高等数学教案CH 9 重积分

合集下载

高数下课件 ch9_4

∫∫ ∫∫ Fz =
dFz =
D
−Gaρ
D
(x2
+
1 y2
+
a
2
)
3 2
dσ
z
∫ ∫ =
−Gaρ
2π
dθ
0
Rr
0
(r
2
+
a2
3
)2
dr
c
= −2πGaρ[
−1 r2 +
a2
]0R
a
= −2πGaρ( 1 − 1 )
a a2 + R2
o
2πGρ( a − 1).
y
a2 + R2
x
∫∫ yρ( x, y)dσ
由元素法，x = D
，y = D
.
∫∫ ρ( x, y)dσ
∫∫ ρ( x, y)dσ
D
D
如果平面薄片是均匀的，则质心也称为形心.
x
=
1
A
∫∫
D
xdσ，y
=
1
A
∫∫
D
ydσ，其中
A=
∫∫ dσ .
D
类似地，对于体密度为 ρ( x, y, z)，占有空间有界
闭区域 Ω 的物体，其质心坐标为
解曲面 2z = x2 + y2 及 z = 3 − x2 − y2 所围成的区域
在 xOy 面上的投影为二者交线在 xOy 面上的投影
曲线所围成的区域. x2 + y2 = 2
而二者交线在 xOy 面上的投影曲线为 z = 0
故 D：x2 + y2 ≤ 2.
对 = S1：z
1 (x2 2

高等数学第九章重积分

外面。即 kf ( x, y)d k f (x, y)d
性质2：函D数的和（或差）D的二重积分等于各个函数
的二重积分的和或差[ f (x, y) g(x, y)]d f (x, y)d g(x, y)d
D
D
D
性质3：如果闭区域D被有限条曲线分为有限个部分
则：
f ( x, y, z)dv
b
dx
y2 ( x) dy z2 ( x, y) f ( x, y, z)dz

a
y1 ( x )
z1 ( x, y )
若 {(x, y, z) | c1 z c2 ,( x, y) Dz }
则
f ( x, y, z)dv c2 dz f ( x, y, z)dxdy
f ( x, y)dy
a 1( x)
a
1( x)
D
2、积分区域D：1( x) x 2( x),c y d，则
f (x, y)d
d
[
2(x)
f ( x, y)dx]dy
d
dy
2(x)
f ( x, y)dx源自Dc 1(x)c
1( x)
二、利用极坐标计算二重积分
式 f ( x, y)d ( x, y)d。特殊地，由于
D
D
| f ( x, y) | f ( x, y) | f ( x, y) |，又有不等式
| f ( x, y)d | | f ( x, y) | d
性质6:设M，Dm分别是f(x，Dy)在闭区域D上的最大值
一、利用直角坐标计算二重积分
讨论二重积分 f ( x, y)d 的计算。假定 f ( x, y) 0 ，

高等数学-重积分PPT课件

重积分的性质
线性性质
若α、β为常数，则∫[αf+βg]=α∫f+β∫g。
积分区域的可加性
若D1、D2是两个不相交的区域，则∫[D1∪D2]f=∫[D1]f+∫[D2]f。
保序性
若在D上，f(x,y)≤g(x,y)，则∫[D]f≤∫[D]g。
绝对可积性
若f在D上可积，则|f|在D上也可积，且|∫[D]f|≤∫[D]|f|。
课件内容与结构
课件内容
本课件主要介绍重积分的基本概念、性质、计算方法和应用实例，包括二重积分和三重积分的定义、性质、计算方法和应用等。
课件结构
课件按照“概念引入-性质探讨-计算方法-应用实例”的逻辑顺序进行编排，层次分明，条理清晰，便于学生理解和掌握。
02
重积分的定义与性质
重积分的定义
二重积分的定义
计算消费者剩余和生产者剩余
02 重积分可用于计算消费者剩余和生产者剩余，通过对
需求函数和供给函数进行积分得到。
计算社会福利
03
重积分可用于计算社会福利，通过对消费者剩余和生
产者剩余进行加总得到。
06
重积分的数值计算方法
矩形法则与梯形法则
矩形法则
将积分区间划分为若干个小矩形，每个小矩形的面积近似等于其底边长度与高的乘积，将所有小矩形的面积相加得到积分的近似值。
计算转动惯量
重积分可用于计算物体绕某轴的转动惯量，通过对物体质量分布和到轴距离的平方进行积分得到。
计算引力
重积分可用于计算两个物体之间的引力，通过对两物体间的质量分布和距离进行积分得到。
在工程学中的应用
计算面积和体积
重积分可用于计算平面图形或立体图形的面积和体积，通过对图形的边界函数进行积分得到。

高等数学讲义第九章重积分-PPT精选

D
其中区 D:x域 2y21,x0,y0
2020/6/4
2020/6/4
三重积分的性质类似于二重积分
dvV（的体积）
2。三重积分的计算 (1)利用直角坐标计算三重积分
方法1：先计算定积分再计算二重积分
设平行于z轴且穿过区域内部的直线与的边界曲面相交不多于两点，域把区投影到xoy面上得到一个平面区 Dx域 y，以Dxy的边界曲线为准线作母线平行z于轴的柱面。这柱面面与曲的交线，把分成上、下两部分。
a y 1 (x ) z1 (x ,y)
2020/6/4
如果D 区 xy为域 x1 ： (y)xx2(y),
cyd,则
f(x ,y ,z)d vddx y 2 (y )dzx 2 (x ,y )f(x ,y ,z)dz c x 1 (y ) z 1 (x ,y )
方法2：先计算二重积分再计算定积分
D
圆域 x2y2a2。
例10.计算二重积 x分 yd，其中区D域是由
D
第一象限x中0, yx,x2 (yb)2 b2 x2 (ya)2 a2(0ab)所围成的区域。
2020/6/4
例 11.计算二重积 R2分 x2y2d，
D
其中区 D:x域 2y2Rx
例 12.计算二重 ln积 1(x分 2y2)d，
D
D
D
性3质 :
f(x,y)df(x,y)df(x,y)d
D1D2
D1
D2
性4 质 :设 (x,y)D,f(x,y)g(x,y)
则f(x,y)dg(x,y)d
2020/6/4
D
D
性质5:设m f (x, y) M
则m f (x, y)d M

