第二十一章 二重积分
高中数学(人教版)二重积分的变量变换课件
t 从 变到 时, 对应于 LD 的正向, 林公式, 取 P ( x , y ) 0, Q ( x , y ) x , 有
若规定
( D) L x dy x(t ) y(t )dt
D
y y x( u( t ), v ( t )) u( t ) v ( t ) dt . (6) v u
y
变换
u u x 2, y . v v
yx
D
y x
y 2 nx y 2 mx
它把 xy 平面上的区域 D 对应到 uv 平面上的矩形
[m , n] [ , ].
O
图 21 25
x
§4 二重积分的变量变换
变量变换公式
极坐标变换
广义极坐标变换
由于
y
1 v2 J (u , v ) 1 v
变量变换公式
极坐标变换
广义极坐标变换
当
X
f ( x )dx
(X)
1
f ( ( t )) ( t )dt .
(2))时, (1)式可写成
f ( x )dx
(X)
1
故当
X
f ( ( t )) ( t )dt .
(3)
( t ) 为严格单调且连续可微时, (2)式和(3)式可
所以 把
下的一般证明, 将在本章§9 中给出. ) 由于 T 是一对一变换, 且
内点变为 D 的内点,
的按段光滑边界曲线 也变换为 D 的按段光滑边界曲线 . LD
L 的参数方程为 u u( t ), v v ( t ) ( t ).
《数学分析》第二十一章 二重积分 5
o
f ( r ,θ )dθ .
θ = arccos
r a
练习题
一,填空题: 填空题: 1 , 将 ∫∫ f ( x , y )dxdy , D 为 x 2 + y 2 ≤ 2 x , 表示为极坐
D
标形式的二次积分, 标形式的二次积分,为_____________________. 2 , 将 ∫∫ f ( x , y )dxdy , D 为 0 ≤ y ≤ 1 x , 0 ≤ x ≤ 1, 表
D
= ∫ dθ ∫
α
β
2 (θ )
1 (θ )
f ( r cosθ , r sinθ )rdr .
二重积分化为二次积分的公式( 二重积分化为二次积分的公式(2)
区域特征如图
r = (θ )
α ≤θ ≤ β,
0 ≤ r ≤ (θ ).
β
o
D
α
A
∫∫ f ( r cosθ , r sinθ )rdrdθ
例2
计算 ∫∫ e
D
x2 y2
dxdy ,其中 D 是由中心在
原点, 的圆周所围成的闭区域. 原点,半径为a 的圆周所围成的闭区域
解
在极坐标系下
D: D: 0 ≤ r ≤ a ,0 ≤ θ ≤ 2π .
∫∫ e
D
x2 y2
dxdy = ∫ dθ∫ e
0 0
2π
a
r2
rdr
= π(1 e
a2
D 1
sin( π x 2 + y 2 ) sin( π x 2 + y 2 ) ∫∫ x 2 + y 2 dxdy = 4 ∫∫ x 2 + y 2 dxdy D1 D
二重积分概念
？
o
x
z z R2 x 2 y 2
R
y
例1. 设由锥面 解: 所求体积可以看成 是两个曲顶柱体的 体积之差.
和球面
所围成 , 请用二重积分表示的体积.
z 2
V 4 x y d
2 2 D
D
x y d
2 2
D
o x
y
直角坐标系下的面积元素 如果 f ( x , y ) 在D上可积, 可用平行坐标轴的直线来划 分区域D , 这时 记作： d xd y 则面积元素为： d 二重积分记作：
的点集是平ห้องสมุดไป่ตู้上的有界点集,即存在一矩形R ，使得P R .
设 P 是一平面有界图形, 用平行于坐标轴的某一
组直线网 T 分割这个图形 (图21-1) , 这时直线网 T
的网眼 (小闭矩形) i 可分为三类: (i) i 上的点都是 P 的内点;
y
P
(ii) i 上的点都是 P 的外点, 即
所以也有 S K (T ) . 由上述推论, P 的边界K 的面积 为零.
定理21.3 若曲线 K 为定义在 [a , b] 上的连续函数
f ( x ) 的图象, 则曲线 K 的面积为零.
推论1 参量方程 x ( t ), y ( t ) ( t ) 所表 示的光滑曲线或按段光滑曲线,其面积一定为零. 推论2 由平面光滑曲线或按段光滑曲线所围的平面 图形都是可求面积的.
曲顶柱体的体积
( i ,i )
i
f ( i , i ) i . V lim 0
i 1
为各小闭区域的直径的最大者.
２．求平面薄片的质量 有一个平面薄片, 在 xoy 平面上占有区域 D , 其面密 度为 计算该薄片的质量 M . (常数) 设D 的面积为 , 则M 若 非常数 , 仍可用 “大化小,常代变,近似和, o 求极限” 解决.
