一、二重积分(性质、计算、变量替换)

1. 性质

  1. 线性性

  2. 有限区域可加性

  3. 若 f≡1 则 ∬Ωdσ=S ,其中 S 为区域面积

  4. 保序性、估值不等式

  5. 绝对可积性、绝对值不等式

  6. 乘积可积性(注意乘积的积分不一定是积分的乘积)

  7. 积分中值定理

2. 计算步骤

  1. 画图

  2. 确定D的类型

  3. 穿针法定限

  4. 计算

3. 计算技巧

  1. 积分换序

    注:适用于首次积分不好积或者积不出来的情形。

  2. 对称性(包括轮换对称)

    例1:计算积分 ∬D(ysin5⁡x−1)dx dy ,其中

    (1) 区域 D 由曲线 y=2x,x=±1,y=2 围成。 (2) 区域 D 由曲线 y=sin⁡x,x=±π2,y=1 围成。

    分析:(2) 借助 y=−sin⁡x 和 y 轴可将 D 分为 4 个区域。 利用对称性,可知 ysin5⁡x 在 D 上的积分为 0。

    ∬D(ysin5⁡x−1)dx dy=−∬D dx dy=−∫−π2π2 dx∫sin⁡x1 dy=−π

    注:当积分域有一定对称性,同时被积函数也有相应奇偶性时积分可以简化,而轮换对称性只需要积分域具有轮换对称性即可。

  3. 变量替换

    注意:

    1. 雅各比行列式别漏了

    2. 雅各比行列式有可能需要倒数处理

    3. 雅各比行列式需要加绝对值

    4. 新的积分区域由原来的边界曲线方程决定

  4. 补缺求全

  5. 积分区域划分

    例1:假设 D 是由 x=2,y=0,x=y 围成的有界闭域。证明定义在 D 上的函数 f(x,y)=[x+y] 可积,并计算 ∬D[x+y]dx dy.

    分析:将 D 分为四个区域:Dk,k=1,2,3,4:

    Dk:f(x,y)={k−1,k−1⩽x+y<kk,x+y=k

    f(x,y) 在 D 上有界,不连续点仅在有限条直线上,故 f(x,y) 在 D 上可积,且

    ∬D[x+y]dx dy=0+1⋅∬D2 dx dy+2⋅∬D3 dx dy+3⋅∬D4 dx dy=⋯=3

    注:被积函数不连续与积分区域不规整是积分区域划分的重要标志。

  6. 线性性

二、二重积分(极坐标替换)

1. 定限原则

关键在于:化积分区域边界为极坐标方程。

注意:遇到画不出来的图的一定要分析 r 与 θ 的范围,这在三重积分中同样重要。

2. 应用场景

  1. 被积函数含广义的 x2+y2 项

  2. 积分域与圆有关

  3. 广义极坐标替换(注意此时极角与标准极坐标替换中的极角的区别)

3. 重要例题

例: (1) 计算 I1=∬De−(x2+y2)dx dy,其中 D:x2+y2⩽R2,x⩾0,y⩾0 (2) 试导出无穷积分 I2=∫0+∞e−x2 dx 的值。

解: (1)

I1=∫0π2 dθ∫0Re−r2r dr=π4(1−e−R2)

(2)

I22=limR→+∞[(∫0Re−x2 dx)⋅(∫0Re−y2 dy)]=limR→+∞∬[0,R]×[0,R]e−(x2+y2)dx dy

而 I2>0,利用夹逼准则及(1)的结论 ⟹I22=π4⟹I2=π2.

本题(1)比较常规,但给(2)带来了启发。 而(2)利用 e−x2 对 e−y2 为常数的特点,凑出 x2+y2。 更精彩的是,夹逼准则采用的是两个扇形夹一个正方形。

三、三重积分(对称性、变量替换)

1. 奇偶性

2. 轮换对称性

若积分域 V 具有轮换对称性,则有:

∭Vf(x,y,z)dV=∭Vf(y,z,x)dV=∭Vf(z,x,y)dV
∭V[f(x,y,z)+f(y,z,x)+f(z,x,y)]dV=3∭Vf(x,y,z)dV

这种技巧可用于凑出 x2+y2+z2,从而大大简化极坐标替换的运算量。

3. 变量替换

∭Vf(x,y,z)dx dy dz=∭V′f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))⋅|∂(x,y,z)∂(u,v,w)|du dv dw

四、三重积分(截面法、投影法)

1. 一般的思路

2. 技巧

二重积分的技巧都能用:积分换序、对称性(包括轮换对称)、变量替换、补缺求全,积分区域划分,线性性。

注意:

  • 极坐标变换适用于圆域的重要原因在于极坐标变换不只有一种形式。

  • 轮换对称性具有一定灵活性。 如 ∭Ω(xa+yb+zc)dxdydz,其中 Ω 为 xa+yb+zc≤1 的第一卦限内的部分。

3. 投影法——先1后2

投影区域易确定,穿入曲面和穿出曲面方程易知。

4. 截面法——先2后1

适用于截面域好确定,先2后1好计算。如被积函数只与一个变量有关,截面面积好求。

注:使用截面法之前需要证明曲面的交线是在同一个与z轴垂直的平面上。

五、 曲面面积

1. 公式

2. 注意点

3. 计算质量,体积,面积