高等数学课件 PPT 第九章重积分

分析
若函数ρ(x,y)=常数，则薄片的质量可用公式质量=面密度×面积来计算.现在面密度ρ(x,y)是变化的，故不能用上述公式来求. 这时仍可采用处理曲顶柱体体积的方法来求薄片的质量.分为下列几个步骤：
一、二重积分的概念
(1)分割将D分成n个小闭区域Δσ1,Δσ2,…,Δσn（小区域的面积也用这些符号表示），第i个小块的质量记为 ΔMi(i=1,2,…,n)，则平面薄片的质量
于是
一、在直角坐标系下计算二重积分
图 9-11
一、在直角坐标系下计算二重积分
【例3】
计算
，D是由抛物线y2=2x与直线y=x－4所
围成的区域．
解画出积分区域D的草图如图9-12所示．若先对x积分，
则有
一、在直角坐标系下计算二重积分
图 9-12
一、在直角坐标系下计算二重积分
若先对y积分，则需将D分为两个区域D1和D2，于是
一、在直角坐标系下计算二重积分
【例1】
试将
化为两种不同次序的累次积分，其中
D是由y=x,y=2－x和x轴所围成的区域．
解积分区域D如图9-9所示．首先说明如何用“穿线法”
确定累次积分的上、下限．如果先积x后积y，即选择Y型积
分区域，将区域D投影到y轴，得区间［0,1］，0与1就是对y
积分的下限与上限，即0≤y≤1，在［0,1］上任意取一点y，
二、二重积分的性质
二重积分与定积分有类似的性质.假设下面所出现的积分是存在的.
二、二重积分的性质
性质1
设c1,c2为常数,则
性质2
若闭区域D分为两个闭区域D1与D2，则
二、二重积分的性质
性质3
(σ为D的面积）.
性质4

高等数学讲义第九章重积分

性质6:(二重积分的中值 ) 定理
设函数 f (x, y)在闭区D域上连续 ,是D的面,积则(,)D,使得
f(x,y)d f(,)
D
a
4
§2. 二重积分的计算法
1。利用直角坐标计算二重积分 z
A(x) y2(x) f(x,y)dy y1(x)
A(x)
o
a
yy1(x)
x
b x
a
y yy2(x)
5
d dr r
则极坐标下二重积分可化为二次积分
f(x,y)d f(rco ,rs si)n rdrd
D
D
dr2()f(rco ,srsin )rdrd r1()
a
11
设积分区域是由不等式
0rr(),
r r()
来表示r， ()在其 [,中 ]上连0 续 β α。
则极坐标下二重积分可化为二次积分
z z=z2(x,y)
1 : z z1 ( x , y )，
2 : z z 2 ( x , y )，
其中 z1 ( x , y ), z 2 ( x , y ) 都是 D xy 上的连续函数，
z=z1(x,y)
o
y
且 z1(x, y) z2 (x, y)
Dxy
(如图所示 )
x
F(x,y) z2(x,y) f(x,y,z)dz z1(x,y)
a
13
例 11.计算二重积 R2分 x2y2d，
D
其中区 D:x域 2y2Rx
例 12.计算二重 ln积 1(x分 2y2)d，
D
其中区 D:x域 2y21,x0,y0
a
14
§3. 三重积分的计算法

第九章重积分PPT教学课件

D
D 1
D 2
2020/12/09
6
PPT精品课件
谢谢观看
Thank You For Watching
7
i 1
i 1
n
Mlim ( , ) 2020/12/09 0i1
ii
i
3
1、二重积分的定义
• 设f(x,y)是有界闭区域D上的有界函数，
把 D 任意 n 个分小割 1 , 区 2 成 , , 域 n
• 在小闭区域 i 上任取一点 (i,i) 作和
n
n
f(i,i)i
i1
若 lim
D
D
4、几何意义曲顶柱体的 , f(体 x,y)积 0
f(x,y)dxdy曲顶柱体的体 , f积 (x,y负 )0值
D
各曲顶柱体的体和,否积则代
2020/12/09
5
二、二重积分的性质
• 1、[ f ( x ,y ) g ( x ,y )d ] x f( d x ,y ) d y x g ( d x ,y ) d yx
第九章重积分
第一节二重积分的概念与性质一、二重积分的概念例1 曲顶柱体的体积。
Z=f(x,y)为有界闭区域D上的连续非负函数，以曲面Z=f(x,y)为顶、以D为底的 “曲顶柱体”的体积记为V。
2020/12/09
1
把 D 任意 n 个分小割 1 , 区 2 成 , , 域 n
V if(i,i) i
0i1
f(i,i)i存,在
则称此极限为f(x,y)在D上的二重积分，记
n
f(x,y)d l i0 m f(i,i) i
2020/1D 2/09
i 1

高等数学教案ch 9 重积分

第九章重积分教学目的：1、理解二重积分、三重积分的概念，了解重积分的性质，知道二重积分的中值定理。

2、掌握二重积分的（直角坐标、极坐标）计算方法。

3、掌握计算三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算方法。

4、会用重积分求一些几何量与物理量（平面图形的面积、体积、重心、转动惯量、引力等）。

教学重点：1、二重积分的计算（直角坐标、极坐标）；2、三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算。