数学分析课本-习题及答案第二十一章
第十一章 重积分§1 二重积分的概念1.把重积分⎰⎰D xydxdy 作为积分和的极限,计算这个积分值,其中D=[][]1,01,0⨯,并用直线网x=n i ,y=nj (i,j=1,2,…,n-1)分割这个正方形为许多小正方形,每一小正方形取其右上顶点为其界点.2.证明:若函数f 在矩形式域上D 可积,则f 在D 上有界.3.证明定理:若f 在矩形区域D 上连续,则f 在D 上可积.4.设D 为矩形区域,试证明二重积分性质2、4和7.性质2 若f 、g 都在D 上可积,则f+g 在D 上也可积,且()⎰+D g f =⎰⎰+D D g f . 性质4 若f 、g 在D 上可积,且g f ≤,则 ⎰⎰≤D Dg f , 性质7(中值定理) 若f 为闭域D 上连续函数,则存在()D ,∈ηξ,使得()D ,f f D∆ηξ=⎰. 5.设D 0、D 1和D 2均为矩形区域,且210D D D =,∅=11D int D int , 试证二重积分性质3.性质3(区域可加性) 若210D D D =且11D int D int ∅=,则f 在D 0上可积的充要条件是f 在D 1、D 2上都可积,且⎰0D f =⎰⎰+21D D f f , 6.设f 在可求面积的区域D 上连续,证明:(1)若在D 上()0y ,x f ≥,()0y ,x f ≠则0f D>⎰; (2)若在D 内任一子区域D D ⊂'上都有⎰'=D 0f ,则在D 上()0y ,x f ≡。
.7.证明:若f 在可求面积的有界闭域D 上连续,,g 在D 上可积且不变号,则存在一点()D ,∈ηξ,使得()()⎰⎰D dxdy y ,x g y ,x f =()ηξ,f ()⎰⎰Ddxdy y ,x g .8.应用中值定理估计积分⎰⎰≤-++10y x 22ycos x cos 100dxdy 的值§2 二重积分的计算1.计算下列二重积分:(1)()⎰⎰-Ddxdy x 2y ,其中D=[][]2,15,3⨯;(2)⎰⎰D2dxdy xy ,其中(ⅰ)D=[][]3,02,0⨯,(ⅱ)D=[]3,0 []2,0⨯; (3)()⎰⎰+Ddxdy y x cos ,其中D=[]π⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡π,02,0; (4)⎰⎰+D dx dy x y 1x ,其中D=[][]1,01,0⨯. 2. 设f(x,y)=()()y f x f 21⋅为定义在D=[]⨯11b ,a []22b ,a 上的函数,若1f 在[]11b ,a 上可积,2f 在[]22b ,a 上可积,则f 在D 上可积,且⎰D f =⎰⎰⋅1122b a b a 21f f . 3.设f 在区域D 上连续,试将二重积分()⎰⎰Ddxdy y ,x f 化为不同顺序的累次积分:(1)D 由不等式x y ≤,a y ≤,b x ≤()b a 0≤≤所确的区域:(2)D 由不等式222a y x ≤+与a y x ≤+(a>0)所确定的区域;(3)D=(){}1,≤+y x y x .4.在下列积分中改变累次积分的顺序:(1) ()⎰⎰20x 2x dy y ,x f dx ; (2) ()⎰⎰----11x 1x 122dy y ,x f dx ; (3)()⎰⎰10x 02dy y ,x f dy +()()⎰⎰-31x 3210dy y ,x f dx .5.计算下列二重积分:(1)⎰⎰D2dxdy xy ,其中D 由抛物线y=2px 与直线x=2p (p>0)所围的区域; (2)()⎰⎰+D 22dxdy y x,其中D=(){1x 0y ,x ≤≤, y x ≤ }x 2≤; (3)⎰⎰-D x a 2dx dy (a>0),其中D 为图(20—7)中的阴影部分； (4)⎰⎰Ddxdy x ,其中D=(){}x y x y ,x 22≤+; (5)⎰⎰D dxdy xy ,其中为圆域222a y x ≤+.6.写出积分()⎰⎰ddxdy y ,x f 在极坐标变换后不同顺序的累次积分:(1)D 由不等式1y x 22≤+,x y ≤,0y ≥所确定的区域;(2)D 由不等式2222b y x a ≤+≤所确定的区域;(3)D=(){}0x ,y y x y ,x 22≥≤+.7.用极坐标计算二重积分: (1) ⎰⎰+D22dxdy y x sin ,其中D=(){222y x y ,x +≤π }24π≤; (2)()⎰⎰+Ddxdy y x ,其中D=(){}y x y x y ,x 22+≤+; (3)()⎰⎰+'D22dxdy y x f ,其中D 为圆域222R y x ≤+.8.在下列符号分中引入新变量后,试将它化为累次积分:(1) ()⎰⎰--20x 2x 1dy y ,x f dx ,其中u=x+y,v=x-y;(2) ()dxdy y ,x f D⎰⎰,其中D=(){a y x y ,x ≤+,0x ≥, }0y ≥,若x=v cos U 4, v sin U y 4=.(3)()⎰⎰dxdy y ,x f ,其中D=(){a y x y ,x ≤+,0x ≥, }0y ≥,若x+y=u,y=uv.9.求由下列曲面所围立体V 的体积:(1) v 由坐标平面及x=2,y=3,x+y+Z=4所围的角柱体;(2) v 由z=22y x +和z=x+y 围的立体; (3) v 由曲面9y 4x Z 222+=和2Z=9y 4x 22+所围的立体.11.试作适当变换,计算下列积分:(1)()()⎰⎰-+Ddxdy y x sin y x ,D=(){π≤+≤y x 0y .x }π≤-≤y x 0;(2)⎰⎰+D y x y dxdy e,D=(){1y x y ,x ≤+,0x ≥,}0y ≥.12.设f:[a,b]→R 为连续函数,应用二重积分性质证明:()≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎰2b a dx x f ()()⎰-b a 2dx x f a b ， 其中等号仅在f 为常量函数时成立。
数学分析第二十一章课件曲线积分与曲面积分
k f(x ,y ,z )d s k f(x ,y ,z )d s
» A B
» A B
(4) f( x ,y ,z ) d s f( x ,y ,z ) d s f( x ,y ,z ) d s
» A B
» A C
C » B
2020/6/1
例1
设L 是椭圆
x2 a2
y b
2
在2 第1 一象限部分，
f( x ,y ,z ) d s f( x ,y ,z x ,y )1 z x 2 x ,y z 2 y x ,y d x d y
S
D x y
2020/6/1
当 S : x x ( u , v ) ,y y ( u , v ) , z z ( u , v ) , ( u , v ) D 时
第二十一章 曲线积分与曲面积分
2020/6/1
i §1. 第一型曲线积分与曲面积分
背景：前面，求几何体的质量 1.第一型曲线曲、面积分
我们的问题是,设有空间的曲线段L，其上每点有线性密度, 如何
求其质量为简单起见,设空间曲线段L是可以求长的,其端点为A,B又设
密度函数f (x, y, z) 在曲线L上连续,我们来求这曲线段L的质量.
说明 1）公式的记忆：“代进去”
2）S的方程为xxy,z,y,zDyz或 y yz,x, z,xDzx 时公式如何
3）当 f(x,y,z)1时，为曲面S的面积公式
4)当光滑曲面S由参数方程：x x u ,v ,y y (u ,v ),z (u ,v ),u,vD
时面积元素 ds EGF2dudv 这时
f( x ,y ,z ) d s f( x ( u ,v ) ,y u ,v ,z u ,v )E G F 2 d u d v
二重积分概念及计算
x
( 2) f ( x , y ) f ( x , y ), 则 D f ( x , y ) d 0
当区域关于 y 轴对称, 函数关于变量 x 有奇偶性时, 仍 有类似结果.
在第一象限部分, 则有
D ( x y) d x d y 0
4 ( x 2 y 2 ) d x d y
则有
D f ( x, y) dx d y
b
y
d x
a
2 ( x)
1 ( x)
d
y 2 ( x) x 2 ( y)
f ( x, y ) d y
f ( x, y ) d x
x 1 ( y)
d y
c
d
2 ( y)
1 ( y)
D y y 1 ( x) c o a x bx
则可按如下二次积分计算：
x
D
f ( x, y) d
[
c
d c
d
2 ( y)
1( y)
f ( x, y ) d x ]d y
f ( x, y ) d x
dy
2 ( y)
1 ( y)
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【注】 ④ 若积分区域既是X–型区域又是Y–型区域
x 用任意曲线网分D 为 n 个小区域 1, 2 , , n ,
相应把薄片也分为小区域 .
