需取极限, 即 . 其中l

3、是个小区域的直径中的最大值. 定义 设f(x, y)是有界闭区域D上的有界函数. 将闭区域D任意分成n个小闭区域 Ds 1, Ds 2, × × × , Ds n . 其中Ds i表示第i个小区域, 也表示它的面积. 在每个Ds i上任取一点(x i, hi), 作和.如果当各小闭区域的直径中的最大值l趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f(x, y)在闭区域D上的二重积分, 记作, 即.f(x, y)被积函数, f(x, y)ds被积表达式, ds面积元素, x, y积分变量, D积分区域, 积分和. 直角坐标系中的面积元素: 如果在直角坐标系中用平

4、行于坐标轴的直线网来划分D, 那么除了包含边界点的一些小闭区域外, 其余的小闭区域都是矩形闭区域. 设矩形闭区域Dsi的边长为Dxi和Dyi, 则Dsi=DxiDyi, 因此在直角坐标系中, 有时也把面积元素ds 记作dxdy, 而把二重积分记作其中dxdy叫做直角坐标系中的面积元素. 二重积分的存在性: 当f(x, y)在闭区域D上连续时, 积分和的极限是存在的, 也就是说函数f(x, y)在D上的二重积分必定存在. 我们总假定函数f(x, y)在闭区域D上连续, 所以f(x, y)在D上的二重积分都是存在的. 二重积分的几何意义: 如果f(x, y)³0, 被积函数f(x, y)

5、可解释为曲顶柱体的在点(x, y)处的竖坐标, 所以二重积分的几何意义就是柱体的体积. 如果f(x, y)是负的, 柱体就在xOy 面的下方, 二重积分的绝对值仍等于柱体的体积, 但二重积分的值是负的. 二. 二重积分的性质 性质1 设c1、c2为常数, 则. 性质2如果闭区域D被有限条曲线分为有限个部分闭区域, 则在D上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和. 例如D分为两个闭区域D1与D2, 则. 性质3 (s为D的面积). 性质4 如果在D上, f(x, y)£g(x, y), 则有不等式. 特殊地 . 性质5 设M、m分别是f(x, y)在闭区域D上的最大值和最小值,

6、s为D的面积, 则有. 性质6(二重积分的中值定理) 设函数f(x, y)在闭区域D上连续, s 为D的面积, 则在D上至少存在一点(x, h)使得.三、小结：二重积分的概念、几何意义、性质四、作业：P158；1、2、4、5、7五、课后记载：基 本 课 题 ：8. 2 二重积分的计算法目 的 要 求 ：掌握二重积分的计算法重 点 ：直角坐标系下的二重积分的计算法难 点 ：极坐标系下的二重积分的计算法教 学 方 法 ： 讲授与讨论结合教 学 手 段 ： 电子课件、黑板 教 参 ：高等数学(人大理工类本科教材)教学环节及组织：复习并引入新课 一、利用直角坐标计算二重积分 X-型区域: D : j1

7、(x)£y£j2(x), a£x£b . Y -型区域: D : y1(x)£y£y2(x), c£y£d . 混合型区域: 设f(x, y)³0, D=(x, y)| j1(x)£y£j2(x), a£x£b. 此时二重积分在几何上表示以曲面z=f(x, y)为顶, 以区域D为底的曲顶柱体的体积. 对于x0Îa, b, 曲顶柱体在x=x0的截面面积为以区间j1(x0), j2(x0)为底、以曲线z=f(x0, y)为曲边的曲边梯形, 所以这截面的面积为.

8、根据平行截面面积为已知的立体体积的方法, 得曲顶柱体体积为.即 V=.可记为. 类似地, 如果区域D为Y -型区域: D : y1(x)£y£y2(x), c£y£d ,则有. 例1. 计算, 其中D是由直线y=1、x=2及y=x所围成的闭区域. 解: 画出区域D. 解法1. 可把D看成是X-型区域: 1£x£2, 1£y£x . 于是. 注: 积分还可以写成. 解法2. 也可把D看成是Y-型区域: 1£y£2, y£x£2 . 于是. 例2. 计算, 其中D是由直线y=1、

9、x=-1及y=x所围成的闭区域. 解 画出区域D, 可把D看成是X-型区域: -1£x£1, x£y£1. 于是 . 也可D看成是Y-型区域：-1£y£1, -1£x<y . 于是 . 例3 计算, 其中D是由直线y=x-2及抛物线y2=x所围成的闭区域. 解 积分区域可以表示为D=D1+D2, 其中; . 于是.积分区域也可以表示为D: -1£y£2, y2£x£y+2. 于是 . 讨论积分次序的选择. 例4 求两个底圆半径都等于r的直交圆柱面所围成的立体的体积. 解 设这两个