3、二、三重积分的几何应用及物理应用。

教学难点：1、利用极坐标计算二重积分；2、利用球坐标计算三重积分；3、物理应用中的引力问题。

§9. 1 二重积分的概念与性质一、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 )≥0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.首先, 用一组曲线网把D 分成n 个小区域：∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ 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∆σ i 中任取一点(ξ i , η i ), 以f (ξ i , η i )为高而底为∆σ i 的平顶柱体的体积为： f (ξ i , η i ) ∆σi (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅ , n ). 这个平顶柱体体积之和：i i i ni f V σηξ∆≈=∑),(1.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 i i i ni f V σηξλ∆==→∑),(lim 10.其中λ是个小区域的直径中的最大值. 2. 平面薄片的质量.设有一平面薄片占有xOy 面上的闭区域D , 它在点(x , y )处的面密度为ρ(x , y ), 这里ρ(x , y )>0且在D 上连续. 现在要计算该薄片的质量M . 用一组曲线网把D 分成n 个小区域 ∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n . 把各小块的质量近似地看作均匀薄片的质量: ρ(ξ i , η i )∆σ i . 各小块质量的和作为平面薄片的质量的近似值: i i i ni M σηξρ∆≈=∑),(1.将分割加细, 取极限, 得到平面薄片的质量i i i n i M σηξρλ∆==→∑),(lim 10.其中λ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∆σ 1, ∆σ 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆σ n .其中∆σ i 表示第i 个小区域, 也表示它的面积. 在每个∆σ i 上任取一点(ξ i , ηi ), 作和i i i ni f σηξ∆=∑),(1.如果当各小闭区域的直径中的最大值λ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σd y x f D⎰⎰),(, 即i i i ni Df d y x f σηξσλ∆==→∑⎰⎰),(lim),(10.f (x , y )被积函数, f (x , y )d σ被积表达式, d σ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∆σi 的边长为∆x i 和∆y i , 则∆σi =∆x i ∆y i , 因此在直角坐标系中, 有时也把面积元素d σ 记作dxdy , 而把二重积分记作dxdyy x f D⎰⎰),(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 )≥0, 被积函数f (x , y )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c 1、c 2为常数, 则σσσd y x g c d y x f c d y x g c y x f c DDD⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=+),(),()],(),([2121.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D 1与D 2, 则σσσd y x f d y x f d y x f D D D⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=21),(),(),(.性质3σσσ==⋅⎰⎰⎰⎰DDd d 1(σ为D 的面积).性质4 如果在D 上, f (x , y )≤g (x , y ), 则有不等式σσd y x g d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤),(),(.特殊地σσd y x f d y x f DD⎰⎰⎰⎰≤|),(||),(|.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, σ为D 的面积, 则有σσσM d y x f m D≤≤⎰⎰),(.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, σ 为D 的面积, 则在D 上至少存在一点(ξ, η)使得σηξσ),(),(f d y x f D=⎰⎰.§9. 2 二重积分的计算法一、利用直角坐标计算二重积分 X --型区域:D : ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b . Y --型区域:D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d . 混合型区域:设f (x , y )≥0, D ={(x , y )| ϕ1(x )≤y ≤ϕ2(x ), a ≤x ≤b }.此时二重积分σd y x f D⎰⎰),(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x 0∈[a , b ], 曲顶柱体在x =x 0的截面面积为以区间[ϕ1(x 0), ϕ2(x 0)]为底、以曲线z =f (x 0, y )为曲边的曲边梯形, 所以这截面的面积为⎰=)()(000201),()(x x dy y x f x A ϕϕ.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⎰=b adx x A V )(dx dy y x f bax x ⎰⎰=]),([)()(21ϕϕ.即 V =dx dy y x f d y x f bax x D⎰⎰⎰⎰=]),([),()()(21ϕϕσ.可记为⎰⎰⎰⎰=bax x Ddy y x f dx d y x f )()(21),(),(ϕϕσ.类似地, 如果区域D 为Y --型区域:D : ψ1(x )≤y ≤ψ2(x ), c ≤y ≤d ,则有⎰⎰⎰⎰=dcy y Ddx y x f dy d y x f )()(21),(),(ψψσ.例1. 计算σd xy D⎰⎰, 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⎰⎰⎰=211][x Ddx xydy d xy σ⎰⎰-=⋅=2132112)(21]2[dx x x dx y x x 89]24[212124=-=x x .注: 积分还可以写成⎰⎰⎰⎰⎰⎰==211211xxDydy xdx xydy dx d xy σ.解法2. 也可把D 看成是Y --型区域: 1≤y ≤2, y ≤x ≤2 . 于是⎰⎰⎰=212][yDdy xydx d xy σ⎰⎰-=⋅=2132122)22(]2[dy y y dy x y y 89]8[2142=-=y y .例2. 计算σd y x y D⎰⎰-+221, 其中D 是由直线y =1、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⎰⎰⎰⎰-+=-+-122112211x Ddy y x y dx d y x y σ⎰⎰----=-+-=1131112322)1|(|31])1[(31dx x dx y x x 21)1(3213=--=⎰dx x .也可D 看成是Y --型区域：-1≤y ≤1, -1≤x <y . 于是⎰⎰⎰⎰---+=-+111222211yDdx y x ydyd y x yσ.例3 计算σd xy D⎰⎰, 其中D 是由直线y =x -2及抛物线y 2=x 所围成的闭区域.解积分区域可以表示为D =D 1+D 2,其中x y x x D ≤≤-≤≤ ,10 :1; x y x D ≤≤≤≤2 ,41 :2. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰--+=41210xx x xDxydydx xydy dx d xy σ.积分区域也可以表示为D : -1≤y ≤2, y 2≤x ≤y +2. 于是⎰⎰⎰⎰-+=2122y yDxydx dy d xy σ⎰-+=21222]2[dy y x y y ⎰--+=2152])2([21dy y y y855]62344[21216234=-++=-y y y y .讨论积分次序的选择.例4 求两个底圆半径都等于ρ的直交圆柱面所围成的立体的体积. 解设这两个圆柱面的方程分别为x 2+y 2=ρ 2及x 2+z 2=ρ 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V 1, 然后再乘以8就行了.第一卦限部分是以D ={(x , y )| 0≤y ≤22x R -, 0≤x ≤ρ}为底, 以22x R z -=顶的曲顶柱体. 于是σd x R V D⎰⎰-=228⎰⎰--=Rx R dy x R dx 0022228⎰--=Rx Rdx y x R 002222][83022316)(8R dx x R R=-=⎰.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ρ 、θ 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σd y x f D⎰⎰),(.