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2)―常代变” 在每个 k 中任取一点 ( k ,k ),则第 k 小块的质量
3)―近似和”
y
( k , k ) k
数学分析第二十一章重积分第一次课
的面积为零. 定理21.3 若曲线K是定义在[a, b]上的连续函数f ( x)的图象,
则曲线K的面积为零.
证明 由于f ( x)在[a, b]上连续, 从而在[a, b]上一致连续.
0, 0, 使当分划a x0 xn b满足 max {xi } 时,
yk mik yk f (i , y )dy M ik yk . yk 1 s s d 因此 mik yk F (i ) c f (i , y )dy M ik yk , k 1 k 1 r s r r s mik yk xi F (i )xi M ik yk xi . i 1k 1 i 1 i 1k 1 r 由f ( x, y )的可积性得 lim F (i )xi f ( x, y )d . D T 0 i 1 r b b d 由定积分定义得 lim F (i )xi F ( x)dx dx f ( x, y )dy. a a c T 0 i 1 b d D f ( x, y)dxdy a dx c f ( x, y)dy.
和式S (T )
i 1
M i i , s(T ) mi i , 分别称为f ( x, y )关于分割
i 1
n
n
T的上和与下和 定理21.4 f ( x, y )在D上可积的充要条件是 : lim S (T) lim s(T).
T 0 T 0
定理21.5 f ( x, y )在D上可积的充要条件是 : 0, D的 某个分割T, 使得 S (T ) s (T ) . 定理21.6 有界闭区域D上的连续函数必可积. 定理21.7 设f ( x, y )是定义在有界闭区域D上的有界函数.
二重积分的概念-与性质
D
中值定理的几何意义：当 f (x ，y) 0 时，曲顶柱体的体积等于以 D 为底，以 D 上某点 ( ，) 处的值 f ( ，) 为高的平顶柱体的体积．
1.3 二重积分的性质
性质 8（偶倍奇零）
（1）设 f (x ，y) 在有界闭区域 D 上连续，区域 D 关于 x 轴对称．那么，当 f (x ，y)
f (x ，y)d f (x ，y)dxdy ．
D
D
其中， dxdy 称为直角坐标系中的面积元素．
结论 在 xOy 平面有界闭区域上定义的二元连续函数是可积的．
1.2 二重积分的几何意义
在 xOy 平 面 的 有 界 闭 区 域 D 上 ， 如 果 有 界 函 数 f (x ，y) 0 ， 则 二 重 积 分
对于平顶柱体，其体积等于底面积乘以高．对于曲顶柱体， 其高度 f (x ，y) 是 x，y 的函数，即曲顶柱体的高度不是常数，所 以不能用计算平顶柱体体积的公式来计算曲顶柱体的体积．那么 如何解决这个问题呢？我们可以用之前求曲边梯形面积的方法来 试试，具体过程如下．
1.1 二重积分的概念
（1）分割：用任意一组曲线网把区域 D 分割为 n 个小闭区域 i (i 1，2， ，n) ， 小闭区域的面积记作 i (i 1，2， ，n) ，小闭区域 i 上任意两点间距离的最大值称为 该小闭区域的直径，记为 di (i 1，2， ，n) ，每个小闭区域对应着一个小的曲顶柱体， 它们的体积记作 Vi (i 1，2， ，n) ．
（3）如果 D 关于原点对称， (x ，y) D ，则有
0 ，
f (x ， y) f (x ，y) ，
f (x ，y)d
D
2
21.8 反常二重积分 数学分析课件(华师大 四版) 高教社ppt 华东师大教材配套课件
*点击以上标题可直接前往对应内容定义1设(,)f x y 为定义在无界区域D 上的二元函数. 若对于平面上任一包围原点的光滑封闭曲线,γ(,)f x y γE γ在曲线所围的有界区域与D 的交集E D D γγ= (图21-42)上二重可积.{}22min(,).d x yx y γγ=+∈若存在有限极限:xy2142-图γOE γDDγ令定义1lim (,)d ,d D f x y γγσ→∞⎰⎰γ且与的取法无关, 重积分收敛, (,)d lim (,)d ;(1)d DD f x y f x y γγσσ→∞=⎰⎰⎰⎰否则称(,)f x y 在D 上的反常二重积分发散, 或简(,)d Df x y σ⎰⎰发散.称(,)f x y 在D 上的反常二则称并记定理21.17为一列包围原点的光滑封闭曲线序列,{}22(i)inf(,)();n n d x yx y n γ=+∈→+∞→∞(ii)sup (,)d ,nnD I f x y σ=<+∞⎰⎰,n n DE D = n γn E 其中为所围的有界区域.常二重积分(1) 必定收敛, (,)d .Df x y I σ=⎰⎰设在无界区域D 上(,)0,f x y ≥12,,,γγ ,n γ 满足这时反并且,E '的区域记为.D E D ''= 并记→∞=+∞lim ,n x d 因为.n D D D '⊂⊂因此存在n , 使得≥(,)0,f x y 由于所以有(,)d (,)d .nD D f x y f x y I σσ'≤≤⎰⎰⎰⎰另一方面，因为sup (,)d ,nnD I f x y σ=⎰⎰0,ε>0,n 故对任给的总有证设'γ为任何包围原点的光滑封闭曲线,它所围成使得(,)d .nD f x y I σε>-⎰⎰(,)d .D f x y I σε'>-⎰⎰再由(,)d ,D I f x y I εσ'-<≤⎰⎰由定理21.17 的证明容易看到有以下定理:0,n D D '⊃因而对于充分大的有可知反常二重积分(,)d Df x y σ⎰⎰存在, 且等于I .定理21.18若在无界区域D 上(,)0,f x y ≥则反常二重积分(1) 收敛的充要条件是：上(,)f x y 可积，且积分值有上界.例1证明反常二重积分22()e d x y Dσ-+⎰⎰收敛,=+∞⨯+∞[0,)[0,).D 部分. 