10、圆柱面的方程分别为x2+y2=r 2及x2+z2=r 2.利用立体关于坐标平面的对称性, 只要算出它在第一卦限部分的体积V1, 然后再乘以8就行了. 第一卦限部分是以D=(x, y)| 0£y£, 0£x£r为底, 以顶的曲顶柱体. 于是 . 二. 利用极坐标计算二重积分 有些二重积分, 积分区域D 的边界曲线用极坐标方程来表示比较方便, 且被积函数用极坐标变量r 、q 表达比较简单. 这时我们就可以考虑利用极坐标来计算二重积分. 按二重积分的定义. 下面我们来研究这个和的极限在极坐标系中的形式. 以从极点O出发的一族射线及以极点为中心的一族同心圆构成的

11、网将区域D分为n个小闭区域, 小闭区域的面积为: , 其中表示相邻两圆弧的半径的平均值. 在Dsi内取点, 设其直角坐标为(x i, h i), 则有 , . 于是 , 即 . 若积分区域可表示为j 1(q)£r£j 2(q), a£q£b, 则 . 讨论:如何确定积分限? . 例5. 计算, 其中D是由中心在原点、半径为a 的圆周所围成的闭区域. 解 在极坐标系中, 闭区域D可表示为 0£r£a , 0£q £2p . 于是 . 注: 此处积分也常写成. 利用计算广义积分: 设D1=(x, y)|x2+y2

12、63;R2, x³0, y³0, D2=(x, y)|x2+y2£2R2, x³0, y³0, S=(x, y)|0£x£R, 0£y£R. 显然D1ÌSÌD2. 由于, 从则在这些闭区域上的二重积分之间有不等式 . 因为 , 又应用上面已得的结果有 , ,于是上面的不等式可写成. 令R®+¥, 上式两端趋于同一极限, 从而. 例6 求球体x2+y2+z2£4a2被圆柱面x2+y2=2ax所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积. 解 由对称性, 立体体积

13、为第一卦限部分的四倍. , 其中D为半圆周及x轴所围成的闭区域. 在极坐标系中D可表示为 0£r£2a cosq , . 于是 . 三、小结：积分的确定，直角坐标系下的二重积分与坐标系下的二重积分的解题步骤四、作业：P158；1、2、4、5、五、课后记载：基 本 课 题 ：8。3 重积分的应用目 的 要 求 ：了解重积分的应用重 点 ： 重积分在几何上的应用难 点 ：重积分在物理上的应用教 学 方 法 ： 讲授与讨论结合教 学 手 段 ： 电子课件、黑板 教 参 ：高等数学(人大理工类本科教材)教学环节及组织：复习并引入新课 一 元素法的推广: 有许多求总量的问题可以用定积

14、分的元素法来处理. 这种元素法也可推广到二重积分的应用中. 如果所要计算的某个量U对于闭区域D具有可加性(就是说, 当闭区域D分成许多小闭区域时, 所求量U相应地分成许多部分量, 且U等于部分量之和), 并且在闭区域D内任取一个直径很小的闭区域ds时, 相应的部分量可近似地表示为f(x, y)ds 的形式, 其中(x, y)在ds内, 则称f(x, y)ds 为所求量U的元素, 记为dU, 以它为被积表达式, 在闭区域D上积分: , 这就是所求量的积分表达式. 一、曲面的面积 设曲面S由方程 z=f(x, y)给出, D为曲面S在xOy面上的投影区域, 函数f(x, y)在D上具有连续偏导数f

15、x(x, y)和fy(x, y). 现求曲面的面积A . 在区域D内任取一点P(x, y), 并在区域D内取一包含点P(x, y)的小闭区域ds, 其面积也记为ds. 在曲面S上点M(x, y, f(x, y)处做曲面S的切平面T, 再做以小区域ds的边界曲线为准线、母线平行于z轴的柱面. 将含于柱面内的小块切平面的面积作为含于柱面内的小块曲面面积的近似值, 记为dA. 又设切平面T的法向量与z轴所成的角为g , 则 , 这就是曲面S的面积元素. 于是曲面S 的面积为 , 或 . 设dA为曲面S上点M处的面积元素, dA在xOy面上的投影为小闭区域ds, M在xOy面上的投影为点P(x, y)

16、, 因为曲面上点M处的法向量为n=(-fx, -fy, 1), 所以 . 提示: dA与xOy面的夹角为(n, k), dAcos(n, k)=ds, n×k=|n|cos(n, k)=1, cos(n, k)=|n|-1. 讨论: 若曲面方程为x=g(y, z)或y=h(z, x), 则曲面的面积如何求？ , 或 . 其中Dyz是曲面在yOz面上的投影区域, Dzx是曲面在zOx面上的投影区域. 例1 求半径为R的球的表面积. 解 上半球面方程为, x2+y2£R2. 因为z对x和对y的偏导数在D: x2+y2£R2上无界, 所以上半球面面积不能直接求出. 因此