按二重积分的定义i ni i i Df d y x f σηξσλ∆=∑⎰⎰=→1),(lim),(.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网将区域D 分为n 个小闭区域, 小闭区域的面积为:i i i i i i θρθρρσ∆⋅⋅-∆⋅∆+=∆2221)(21i i i i θρρρ∆⋅∆∆+=)2(21i i i i i θρρρρ∆⋅∆⋅∆++=2)(i i i θρρ∆∆=,其中i ρ表示相邻两圆弧的半径的平均值.在∆σi 内取点) , (i i θρ, 设其直角坐标为(ξ i , η i ), 则有 i i i ρξcos =, i i i ρηsin =.于是 ii ni i i i i i i ni i i f f θρρθρθρσηξλλ∆∆=∆∑∑=→=→11)sin ,cos (lim),(lim ,即θρρθρθρσd d f d y x f DD)s i n ,c o s (),(⎰⎰⎰⎰=. 若积分区域D 可表示为ϕ 1(θ)≤ρ≤ϕ 2(θ), α≤θ≤β, 则ρρθρθρθθρρθρθρθϕθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)()(21)sin ,cos ()sin ,cos (.讨论:如何确定积分限?ρρθρθρθθρρθρθρθϕβαd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(0)sin ,cos ()sin ,cos (.ρρθρθρθθρρθρθρθϕπd f d d d f D⎰⎰⎰⎰=)(020)sin ,cos ()sin ,cos (.例5. 计算⎰⎰--Dy xdxdye 22, 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≤ρ≤a , 0≤θ ≤2π .于是⎰⎰⎰⎰---=DDy x d d e dxdy e θρρρ222θθρρπρπρd e d d e a a02020]21[ ][22⎰⎰⎰---== )1()1(212220a a e d e ---=-=⎰πθπ.注: 此处积分⎰⎰--Dy xdxdye 22也常写成⎰⎰≤+--22222a y x y xdxdy e.利用)1(222222a a y x y x edxdy e-≤+---=⎰⎰π计算广义积分dx e x 2-+∞⎰:设D 1={(x , y )|x 2+y 2≤R 2, x ≥0, y ≥0}, D 2={(x , y )|x 2+y 2≤2R 2, x ≥0, y ≥0}, S ={(x , y )|0≤x ≤R , 0≤y ≤R }. 显然D 1⊂S ⊂D 2. 由于022>--y x e , 从则在这些闭区域上的二重积分之间有不等式⎰⎰⎰⎰⎰⎰------<<22222122D y xSy xD y x dxdy e dxdy e dxdy e .因为20)(22222⎰⎰⎰⎰⎰-----=⋅=Rx Ry Rx Sy x dx e dy e dx e dxdy e ,又应用上面已得的结果有)1(42122R D y x e d x d y e ----=⎰⎰π,)1(422222R D y xe dxdy e ----=⎰⎰π,于是上面的不等式可写成)1(4)()1(4222220R Rx R e dx e e ----<<-⎰ππ.令R →+∞, 上式两端趋于同一极限4π, 从而22π=-∞+⎰dx e x .例6 求球体x 2+y 2+z 2≤4a 2被圆柱面x 2+y 2=2ax 所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积.解由对称性, 立体体积为第一卦限部分的四倍.⎰⎰--=Ddxdy y x a V 22244,其中D 为半圆周22x ax y -=及x 轴所围成的闭区域. 在极坐标系中D 可表示为 0≤ρ≤2a cos θ , 20πθ≤≤.于是 ⎰⎰⎰⎰-=-=20cos 2022224444πθρρρθθρρρa Dd a d d d a V)322(332)sin 1(33222032-=-=⎰πθθπa d a .§9.3 三重积分一、三重积分的概念定义设f (x , y , z )是空间有界闭区域Ω上的有界函数. 将Ω任意分成n 个小闭区域∆v 1, ∆v 2, ⋅ ⋅ ⋅ , ∆v n其中∆v i 表示第i 个小闭区域, 也表示它的体积. 在每个∆v i 上任取一点(ξi , ηi , ζi ), 作乘积f (ξ i , η i , ζ i )∆v i (i =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅, n )并作和i i i i ni v f ∆=∑),,(1ζηξ. 如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋于零时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f (x , y , z )在闭区域Ω上的三重积分, 记作dv z y x f ⎰⎰⎰Ω),,(. 即i i i i ni v f dv z y x f ∆==→Ω∑⎰⎰⎰),,(lim),,(10ζηξλ.三重积分中的有关术语:⎰⎰⎰Ω——积分号, f (x , y , z )——被积函数, f (x , y , z )dv——被积表达式, dv 体积元素, x , y , z ——积分变量, Ω——积分区域. 在直角坐标系中, 如果用平行于坐标面的平面来划分Ω, 则∆v i =∆x i ∆y i ∆z i , 因此也把体积元素记为dv =dxdydz , 三重积分记作⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=d x d y d zz y x f dv z y x f ),,(),,(. 当函数f (x , y , z )在闭区域Ω上连续时, 极限i i i i ni v f ∆=→∑),,(lim 10ζηξλ是存在的,因此f (x , y , z )在Ω上的三重积分是存在的, 以后也总假定f (x , y , z )在闭区域Ω上是连续的.三重积分的性质: 与二重积分类似. 比如dvz y x g c dv z y x f c dv z y x g c z y x f c ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ±=±),,(),,()],,(),,([2121;dv z y x f dv z y x f dv z y x f ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ+Ω+=2121),,(),,(),,(;Vdv =⎰⎰⎰Ω, 其中V 为区域Ω的体积.二、三重积分的计算1. 利用直角坐标计算三重积分三重积分的计算: 三重积分也可化为三次积分来计算. 设空间闭区域Ω可表为 z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=bay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(, 即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωba y x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域. 提示:设空间闭区域Ω可表为z 1(x , y )≤z ≤z 2(x , y ), y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b , 计算⎰⎰⎰Ωdvz y x f ),,(.基本思想:对于平面区域D : y 1(x )≤y ≤y 2(x ), a ≤x ≤b 内任意一点(x , y ), 将f (x , y , z )只看作z 的函数, 在区间[z 1(x , y ), z 2(x , y )]上对z 积分, 得到一个二元函数F (x , y ), ⎰=),(),(21),,(),(y x z y x z dz z y x f y x F ,然后计算F (x , y )在闭区域D 上的二重积分, 这就完成了f (x , y , z )在空间闭区域Ω上的三重积分.⎰⎰⎰⎰⎰=Dy x z y x z Dd dz z y x f d y x F σσ]),,([),(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([,则σd dz z y x f dv z y x f Dy x z y x z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ω]),,([),,(),(),(21⎰⎰⎰=bax y x y y x z y x z dy dz z y x f dx )()(),(),(2121]),,([ ⎰⎰⎰=bay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx ),(),()()(2121),,(.即⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωbay x z y x z x y x y dz z y x f dy dx dv z y x f ),(),()()(2121),,(),,(.其中D : y 1(x )≤ y ≤ y 2(x ), a ≤x ≤b . 它是闭区域Ω在xOy 面上的投影区域.例1 计算三重积分dxdydz x ⎰⎰⎰Ω, 其中Ω为三个坐标面及平面x +2y +z =1所围成的闭区域.解作图, 区域Ω可表示为:0≤z ≤1-x -2y , )1(210x y -≤≤, 0≤x ≤1.