证设是以原点为圆心R 为半径的圆在第一象限R D 在D 的任何有界子区域其中D 为第一象限部分, 即22()e0,x y -+>所以二重积分因为22()e d Rx y D σ-+⎰⎰的值随着R 的增大而增大.22()ed Rx y D σ-+⎰⎰所以22()lim ed Rx y R D σ-+→∞⎰⎰显然对D 的任何有界子区域,D '总存在足够大的R , 使得,R D D '⊂于是22()ed x y D σ-+'⎰⎰又因2220πd e d (1e ),4Rr R r r θπ--==-⎰⎰2lim (1e ).44R R ππ-→∞=-=22()ed Rx y D σ-+≤⎰⎰π.2≤2ed .x σ+∞-⎰的值为此, 考察=⨯[0,][0,]a S a a 上的积分22()ed .a x y S σ-+⎰⎰因为-+⎰⎰22()e d ax y S σ--=⎰⎰22ed ed aax y x y ()22e d ,axx -=⎰因此由定理21.17, 反常二重积分22()e d x y Dσ-+⎰⎰收敛，并且由定理21.16有22()πe d .(2)4x y Dσ-+=⎰⎰由(2) 式还可推出在概率论中经常用到的反常积分故得2ed .2x x π+∞-=⎰下面的例子是应用反常二重积分补证第十九章中有例2 证明: 若0,0,p q >>则()()(,).()p q p q p q ΓΓB Γ=+Γ=2,x u d 2d ,x u u =证对于函数, 令则于是21210()e d 2e d .p xp u p xx uu Γ+∞+∞----==⎰⎰从而2221210()()4ed ed p xq y p q xx yyΓΓ+∞+∞----=⋅⎰⎰关函数与Γ函数的联系公式.B 2221210lim4ed e d .RR p x q y R xx yy ----→∞=⋅⎰⎰令=⨯[0,][0,],R D R R 由二重积分化为累次积分的计算公式, 222121()ed Rp q x y D xyσ---+⎰⎰所以222121()()()lim 4ed Rp q x y R D p q xyσΓΓ---+→∞=⎰⎰222121()4ed ,(4)p q x y Dxyσ---+=⎰⎰式右边的反常二重积分,记这里为平面上第一象限.D {}222(,)|,0,0.r D x y x y r x y =+≤≥≥有2221210ed e d .RRp x q y xx yy ----=⋅⎰⎰和例1 一样,下面讨论(4)于是有222121()()()4ed ,p q x y Dp q xyσΓΓ---+=⎰⎰222121()lim4ed .rp q x y r D xyσ---+→∞=⎰⎰对上式积分应用极坐标变换，+----→∞=⎰⎰22()22121200()()lim4d (cos )(sin )e d .rp q p q r r p q rr r πθθθΓΓ221212()120lim 2(cos )(sin )d 2e d rp q p q r r rrπθθθ--+--→∞=⋅⎰⎰2121202(cos )(sin )d ().p q p q πθθθΓ--=⋅+⎰再由第十九章§3 的(10) 式就得到()()(,)().p q p q p q ΓΓB Γ=+则得定理21.19(,)f x y D 设在无界区域的任何有界子区域上证(只证充分性) 设⎰⎰|(,)|d Df x y σ收敛于M .作辅|(,)|(,)(,),2f x y f x y f x y ++=|(,)|(,)(,).2f x y f x y f x y --=可积. 要条件是:助函数:|(,)|d D f x y σ⎰⎰收敛.反常二重积分收敛的充则反常二重积分(,)d Df x y σ⎰⎰显然有0(,)|(,)|,0(,)|(,)|,f x y f x y f x y f x y +-≤≤≤≤因而任给有界区域,D σ⊂恒有(,)d |(,)|d ,f x y f x y M σσσσ+≤=⎰⎰⎰⎰(,)d |(,)|d .f x y f x y M σσσσ-≤=⎰⎰⎰⎰+(,)f x y -(,)f x y 所以与在D 上的反常二重积分都收敛.+-=-(,)(,)(,),f x y f x y f x y 所以(,)f x y 在D 上的反常二重积分也收敛.又因关于必要性的证明, 有兴趣的读者可参阅菲赫金哥尔茨著的微积分学教程第三卷第一分册.注对于反常定积分, 绝对收敛的反常积分一定收敛,反之不然.分一定收敛, 反之亦然.为直线上的点是有序的, 而在平面上的点是无序的.而在反常二重积分中, 绝对收敛的反常积出现这种区别的原因, 是因定理21.20 (柯西判别法)=+22.r x y (i)若当r 足够大时, |(,)|(),p cf x y c r≤为正常数2p >⎰⎰(,)d Df x y σ则当时, 反常二重积分收敛；(,)f x y |(,)|,p cf x y r≥(ii) 若在D 上满足其中D 包含有以原点为顶点的无限扇形区域,反常二重积分⎰⎰(,)d Df x y σ发散.(,)f x y 设在无界区域D 的任何有界子区域上可积,D 中的点(,)x y 到原点的距离为2p ≤则当时定义2设P 为有界区域D 的一个聚点，(,)f x y 在D 上除(,)f x y D -∆在上可积, →-⎰⎰0lim (,)d d D f x y σ∆若极限∆存在且有限, 并与的取法无关, 无界函数的二重积分点外皆有定义, 且在的任何空心邻域内无界,P P 为D 中任何含有P 的小区域，∆∆的直径. 又设d 表示上的反常二重积分收敛,0(,)d lim(,)d ;d DD f x y f x y σσ∆→-=⎰⎰⎰⎰(,)f x y 在D 则称记作(,)d Df x y σ⎰⎰否则称反常积分发散.与无界区域上的反常重积分一样，常重积分也可建立相应的收敛性定理.也与定理21.20类同, 请读者自证.对无界函数的反其证明方法定理21.21 (柯西判别法)定义, 则下面两个结论成立:(i) 若在点P 的附近有(,),cf x y r α≤其中c 为常数，2200()(),r x x y y =-+-则当<2α(,)d D f x y σ⎰⎰时, 反常二重积分收敛;设在有界区域D 上除点00(,)P x y 外处处有(,)f x y P 是它的瑕点, 点(,),cf x y rα≥且D 含有以点P 为顶点的角形区域, 反常二重积分(,)d Df x y σ⎰⎰发散.(ii)若在点P 的附近有≥2α时, 则当复习思考题总结反常定积分与反常二重积分有哪些相同与不同之处.数学分析第二十一章重积分高等教育出版社。
二重积分概念
D
积分中值定理的几何意义: 在 D 上, 以 z f ( x , y)
( f ( x , y) 0) 为顶的曲顶柱体体积,等于一个同底 的平顶柱体的体积, 这个平顶柱体的高等于 f ( x , y)
在 D 中某点 ( , ) 处的函数值 f ( , ).