17、先求在区域D1: x2+y2£a2 (a<R)上的部分球面面积, 然后取极限. . 于是上半球面面积为.整个球面面积为 A=2A1=4pR2. 提示: , , . 解 球面的面积A为上半球面面积的两倍. 上半球面的方程为, 而 , , 所以 . 例2设有一颗地球同步轨道通讯卫星, 距地面的高度为h=36000km, 运行的角速度与地球自转的角速度相同. 试计算该通讯卫星的覆盖面积与地球表面积的比值(地球半径R=6400km). 解 取地心为坐标原点, 地心到通讯卫星中心的连线为z轴, 建立坐标系. 通讯卫星覆盖的曲面S是上半球面被半顶角为a的圆锥面所截得的部分. S的方程为 ,

18、 x2+y2£R2sin2a. 于是通讯卫星的覆盖面积为 . 其中Dxy=(x, y)| x2+y2£R2sin2a是曲面S在xOy面上的投影区域. 利用极坐标, 得 . 由于, 代入上式得 . 由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为 . 由以上结果可知, 卫星覆盖了全球三分之一以上的面积, 故使用三颗相隔角度的通讯卫星就可以覆盖几乎地球全部表面. 二、质心 设有一平面薄片, 占有xOy 面上的闭区域D, 在点P(x, y)处的面密度为r(x, y), 假定m(x, y)在D上连续. 现在要求该薄片的质心坐标. 在闭区域D上任取一点P(x, y), 及包含点P(x,

19、 y)的一直径很小的闭区域ds(其面积也记为ds), 则平面薄片对x轴和对y轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为 dMx=ym(x, y)ds, dMy=xm(x, y)ds. 平面薄片对x轴和对y轴的力矩分别为 , . 设平面薄片的质心坐标为, 平面薄片的质量为M, 则有 , . 于是 , . 在闭区域D上任取包含点P(x, y)小的闭区域ds(其面积也记为ds), 则 平面薄片对x轴和对y轴的力矩元素分别为 dMx=ym(x, y)ds, dMy=xm(x, y)ds. 平面薄片对x轴和对y轴的力矩分别为 , . 设平面薄片的质心坐标为, 平面薄片的质量为M, 则有 , . 于是 , . 提示

20、: 将P(x, y)点处的面积元素ds看成是包含点P的直径得小的闭区域. D上任取一点P(x, y), 及包含的一直径很小的闭区域ds(其面积也记为ds), 则平面薄片对x轴和对y轴的力矩(仅考虑大小)元素分别为 讨论: 如果平面薄片是均匀的, 即面密度是常数, 则平面薄片的质心(称为形心)如何求？ 求平面图形的形心公式为 , . 例3 求位于两圆r=2sinq 和r=4sinq 之间的均匀薄片的质心. 解 因为闭区域D对称于y轴, 所以质心必位于y轴上, 于是. 因为 , , 所以. 所求形心是. 类似地, 占有空间闭区域W、在点(x, y, z)处的密度为r(x, y, z)(假宽r(x,

21、 y, z)在W上连续)的物体的质心坐标是 , , , 其中. 例4 求均匀半球体的质心. 解 取半球体的对称轴为z轴, 原点取在球心上, 又设球半径为a, 则半球体所占空间闭区可表示为 W=(x, y, z)| x2+y2+z2£a2, z³0 显然, 质心在z轴上, 故. . 故质心为. 提示: W: 0£r£a, , 0£q£2p. , . 三、转动惯量 设有一平面薄片, 占有xOy面上的闭区域D, 在点P(x, y)处的面密度为m(x, y), 假定r(x, y)在D上连续. 现在要求该薄片对于x轴的转动惯量和y轴的转动惯量.

22、 在闭区域D上任取一点P(x, y), 及包含点P(x, y)的一直径很小的闭区域ds(其面积也记为ds), 则平面薄片对于x轴的转动惯量和y轴的转动惯量的元素分别为 dIx=y2m(x, y)ds , dI y=x2m(x, y)ds . 整片平面薄片对于x轴的转动惯量和y轴的转动惯量分别为 , . 例5 求半径为a 的均匀半圆薄片(面密度为常量m)对于其直径边的转动惯量. 解 取坐标系如图, 则薄片所占闭区域D可表示为 D=(x, y)| x2+y2£a2, y³0而所求转动惯量即半圆薄片对于x轴的转动惯量Ix , , 其中为半圆薄片的质量. 类似地, 占有空间有界闭区域W、在点(x, y, z)处的密度为r(x, y, z)的物体对于x、y、z轴的转动惯量为 , , . 例6 求密度为r的均匀球体对于过球心的