于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰---Ω=10210210x yx x d z dy dx dxdydzx⎰⎰---=1210)21(x dyy x xdx⎰=+-=1032481)2(41dx x xx . 讨论: 其它类型区域呢?有时, 我们计算一个三重积分也可以化为先计算一个二重积分、再计算一个定积分. 设空间闭区域Ω={(x , y , z )|(x , y )∈D z , c 1≤ z ≤c 2}, 其中D z 是竖坐标为z 的平面截空间闭区域Ω所得到的一个平面闭区域, 则有⎰⎰⎰⎰⎰⎰=ΩzD c c dxdy z y x f dz dv z y x f ),,(),,(21.例2 计算三重积分dxdydz z ⎰⎰⎰Ω2,其中Ω是由椭球面1222222=++cz b ya x 所围成的空间闭区域.解空间区域Ω可表为:2222221cz b y a x -≤+, -c ≤ z ≤c .于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰-Ω=c cD zdxdy dz z dxdydz z 22 3222154)1(abc dz z c z ab ccππ=-=⎰-. 练习1. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为三次积分, 其中(1)Ω是由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域.(2)Ω是双曲抛物面xy =z 及平面x +y -1=0, z =0所围成的闭区域. (3)其中Ω是由曲面z =x 2+2y 2及z =2-x 2所围成的闭区域.2. 将三重积分dxdydz z y x f I ⎰⎰⎰Ω=),,(化为先进行二重积分再进行定积分的形式,其中Ω由曲面z =1-x 2-y 2, z =0所围成的闭区域. 2. 利用柱面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 并设点M 在xOy 面上的投影P 的极坐标为P (ρ, θ ), 则这样的三个数ρ、θ 、z 就叫做点M 的柱面坐标, 这里规定ρ、θ 、z 的变化范围为:0≤ρ<+∞, 0≤θ ≤2π , -∞<z <+∞. 坐标面ρ=ρ0, θ =θ 0, z =z 0的意义: 点M 的直角坐标与柱面坐标的关系: x =ρcos θ, y =ρsin θ, z =z .⎪⎩⎪⎨⎧===zz y x θρθρsin cos柱面坐标系中的体积元素: dv =ρd ρd θdz . 简单来说, dxdy =ρd ρd θ , dxdydz =dxdy ⋅dz =ρd ρd θ dz . 柱面坐标系中的三重积分:⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dz d d z f dxdydzz y x f θρρθρθρ),sin ,cos (),,(.例3 利用柱面坐标计算三重积分⎰⎰⎰Ωzdxdydz , 其中Ω是由曲面z =x 2+y 2与平面z =4所围成的闭区域. 解闭区域Ω可表示为: ρ2≤z ≤4, 0≤ρ≤2, 0≤θ≤2π. 于是⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=dzd d z zdxdydz θρρ⎰⎰⎰=πρρρθ20242z d z d d ⎰⎰-=πρρρθ2024)16(21d dπρρπ364]618[2212062=-⋅=. 3. 利用球面坐标计算三重积分设M (x , y , z )为空间内一点, 则点M 也可用这样三个有次序的数r 、ϕ、θ 来确定, 其中r 为原点O 与点M 间的距离, ϕ为→OM 与z 轴正向所夹的角, θ为从正z 轴来看自x 轴按逆时针方向转到有向线段→OP 的角, 这里P 为点M 在xOy 面上的投影, 这样的三个数r 、ϕ 、θ 叫做点M 的球面坐标, 这里r 、ϕ、θ 的变化范围为 0≤r <+∞, 0≤ϕ<π, 0≤θ ≤2π. 坐标面r =r 0, ϕ=ϕ0, θ=θ0的意义: 点M 的直角坐标与球面坐标的关系: x =r sin ϕcos θ, y =r sin ϕsin θ, z =r cos ϕ .⎪⎩⎪⎨⎧===ϕθϕθϕcos sin sin cos sin r z r y r x球面坐标系中的体积元素: dv =r 2sin ϕdrd ϕd θ . 球面坐标系中的三重积分:θϕϕϕθϕθϕd d r d r r r r f dv z y x f sin )cos ,sin sin ,cos sin (),,(2⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ=.例4 求半径为a 的球面与半顶角α为的内接锥面所围成的立体的体积. 解该立体所占区域Ω可表示为:0≤r ≤2a cos ϕ, 0≤ϕ≤α, 0≤θ≤2π. 于是所求立体的体积为⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ==θϕϕd d r d r d x d y d z V s i n 2⎰⎰⎰=παϕϕϕθ200c o s202s i n a dr r d d⎰⎰=αϕϕϕπ0c o s202s i n 2a dr r d⎰=αϕϕϕπ033s i n c o s 316d a )c o s 1(3443a a -=π.提示: 球面的方程为x 2+y 2+(z -a )2=a 2, 即x 2+y 2+z 2=2az . 在球面坐标下此球面的方程为r 2=2ar cos ϕ, 即r =2a cos ϕ.§9. 4 重积分的应用元素法的推广:有许多求总量的问题可以用定积分的元素法来处理. 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d σ时, 相应的部分量可近似地表示为f (x , y )d σ 的形式, 其中(x , y )在d σ内, 则称f (x , y )d σ 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: ⎰⎰=Dd y x f U σ),(,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 x (x , y )和f y (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d σ, 其面积也记为d σ. 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d σ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γ , 则σγσd y x f y x f d dA y x ),(),(1cos 22++==, 这就是曲面S 的面积元素. 于是曲面S 的面积为σd y x f y x f A y x D),(),(122++=⎰⎰,或 d x d y yz x z A D22)()(1∂∂+∂∂+=⎰⎰.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d σ, M 在xOy 面上的投影为点P (x , y ), 因为曲面上点M 处的法向量为n =(-f x , -f y , 1), 所以σσd y x f y x f d dA y x ),(),(1||22++==n . 提示: dA 与xOy 面的夹角为(n ,^ k ), dA cos(n ,^ k )=d σ, 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？ d y d zzxy x A yzD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1,或 d z d x xy zy A zxD ⎰⎰∂∂+∂∂+=22)()(1.其中D yz 是曲面在yOz 面上的投影区域, D zx 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222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2.因为z 对x 和对y 的偏导数在D : x 2+y 2≤R 2上无界, 所以上半球面面积不能直接求出. 因此先求在区域D 1: x 2+y 2≤a 2 (a <R )上的部分球面面积, 然后取极限.d x d y yx R R a y x 222222--⎰⎰≤+⎰⎰-=πθ2022arR r d r d R)(222a R R R --=π.于是上半球面面积为2222)(2lim R a R R R Ra ππ=--→.整个球面面积为 A =2A 1=4πR 2. 提示: 222yx R x xz ---=∂∂, 222yx R y yz ---=∂∂, 22222)()(1yx R R yz xz --=∂∂+∂∂+.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222y x R z --=, 而222yx R x xz ---=∂∂, 222yx R y yz ---=∂∂,所以 22)()(12222yz x z A R y x ∂∂+∂∂+=⎰⎰≤+d x d y y x R RR y x 2222222--=⎰⎰≤+⎰⎰-=πρρρθ20222RR d d R20224 4R R R R πρπ=--=.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∑是上半球面被半顶角为α的圆锥面所截得的部分. ∑的方程为222y x R z --=, x 2+y 2≤R 2sin 2α. 于是通讯卫星的覆盖面积为 ⎰⎰⎰⎰--=∂∂+∂∂+=xyxyD D dxdyyx R R dxdy yz x z A 22222)()(1.其中D xy ={(x , y )| x 2+y 2≤R 2sin 2α}是曲面∑在xOy 面上的投影区域. 