设 P 是一平面有界图形, 用平行于坐标轴的某一
组直线网 T 分割这个图形 (图21-1) , 这时直线网 T
的网眼 (小闭矩形) i 可分为三类: y
(i) i 上的点都是 P 的内点;
P
(ii) i 上的点都是 P 的外点, 即
i P ;
O
x
图 21 1
(iii) i 上含有 P 的边界点. 将所有属于第(i) 类小矩形 y
D
例如 ？ R2 x2 y2d
x2 y2 R2
n
D
f ( x, y)d lim 0 i1
f (i , i ) i
o xD
y
(i ,i )
i
z
o D x
(i ,i ) y
i
z f (x, y)
例如 ？ R2 x2 y2d x2 y2 R2
定义2 设 f ( x , y) 是定义在可求面积的有界闭域 D
上的函数. J 是一个确定的实数, 若对任给的正数 ,
总存在某个正数 , 使对于 D 的任何分割 T, 当它的
细度 || T || 时, 属于 T 的所有积分和都有
n
f (i , i ) i J ,
求曲顶柱体的体积采用 “分割、近似、求和、 取极限”的方法，如下动画演示．
数学分析课本(华师大三版)-习题及答案第二十一章
第十一章 重积分§1 二重积分的概念1.把重积分⎰⎰D xydxdy 作为积分和的极限,计算这个积分值,其中D=[][]1,01,0⨯,并用直线网x=n i ,y=nj (i,j=1,2,…,n-1)分割这个正方形为许多小正方形,每一小正方形取其右上顶点为其界点.2.证明:若函数f 在矩形式域上D 可积,则f 在D 上有界.3.证明定理(20.3):若f 在矩形区域D 上连续,则f 在D 上可积.4.设D 为矩形区域,试证明二重积分性质2、4和7.性质2 若f 、g 都在D 上可积,则f+g 在D 上也可积,且()⎰+D g f =⎰⎰+D D g f . 性质4 若f 、g 在D 上可积,且g f ≤,则 ⎰⎰≤D Dg f , 性质7(中值定理) 若f 为闭域D 上连续函数,则存在()D ,∈ηξ,使得()D ,f f D∆ηξ=⎰. 5.设D 0、D 1和D 2均为矩形区域,且210D D D =,∅=11D int D int , 试证二重积分性质3.性质3(区域可加性) 若210D D D =且11D int D int ∅=,则f 在D 0上可积的充要条件是f 在D 1、D 2上都可积,且⎰0D f =⎰⎰+21D D f f , 6.设f 在可求面积的区域D 上连续,证明:(1)若在D 上()0y ,x f ≥,()0y ,x f ≠则0f D>⎰; (2)若在D 内任一子区域D D ⊂'上都有⎰'=D 0f ,则在D 上()0y ,x f ≡。
.7.证明:若f 在可求面积的有界闭域D 上连续,,g 在D 上可积且不变号,则存在一点()D ,∈ηξ,使得()()⎰⎰D dxdy y ,x g y ,x f =()ηξ,f ()⎰⎰Ddxdy y ,x g .8.应用中值定理估计积分⎰⎰≤-++10y x 22ycos x cos 100dxdy 的值§2 二重积分的计算1.计算下列二重积分:(1)()⎰⎰-Ddxdy x 2y ,其中D=[][]2,15,3⨯;(2)⎰⎰D2dxdy xy ,其中(ⅰ)D=[][]3,02,0⨯,(ⅱ)D=[]3,0 []2,0⨯; (3)()⎰⎰+Ddxdy y x cos ,其中D=[]π⨯⎥⎦⎤⎢⎣⎡π,02,0; (4)⎰⎰+D dx dy x y 1x ,其中D=[][]1,01,0⨯. 2. 设f(x,y)=()()y f x f 21⋅为定义在D=[]⨯11b ,a []22b ,a 上的函数,若1f 在[]11b ,a 上可积,2f 在[]22b ,a 上可积,则f 在D 上可积,且⎰D f =⎰⎰⋅1122b a b a 21f f . 3.设f 在区域D 上连续,试将二重积分()⎰⎰Ddxdy y ,x f 化为不同顺序的累次积分:(1)D 由不等式x y ≤,a y ≤,b x ≤()b a 0≤≤所确的区域:(2)D 由不等式222a y x ≤+与a y x ≤+(a>0)所确定的区域;(3)D=(){}1,≤+y x y x .4.在下列积分中改变累次积分的顺序:(1) ()⎰⎰20x 2x dy y ,x f dx ; (2) ()⎰⎰----11x 1x 122dy y ,x f dx ; (3)()⎰⎰10x 02dy y ,x f dy +()()⎰⎰-31x 3210dy y ,x f dx .5.计算下列二重积分:(1)⎰⎰D2dxdy xy ,其中D 由抛物线y=2px 与直线x=2p (p>0)所围的区域; (2)()⎰⎰+D 22dxdy y x,其中D=(){1x 0y ,x ≤≤, y x ≤ }x 2≤; (3)⎰⎰-D x a 2dx dy (a>0),其中D 为图(20—7)中的阴影部分； (4)⎰⎰Ddxdy x ,其中D=(){}x y x y ,x 22≤+; (5)⎰⎰D dxdy xy ,其中为圆域222a y x ≤+.6.写出积分()⎰⎰ddxdy y ,x f 在极坐标变换后不同顺序的累次积分:(1)D 由不等式1y x 22≤+,x y ≤,0y ≥所确定的区域;(2)D 由不等式2222b y x a ≤+≤所确定的区域;(3)D=(){}0x ,y y x y ,x 22≥≤+.7.用极坐标计算二重积分: (1) ⎰⎰+D22dxdy y x sin ,其中D=(){222y x y ,x +≤π }24π≤; (2)()⎰⎰+Ddxdy y x ,其中D=(){}y x y x y ,x 22+≤+; (3)()⎰⎰+'D22dxdy y x f ,其中D 为圆域222R y x ≤+.8.在下列符号分中引入新变量后,试将它化为累次积分:(1) ()⎰⎰--20x 2x 1dy y ,x f dx ,其中u=x+y,v=x-y;(2) ()dxdy y ,x f D⎰⎰,其中D=(){a y x y ,x ≤+,0x ≥, }0y ≥,若x=v cos U 4, v sin U y 4=.(3)()⎰⎰dxdy y ,x f ,其中D=(){a y x y ,x ≤+,0x ≥, }0y ≥,若x+y=u,y=uv.9.求由下列曲面所围立体V 的体积:(1) v 由坐标平面及x=2,y=3,x+y+Z=4所围的角柱体;(2) v 由z=22y x +和z=x+y 围的立体; (3) v 由曲面9y 4x Z 222+=和2Z=9y 4x 22+所围的立体.11.试作适当变换,计算下列积分:(1)()()⎰⎰-+Ddxdy y x sin y x ,D=(){π≤+≤y x 0y .x }π≤-≤y x 0;(2)⎰⎰+D y x y dxdy e,D=(){1y x y ,x ≤+,0x ≥,}0y ≥.12.设f:[a,b]→R 为连续函数,应用二重积分性质证明:()≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎰2b a dx x f ()()⎰-b a 2dx x f a b ， 其中等号仅在f 为常量函数时成立。
二重积分的计算2
作业
P154 1(2),(4), 2(2), (3) , 4 (1),(3), 5, 6 (1),(3) , 10 P155 11(2),(4), 12(1), (3) , 13 (1),(3), 14 (1),(3), 15 (1),(4) , 18
[
]
例2. 计算
∫∫D xydσ, 其中D 是抛物线
o −1
及直线
y 2 y2 = x 解: 为计算简便, 先对 x 后对 y 积分, y
所围成的闭区域.
则
y2 ≤ x ≤ y + 2 D: −1 ≤ y ≤ 2
∴ ∫∫ xydσ = ∫ dy∫
D
D
2
y +2
2
y = x−2
4 x
=∫
2 1 2 y+2 x y 2 dy y −1 2
[
−1
]
y
xy d x
1 2 = ∫ [ y( y + 2)2 − y5] dy 2 −1
例3. 求两个底圆半径为 的直角圆柱面所围的体积 求两个底圆半径为R 的直角圆柱面所围的体积. 解: 设两个直圆柱方程为
x2 + y2 = R2, x2 + z2 = R2
利用对称性, 考虑第一卦限部分, 其曲顶柱体的顶为 z = R2 − x2
+∞ −x2 e 0
dx =
π
①
事实上, 当D 为 R2 时,
2
利用例7的结果, 得
=π
故①式成立 .
例8. 将球体
2 2 被圆柱面 x + y = 2 ax
所截得的(含在柱面内的)立体的体积用极坐标 下的二次积分表示出来. π z 解: 设 D : 0 ≤ r ≤ 2a cosθ , 0 ≤θ ≤ 2 由对称性可知
数学分析课本(华师大三版)-习题及答案第二十一章(20200511214824)
第十一章重积分§ 1二重积分的概念1•把重积分. .xydxdy作为积分和的极限，计算这个积分值，其中D=l0,1】0,1】,并用直线D「i j网x= ,y= (i,j=1,2,…,n-1)分割这个正方形为许多小正方形，每一小正方形取其右上顶点为n n其界点•2•证明：若函数f在矩形式域上D可积，则f在D上有界•3•证明定理(20.3):若f在矩形区域D上连续，则f在D上可积•4•设D为矩形区域，试证明二重积分性质2、4和7.性质2若f、g都在D上可积，则f+g在D上也可积，且° f g = f °g •性质4若f、g在D上可积，且f _ g ,则岂D g ,性质7(中值定理)若f为闭域D上连续函数，则存在, D，使得D f =f , D5. 设D o、D1和D2均为矩形区域，且D o = D1 D 2, intD j int D j = •一，试证二重积分性质 3.性质3(区域可加性)若D o =D1 D2且int D1int D j —一，则f在D o上可积的充要条件是f在D2上都可积，且6. 设f在可求面积的区域D上连续，证明：(1) 若在D 上f x,y - 0,f x,y - 0则D f 0 ；(2) 若在D内任一子区域D D上都有D f 二0,则在D 上f x,y . = 0。
7・证明：若f在可求面积的有界闭域D上连续,,g在D上可积且不变号，则存在一点, D，使得f x,yg x,y dxdy=f , gx,y dxdy.D D8.应用中值定理估计积分r r dxdy2 2-凶砒o1OO cos x cos y的值§ 2二重积分的计算1.计算下列二重积分：⑴y -2x dxdy,其中D= 3,5】1,2】；D⑵xy2dxdy,其中(i )D= 0,2〕0,3 1( ii )D= 0,3】0,2】；D2.设f(x,y)= f l x f2 y为定义在D= a i, bj ^2, bj上的函数若f l在la i,b」上可积,f2在a2,b21上可积，则f在D上可积,且3. 设f在区域D上连续试将二重积分 f x,y dxdy化为不同顺序的累次积分D(1)D由不等式y-x,y-a,x-b 0-a-b所确的区域⑶!! cosx y dxdy,其中D=D⑷..Dx1 xydxdy，其中D= 0,1 0,11.2 2 2⑵D 由不等式x y _a 与x y <a (a>0)所确定的区域(3)D=如,y )x + y4. 在下列积分中改变累次积分的顺序5. 计算下列二重积分2(1) i ixy dxdy ,其中D 由抛物线y=2px 与直线D⑵ 11 ix 2 y 2 dxdy ,其中 D= ：x,y 0 _ x _1, . x 乞 y 乞 2 一 x [D卄 dxdy(3) .. ------------- (a>0),其中D 为图(20— 7)中的阴影部分;D2a -x⑷ I l -xdxdy ,其中 D='x,y x 2 y 2 乞 x jD(5) Il xydxdy ,其中为圆域 x 2 ya 2.D6.写出积分11 f x,y dxdy 在极坐标变换后不同顺序的累次积分d2 2(1)D 由不等式x y 乞1,y^x ,y-0所确定的区域x(1) 0 dx x f (x,y dy ；11 ^x 2⑵ j d ^_1^2fx,y dy ；⑶ 0dy 0 f x,y dy + dxX 专(p >0)所围的区域；3dy .⑵D由不等式a2 _x2• y2 _b2所确定的区域(3)D= ：x,y x2y2zy,x _0「7•用极坐标计算二重积分：⑴Il si n x2y2dxdy,其中D= ' x, y 二2乞x2y2<4~2'；D(2) x y dxdy,其中D^ x,y x2y2_x y』；曽F rD(3) II「X2• y2dxdy,其中D为圆域x2R2.D8•在下列符号分中引入新变量后，试将它化为累次积分：2 2丄(1) 0 dx f (x, y )dy ,其中u=x+y,v=x-y;(2) i if x,y dxdy ,其中D=，x,y . x y 乞.a , x _ 0 , y _ 0』，若x= U cos4 v ,D4y 二U sin v .(3) i if x,y dxdy，其中D=，x,y x y — a ,x — 0, y — Of,若x+y=u,y=uv.9•求由下列曲面所围立体V的体积：(1) v由坐标平面及x=2,y=3,x+y+Z=4所围的角柱体；2 2 | 一 ,(2) v由z= x * y 和z=x+y围的立体；2 2 2 22 x v x v(3) v由曲面Z 和2Z= 所围的立体•4 9 4 911. 试作适当变换，计算下列积分：(1) 11 [x y sin x - y dxdy ,D= ：x.y 0 _ x y _ 二0 _ x - y _ T；Dy(2)I ie x y dxdy ,D= x,y x y 岂1, x _ 0,y _ 0D12. 设f:[a,b] T R为连续函数，应用二重积分性质证明-b I2j b|[f(xdx I 兰(b—a)[f (xdx，其中等号仅在f为常量函数时成立。
二重积分的变量变换
(1)
当 (即(t) 0 )时, 记 X [a , b], Y [ , ], 则
X (Y ), Y 1( X ). 利用这些记号, 公式(1)又可
写成
数学分析 第二十一章 重积分
高等教育出版社
§4 二重积分的变量变换 变量变换公式 极坐标变换
广义极坐标变换
f (x)dx
f ((t))(t)dt . (2)
图 21 24
所以
x y
e x ydxdy
u
ev
1
dudv
D
2
1
1
dv
v
u
ev du
1
1v(e e1 )dv
e e1 .