利用极坐标, 得 )c o s 1(222s i n22s i n2220απρρρπρρρθααπ-=-=-=⎰⎰⎰R d R R d R R d A R R .由于hR R +=αcos , 代入上式得hR hR hR R R A +=+-=222)1(2ππ.由此得这颗通讯卫星的覆盖面积与地球表面积之比为%5.4210)4.636(21036)(24662≈⋅+⋅=+=h R h R A π.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π32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ρ(x , y ), 假定μ(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 , y )的一直径很小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 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 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有 y M M x =⋅, x M M y =⋅ . 于是 ⎰⎰⎰⎰==DDyd y x d y x x MM x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DDx d y x d y x y MM y σμσμ),(),(.在闭区域D 上任取包含点P (x , y )小的闭区域d σ(其面积也记为d σ), 则平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩元素分别为 dM x =y μ(x , y )d σ, dM y =x μ(x , y )d σ. 平面薄片对x 轴和对y 轴的力矩分别为 ⎰⎰=Dx d y x y M σμ),(, ⎰⎰=Dy d y x x M σμ),(.设平面薄片的质心坐标为) ,(y x , 平面薄片的质量为M , 则有y M M x =⋅, x M M y =⋅ . 于是 ⎰⎰⎰⎰==DDyd y x d y x x MM x σμσμ),(),(, ⎰⎰⎰⎰==DDx d y x d y x y MM y σμσμ),(),(.提示: 将P (x , y )点处的面积元素d σ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d σ(其面积也记为d σ), 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⎰⎰⎰⎰=DDd xd x σσ, ⎰⎰⎰⎰=DDd yd y σσ.例3 求位于两圆ρ=2sin θ 和ρ=4sin θ 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) ,(y x C 必位于y 轴上, 于是0=x . 因为 ⎰⎰⎰⎰=DDd d yd θρθρσsin 2πρρθθθθπ7sin sin 4sin 220==⎰⎰d d ,πππσ31222=⋅-⋅=⎰⎰d D,所以3737===⎰⎰⎰⎰ππσσDDd yd y . 所求形心是)37,0(C . 类似地, 占有空间闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )(假宽ρ(x , y , z )在Ω上连续)的物体的质心坐标是⎰⎰⎰Ω=dvz y x x Mx ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dvz y x y My ),,(1ρ, ⎰⎰⎰Ω=dv z y x z Mz ),,(1ρ,其中⎰⎰⎰Ω=dv z y x M ),,(ρ.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Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2, z ≥0} 显然, 质心在z 轴上, 故0==y x .⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩΩ==dvzdvdvdv z z ρρ83a =.故质心为)83 ,0 ,0(a .提示: Ω: 0≤r ≤a , 20πϕ≤≤, 0≤θ≤2π.⎰⎰⎰⎰⎰⎰=Ωadr r d d dv 022020sin ϕθϕππ⎰⎰⎰=adr r d d 022020sin ππθϕϕ323a π=,⎰⎰⎰⎰⎰⎰⋅=Ωadr r r d d dv z 022020sin cos ϕϕθϕππ⎰⎰⎰=a dr r d d 0320202sin 21ππθϕϕ42214a ⋅⋅=π.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μ(x , y ), 假定ρ(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. 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d σ(其面积也记为d σ), 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 dI x =y 2μ(x , y )d σ , dI y =x 2μ(x , y )d σ .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 σμd y x y I Dx ),(2⎰⎰=, σμd y x x I Dy ),(2⎰⎰=.例5 求半径为a 的均匀半圆薄片(面密度为常量μ)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 )| x 2+y 2≤a 2, y ≥0}而所求转动惯量即半圆薄片对于x 轴的转动惯量I x , ⎰⎰⎰⎰⋅==DDx d d d y I θρρθρμσμ222sin⎰⎰⎰⋅==ππθθμρρθθμ02432s i n 4s i n d a d d a2441241Ma a =⋅=πμ,其中μπ221a M =为半圆薄片的质量.类似地, 占有空间有界闭区域Ω、在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z )的物体对于x 、y 、z 轴的转动惯量为⎰⎰⎰Ω+=d v z y x z y I x ),,()(22ρ,⎰⎰⎰Ω+=d v z y x x z I y ),,()(22ρ,⎰⎰⎰Ω+=d v z y x y x I z ),,()(22ρ.例6 求密度为ρ的均匀球体对于过球心的一条轴l 的转动惯量.解取球心为坐标原点, z 轴与轴l 重合, 又设球的半径为a , 则球体所占空间闭区域Ω={(x , y , z )| x 2+y 2+z 2≤a 2}.所求转动惯量即球体对于z 轴的转动惯量I z . ⎰⎰⎰Ω+=dv y x I z )(22ρθϕϕθϕθϕρd d r d r r r s i n )s i n s i n c o s s i n(2222222+=⎰⎰⎰Ωθϕϕρd d r d r 34s i n ⎰⎰⎰Ω=dr r d d a ⎰⎰⎰=ππϕϕθρ200043 sin ρπ5158a =M a 252=,其中ρπ334a M =为球体的质量.提示: x 2+y 2=r 2sin 2ϕcos 2θ+r 2sin 2ϕ sin 2θ=r 2sin 2ϕ.四、引力我们讨论空间一物体对于物体外一点P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力问题.设物体占有空间有界闭区域Ω, 它在点(x , y , z )处的密度为ρ(x , y , z ), 并假定ρ(x , y , z )在Ω上连续.在物体内任取一点(x , y , z )及包含该点的一直径很小的闭区域dv (其体积也记为dv ). 把这一小块物体的质量ρdv 近似地看作集中在点(x , y , z )处. 这一小块物体对位于P 0(x 0, y 0, z 0)处的单位质量的质点的引力近似地为 ),,(z y x dF dF dF d =F )))(,,(,))(,,(,))(,,((303030dv r z z z y x Gdv r y y z y x Gdv r x x z y x G---=ρρρ,其中dF x 、dF y 、dF z 为引力元素d F 在三个坐标轴上的分量,202020)()()(z z y y x x r -+-+-=, G 为引力常数. 将dF x 、dF y 、dF z 在Ω上分别积分, 即可得F x 、F y 、F z , 从而得F =(F x 、F y 、F z ).例7设半径为R 的匀质球占有空间闭区域Ω={(x , y , z )|x 2+y 2+z 2≤R 2). 求它对于位于点M 0(0, 0, a ) (a >R )处的单位质量的质点的引力.解设球的密度为ρ0, 由球体的对称性及质量分布的均匀性知F x =F y =0, 所求引力沿z 轴的分量为 dva z y x az G F z 2/32220])([-++-=⎰⎰⎰Ωρ⎰⎰⎰--≤+-++-=RRzR y x a z y x dxdydza z G 22222/32220])([)(ρ⎰⎰⎰---+-=2202/322200])([)(z R R Ra z d d dz a z G ρρρθρπ⎰-+----=RRdz aaz R za a z G )211)((2220ρπ]2)(12[2220⎰-+--+-=RRa az R d a z aR G ρπ)3222(2230a R R R G -+-=πρ2203134aM G a R G -=⋅⋅-=ρπ,其中0334ρπR M =为球的质量.上述结果表明: 匀质球对球外一质点的引力如同球的质量集中于球心时两质点间的引力.。