20
v
20
4
数学分析 第二十一章 重积分
高等教育出版社
§4 二重积分的变量变换 变量变换公式 极坐标变换
广义极坐标变换
例2 求抛物线 y2 mx , y2 nx 和直线 y x , y
高等教育出版社
§4 二重积分的变量变换 变量变换公式 极坐标变换
x y
例1 求 e x y dxdy , 其中
D
D是由 x 0, y 0, x y 1
广义极坐标变换
y
1
所围的区域(图21-23). 解 为了简化被积函数, 令
D O
1x
u x y,v x y. 即作变换
图 21 23
2
f ( xy )d ln 21 f ( t )dt.
证
令
D
t xy, u
y
即 x t1 2u1 2 , y t1 2u1 2 . 则
x
(t, u) [1,2][1,4], 有
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。
《数学分析》第二十一章 二重积分 7
U = ∫∫ f ( x , y )dσ
D
二,曲面的面积
实例 实例 一颗地球的同步轨道通讯
卫星的轨道位于地球的赤道平面 且可近似认为是圆轨道. 内,且可近似认为是圆轨道.通 讯卫星运行的角速率与地球自转 的角速率相同, 的角速率相同,即人们看到它在 天空不动. 天空不动.若地球半径取为R , 应为多少? 问卫星距地面的高度h 应为多少? 通讯卫星的覆盖面积是多大? 通讯卫星的覆盖面积是多大?
∴ A = ∫∫ 1 + f x2 + f y2 dσ ,
D
z z A = ∫∫ 1 + (x )2 + (y )2dxdy 曲面面积公式为: 曲面面积公式为: Dxy
同理可得 2.设曲面的方程为:x = g ( y , z ) 设曲面的方程为: 曲面面积公式为: 曲面面积公式为:A =
∫∫
Dyz
为 m1 , m 2 , , m n . 则该质点系对于 x 轴和 y 轴 的转动惯量依次为 转动惯量依次为
I x = ∑ m i yi
i =1
n
2
,
I y = ∑ mi xi
i =1
n
2
.
设有一平面薄片, 设有一平面薄片,占有 xoy 面上的闭区域 D ,在点( x , y ) 处的面密度为 ρ ( x , y ),假定 上连续, ρ ( x , y )在 D 上连续,平面薄片对于 x 轴和 y 轴 的转动惯量为
D
12
已知均匀矩形板( 例 5 已知均匀矩形板(面密度为常数 ρ )的长 和宽分别为b 和h ,计算此矩形板对于通过其形 心且分别与一边平行的两轴的转动惯量. 心且分别与一边平行的两轴的转动惯量
解 先求形心 x = 1 ∫∫ xdxdy , AD
华东师范大学数学系《数学分析》(第4版)(下册)-第二十一章至第二十三章(圣才出品)
①Δi 上的点都是 P 的内点；
②Δi 上的点都是 P 的外点，即
；
③Δi 上含有 P 的边界点；
图 21-1
将所有介于直线网 T 的第①类小矩形（图 21-1 中阴影部分）的面积加起来，记这个和
数为 sp（T），则有
（这里ΔR 表示包含 P 的那个矩形 R 的面积）；将所有第①
类与笫③类小矩形（图 21-1 中粗线所围部分）的面积加起来，记这个和数为 Sp（T），则有
二、直角坐标系下二重积分的计算 1．定义在矩形区域 D＝[a，b]×[c，d]上二重积分计算问题 （1）设 f（x，y）在矩形区域 D＝[a，b]×[c，d]上可积，且对每个 x∈[a，b]，积分
存在，则累次积分
也存在，且
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三、格林公式、曲线积分与路线的无关性 1．格林公式 （1）设区域 D 的边界 L 中一条或几条光滑曲线所组成边界曲线的正方向规定为：当人 沿边界行走时，区域 D 总在它的左边；如图 21-2 所示，与上述规定的方向相反的方向称为 负方向，记为－L．
图 21-2 （2）若函数 P（x，y），Q（x，y）在闭区域 D 上连续，且有连续的一阶偏导数，则
（21-3）
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则称 f（x，y）在 D 上可积，数 J 称为函数 f（x，y）在 D 上的二重积分，记作
（21-4） 其中 f（x，y）称为二重积分的被积函数，x，y 称为积分变量，D 称为积分区域．
（2）f（x，y）在 D 上可积的充要条件是： （3）f（x，y）在 D 上可积的充要条件是：对于任给的正数ε，存在 D 的某个分割 T， 使得 （4）有界闭区域 D 上的连续函数必可积． （5）设ε在有界闭域 D 上有界，且其不连续点集 E 是零面积集，则 f（x，y）在 D 上 可积． 3．二重积分的性质 （1）若 f（x，y）在区域 D 上可积，k 为常数，则 kf（x，y）在 D 上也可积，且
二重积分的计算法
即等于两个定积分的乘积.
二重积分的计算法
X型区域的特点: 穿过区域且平行于y轴的直线 与区域边界相交不多于两个交点.