高等数学_第九章_重积分_第一节_讲义二重积分概念

在 D上连续, 则
在D上可积.
三、二重积分的性质
1.D kf(x,y)dkD f(x,y)d ( k 为常数)
以上两性质统称为线性性质. 下一性质是说，二重积分关于积分区域具有可加性.
3 .D f ( x ,y ) d D 1 f ( x ,y ) d D 2 f( x ,y ) d
上页下页返回结束
n
Ml i0m k 1(k,k)k
y x
(k,k) k
上页下页返回结束
两个问题的共性：
(1) 解决问题的步骤相同 “分割；常代变求近似和；取极限求精确”
(2) 所求量的结构式相同曲顶柱体体积:
n
Vl i0 m k1f(k,k)k
平面薄片的质量:
n
Ml i0m k 1(k,k)k
上页下页返回结束
高等数学_第九章_重积分_第一节_二重积分概念
精品
第九章重积分
第一节
二重积分的概念与性质
❖ 曲顶柱体的体积 ❖ 二重积分的定义 ❖ 二重积分的性质
上页下页返回结束
一、引例
1. 曲顶柱体的体积
z
S : z = f (x,y)
元素法
（1）分割区域 D, 化整为零
（2）局部以平代曲, 求近似
z
元素法
（1）分割区域 D, 化整为零
（2）局部以平代曲, 求近似
V i f(xi,yi) i
积零为整 n V f(xi,yi)i i1
（3）取极限
令分法无限变细
0
n
V = lim f(xi,yi)Δσi
i1
x
V
y
上页下页返回结束

(完整版)高等数学教案各章的教学目的、重点、难点

第一章函数与极限教学目的:1、理解函数的概念，掌握函数的表示方法，并会建立简单应用问题中的函数关系式.2、了解函数的奇偶性、单调性、周期性和有界性。

3、理解复合函数及分段函数的概念，了解反函数及隐函数的概念.4、掌握基本初等函数的性质及其图形。

5、理解极限的概念，理解函数左极限与右极限的概念，以及极限存在与左、右极限之间的关系。

6、掌握极限的性质及四则运算法则。

7、了解极限存在的两个准则,并会利用它们求极限，掌握利用两个重要极限求极限的方法。

8、理解无穷小、无穷大的概念，掌握无穷小的比较方法，会用等价无穷小求极限。

9、理解函数连续性的概念（含左连续与右连续），会判别函数间断点的类型。

10、了解连续函数的性质和初等函数的连续性，了解闭区间上连续函数的性质（有界性、最大值和最小值定理、介值定理），并会应用这些性质。

教学重点：1、复合函数及分段函数的概念；2、基本初等函数的性质及其图形；3、极限的概念极限的性质及四则运算法则；4、两个重要极限;5、无穷小及无穷小的比较；6、函数连续性及初等函数的连续性;7、区间上连续函数的性质.教学难点：1、分段函数的建立与性质；2、左极限与右极限概念及应用；3、极限存在的两个准则的应用；4、间断点及其分类；闭区间上连续函数性质的应用.第二章导数与微分教学目的:1、理解导数和微分的概念与微分的关系和导数的几何意义，会求平面曲线的切线方程和法线方程,了解导数的物理意义，会用导数描述一些物理量，理解函数的可导性与连续性之间的的关系。

2、熟练掌握导数的四则运算法则和复合函数的求导法则，熟练掌握基本初等函数的导数公式，了解微分的四则运算法则和一阶微分形式的不变性，会求函数的微分。

3、了解高阶导数的概念，会求某些简单函数的n阶导数。

4、会求分段函数的导数。

5、会求隐函数和由参数方程确定的函数的一阶、二阶导数，会求反函数的导数。

教学重点:1、导数和微分的概念与微分的关系；2、导数的四则运算法则和复合函数的求导法则;3、基本初等函数的导数公式;4、高阶导数；6、隐函数和由参数方程确定的函数的导数。

数学分析教案第二十一章重积分

数学分析教案第二十一章重积分一、教学目标1.掌握重积分的定义和性质。

2.了解重积分的计算方法和应用。

3.能够熟练运用重积分解决实际问题。

二、教学重难点1.重积分的计算方法。

2.重积分的应用。

三、教学内容和教学步骤1.重积分的引入通过提问引导学生回顾定积分的概念和计算方法，并对比定积分与重积分的异同之处，引出重积分的概念。

2.重积分的定义和性质定义：设D为平面上的有界闭区域，函数f(x,y)在D上有界，将D 分成许多小矩形，取其中任意一个小矩形，设其面积为ΔA，取小矩形的一些点(xi,yi)，使得(xi,yi)在小矩形内，记作(Pi)，则称Σf(xi,yi)ΔA为f(x,y)在D上的一个二重积分，记作∬D f(x,y)dxdy。

性质：（1）线性性质：∬D (αf(x,y)+βg(x,y))dxdy = α∬Df(x,y)dxdy + β∬D g(x,y)dxdy，其中α、β为常数。

（2）可加性质：D = D1 ∪ D2，则∬D f(x,y)dxdy = ∬D1f(x,y)dxdy + ∬D2 f(x,y)dxdy。

（3）保号性质：若f(x,y)在D上非负，则∬D f(x,y)dxdy ≥ 0。

3.重积分的计算方法（1）累次积分法：先对一个变量积分，再对另一个变量积分。

（2）极坐标法：适用于具有极坐标形式的函数，通过变量代换，将重积分转化为二重积分。

（3）换元法：通过变量代换，将重积分中的积分区域变换为简单形式，然后计算二重积分。

4.重积分的应用（1）计算质量：对密度函数和有界闭区域进行重积分，得到物体的质量。

（2）计算重心：对密度函数、有界闭区域和轴线进行重积分，得到物体的重心坐标。

（3）计算面积：对平面区域的特定函数进行重积分，可以计算出该区域的面积。

（4）计算二重积分：通过重积分计算曲面的面积、曲面的体积以及曲面与平面的交线弧长。

四、课堂练习及讲评1.小组讨论解决以质量和重心为主题的实际问题。

高等数学第9章重积分

D
为底的曲顶柱体的体积 .
一般地，∫∫ f ( x, y)dσ : 曲顶柱体体积的代数和 .
D
特例当 f ( x, y) ≡ 1,( x, y) ∈ D，则
n
∫∫ ∫∫ σ
=
1dσ
D
=
dσ
D
∑ =
lim
λ→0
i=1
Δσ
i
D 的面积
在直角坐标系下用平行 y
坐标轴的直线来划分区域 D ,
DD
则面积元素为
2º 近似
在每个ΔDi 中任取一点 (ξi ,ηi ), 则第 i 小块的质量
ΔMi ≈ μ(ξi ,ηi )Δσ i (i = 1,2,L,n)
3º 求和
n
n
∑ ∑ M
=
ΔMi
i =1
≈
μ(ξi ,ηi )Δσ i
i =1
. y
4º 取极限
令 λ = 1m≤ia≤xn{di }, 则有
n
O
∑ M
i =1
μ (ξi , ηi )Δσ i
.
(二) 重积分的有关概念
定义9.1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 ΔD1， ΔD2 , …, ΔDn , 设Δσi表示第i个小闭区域 ΔDi 的面积，在每个ΔDi 上任取一点
(ξi ,ηi ) ∈ ΔDi ,
第九章重积分
本章基本要求
1. 理解二重积分的概念，了解三重积分概念，了解重积分的性质.
2. 掌握二重积分的计算方法（直角坐标、极坐标），会计算简单的三重积分（直角坐标、柱面坐标，*球面坐标）.
第一节
第九章

重积分教案讲义

重积分教案讲义重积分教案讲义第一节二重积分的概念与性质与定积分类似，二重积分的概念也是从实践中抽象出来的，它是定积分的推广，其中的数学思想与定积分一样，也是一种“和式的极限”.所不同的是：定积分的被积函数是一元函数，积分范围是一个区间；而二重积分的被积函数是二元函数，积分范围是平面上的一个区域.它们之间存在着密切的联系，二重积分可以通过定积分来计算.分布图示★曲顶柱体的体积★非均匀平面薄片的质量★二重积分的概念★二重积分的性质★二重积分的中值定理★例1★例2★例3★例4★例5★内容小结★课堂练习★习题9-1★返回内容要点一、二重积分的概念引例1 1 求曲顶柱体的体积；引例2 2 求非均匀平面薄片的质量二重积分的定义二、二重积分的性质性质1—性质6 二重积分与定积分有类似的性质. 性质1 1性质2 2 如果闭区域D 可被曲线分为两个没有公共内点的闭子区域和,则这个性质表明二重积分对积分区域具有可加性. 性质3 3 如果在闭区域 D 上, 为 D 的面积,则这个性质的几何意义是:以D 为底、高为1 的平顶柱体的体积在数值上等于柱体的底面积. 性质 4 4 如果在闭区域 D 上,有则特别地,有性质5 5设分别是在闭区域D 上的最大值和最小值,为D 的面积,则这个不等式称为二重积分的估值不等式. . ) , ( ) , ( )] , ( ) , ( [D D Dd y x g d y x f d y x g y x f 1D2D. ) , ( ) , ( ) , (2 1 D D Dd y x f d y x f d y x f , 1 ) , ( y x f. 1 D Dd d), , ( ) , ( y x g y x f . ) , ( ) , ( D Dd y x g d y x f . | ) , ( | ) , ( D Dd y x f d y x f m M, ) , ( y x f . ) , ( M d y x f mD例题选讲二重积分的性质例例1 1 不作计算，估计的值，其中是椭圆闭区域：. 解区域D 的面积在上由性质6 知例例2 2 （E01 ）估计二重积分的值,其中积分区域为矩形闭区域 . 解积分区域面积在上的最大值最小值故例例3 3 判断的符号. 解当时，d e IDy x) (2 2D__byax) 0 ( a b , abD , 02 2 2a y x , 12 2 20 a y xe e e ,2 2 2) ( aDy xe d e .2 2 2) ( aDy xe ab d e abD xy y xdI16 22 2 D } 2 0 , 1 0 | ) , {( y x y x,16 ) (1) , (2y xy x f , 2 D ) , ( y x f ), 0 (41 y x M ), 2 , 1 (514 312 2 y x m4252 I . 5 . 0 4 . 0 I12 2) ln(y x rdxdy y x ) 1 ( r1 | | | | y x r , 1 |) | | (| 02 2 2y x y x故又当时，于是例例4 4 积分有怎样的符号,其中解例例5(E02)比较积分与的大小，其中区域D 是三角形闭区域，三顶点各为(1,0),(1,1),(2,0). 解三角形斜边方程在内有故于是因此课堂练习1.将二重积分定义与定积分定义进行比较,找出它们的相同之处与不同之处.2.试用二重积分表示极限; 0 ) ln(2 2 y x1 | | | | y x , 0 ) ln(2 2 y x. 0 ) ln(1 | | | |22 y x rdxdy y xdxdy y xD32 21 . 4 :2 2 y xD Ddxdy y x32 21 3 132 2132 22 2 2 21 1y x y xdxdy y x dxdy y x 4 332 22 21y xdxdy y x 3 __ 2 2 21 1 0 1y x y xdxdy dxdy) 2 1 ( ) 3 4 )( 2 (3 3Dd y x )ln(Dd y x 2)] [ln(, 2 y x D , 2 1 e y x , 1 ) ln( 0 y x, )] [ln( ) ln(2y x y x . )] [ln( ) ln(2 D Dd y x d y x .1lim1 1222 2ninjnj inen。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

第九章重积分
教学目的：
1、理解二重积分、三重积分的概念，了解重积分的性质，知道二重积分的中值定理。
2、掌握二重积分的（直角坐标、极坐标）计算方法。
3、掌握计算三重积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算方法。
4、会用重积分求一些几何量与物理量（平面图形的面积、体积、重心、转动惯量、引力等）。
教学重点：积分的（直角坐标、柱面坐标、球面坐标）计算。
3、二、三重积分的几何应用及物理应用。
教学难点：
1、利用极坐标计算二重积分；
2、利用球坐标计算三重积分；
3、物理应用中的引力问题。