Y型区域的特点: 穿过区域且平行于x轴的直线 与区域边界相交不多于两个交点. (3)积分区域D既是X型:
y
a x b, 1 ( x ) y 2 ( x )
又是Y型:
二重积分的计算法
2 2 x y 2 2 说明: 当f (x, y )在所考虑的区域上连续时 , 当 x y 0, 时, 2 2 2 例如: 设f ( x , y ) ( x y ) 二次积分可以交换积分次序 . 2 2 当x y 0时. 0, 1 1 I1 dx f ( x , y )dy , 0 0 4 1 1 x I 2 dy f ( x , y )dx , 由于 2 2 f ( x , y ), 0 0 x x y 1 1 1 x x 1 故 f ( x , y ) dx 2 dx 2 2 2 2; 0 0 x x y x y 0 1 y 1 1 1 1 1 所以 I 2 dy f ( x , y )dx d y arctan y 0 2 0 0 0 1 y 1 1 1 1 . 0 dx 0 f ( x, y )dy 0 dy 0 f ( x, y )dx. 18 4
0 dx 0
a
a
a
x
f ( y )dy dy f ( y )dx
0 y
a
a
(a , a )
f ( y ) x dy (a y ) f ( y )dy 0
a y
0
a
O
第二十一章二重积分
第二十一章 重积分§1二重积分概念1.把重积分Dxyd s 蝌作为积分和的极限，计算这个积分值，其中[0,1][0,1]D =?并用直线网,(,1,2,1)i ix y i j n n n===-分割这个正方形为许多小正方形，每一小正方形取其右上顶点为其节点。
证明：22n 24i=1j=111(1)1lim lim 44n xx Di j n n xydxdy n n n n +=鬃==邋蝌2.证明：若函数(,)f x y 在有界闭区域D 上可积，则(,)f x y 在D 上有界。
证明：假设(,)f x y 在D 上可积，但在D 上无界。
则对D 的任一分割T={}n 12s ,s ,s ,(,)f x y 必在某个小区间k s 上无界。
当i k ¹时，任取i i p 蝧，令G=(),(,),i i i kDf p I f x y dxdy ¹s =å蝌由于(,)f x y 在k s 上无界，即存在k k p 蝧使得1()k kI Gf p ++>s 。
从而1()())()()()2 1.(*)nii i i k k k ki k i i ki kf p f p f p f p f p =构s =s +s 硈-s >+邋?另一方面，由于(,)f x y 在D 上可积，取1e =，故存在0d >，对任意D 的分割n {}T 12=s ,s ,s 当T <δ时，i 1i=11*f x y D nT I ¹-<ååni i i i 的任一分f(p σ)都满足f(p )σ而（）式与此矛盾，所以，(,)在上有界3.证明二重积分中值定理（性质7）。
证明：函数(,)f x y 在有界闭区域D 上连续，则(,)f x y 在D 上存在最大值M 与最小值m ，且对D 中一切(,)x y 点，有(,).m f x y M ＃ 有性质6知，,(,)D D DmS f x y d MS ££蝌σ即1(,)DDm f x y d M S ＃蝌σ有介值定理存在()D Îξ,η使得(,).()Df x y d f D S =蝌σξ,η4：若(,)f x y 为有界闭区域D 上的非负连续函数，且在D 上不恒为零，则(,)0Df x y d >蝌σ证明：由已知，存在000(,)p x y D Î，使00(,)0f x y >则存在0>δ，对一切1(,)p x y D Î，其中10,(())D P D =?δ，有001(,)(,)02f x y f x y >> 而(,)f x y 在有界闭域D 上非负连续，则有111001(,)(,)(,)(,)02D D D D Df x y d f x y d f x y d f x y S -=+?蝌蝌蝌σσσ 其中（1D S 表示为1D 的面积）5.若(,)f x y 在有界闭区域D 上连续，且在D 内任一子区域'D D Ì上有'(,)0D f x y d=蝌σ 则在D 上(,)0.f x y º证明：用反证法：假设在D 内存在一点000(,)p x y 使00(,)0f x y ¹，不妨设00(,)0f x y >。
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第二十一章 重积分§1二重积分概念1.把重积分Dxyd s 蝌作为积分和的极限，计算这个积分值，其中[0,1][0,1]D = 并用直线网,(,1,2,1)i ix y i j n n n===- 分割这个正方形为许多小正方形，每一小正方形取其右上顶点为其节点。
证明：22n 24i=1j=111(1)1lim lim 44n x x Di j n n xydxdy n n n n+=鬃==邋蝌2.证明：若函数(,)f x y 在有界闭区域D 上可积，则(,)f x y 在D 上有界。
证明：假设(,)f x y 在D 上可积，但在D 上无界。
则对D 的任一分割T={}n 12s ,s ,s ,(,)f x y 必在某个小区间k s 上无界。
当i k ¹时，任取i i p 蝧，令G=(),(,),i i i kDf p I f x y dxdy ¹s =å蝌由于(,)f x y 在k s 上无界，即存在k k p 蝧使得1()k kI G f p ++>s 。
从而1()())()()()2 1.(*)niii i k k k ki k i i ki kf p f p f p f p f p =构s=s +s 硈-s >+邋另一方面，由于(,)f x y 在D 上可积，取1e =，故存在0d >，对任意D 的分割n {}T 12=s ,s ,s 当T <δ时， i 1i=11*f x y D nT I ¹-<ååni i i i 的任一分f(p σ)都满足f(p )σ而（）式与此矛盾，所以，(,)在上有界3.证明二重积分中值定理（性质7）。
证明：函数(,)f x y 在有界闭区域D 上连续，则(,)f x y 在D 上存在最大值M 与最小值m ，且对D 中一切(,)x y 点，有(,).m f x y M ＃ 有性质6知，,(,)D D DmS f x y d MS ££蝌σ即1(,)DDm f x y d M S ＃蝌σ有介值定理存在()D Îξ,η使得(,).()Df x y d f D S =蝌σξ,η4：若(,)f x y 为有界闭区域D 上的非负连续函数，且在D 上不恒为零，则(,)0Df x y d >蝌σ证明：由已知，存在000(,)p x y D Î，使00(,)0f x y >则存在0>δ，对一切1(,)p x y D Î，其中10,(())D P D = δ，有001(,)(,)02f x y f x y >> 而(,)f x y 在有界闭域D 上非负连续，则有111001(,)(,)(,)(,)02D D D D Df x y d f x y d f x y d f x y S -=+?蝌蝌蝌σσσ 其中（1D S 表示为1D 的面积）5.若(,)f x y 在有界闭区域D 上连续，且在D 内任一子区域'D D Ì上有'(,)0D f x y d=蝌σ 则在D 上(,)0.f x y º证明：用反证法：假设在D 内存在一点000(,)p x y 使00(,)0f x y ¹，不妨设00(,)0f x y >。
则存在0>δ。
使得一切1(,)x y D Î（其中10,(())D P D = δ），有001(,)(,)02f x y f x y >>。
这时，11001(,)(,)02D Df x y d f x y S ?蝌σ，这与题设'(,)0D f x y d =蝌σ产生矛盾（1D S 表示为1D 的面积）§21.2 直角坐标系下二重积分的计算1.设(,)f x y 在区域D 上连续，试将二重积分(,)Df x y d s 蝌化为不同顺序的累次积分：（1）D 有不等式,,(0)y x y a x b a b ３?<所确定的区域。
(2) D 由不等式22,0,1y x y x y ３+ 所确定的区域； （3）D 由不等式2211x y x y +? 与所确定的区域； (4) {(,)|||||1}.D x y x y =+ 解：（1）：积分区域D 如图21-1. (,)(,)(,)b x b b aaayDf x y dxdy dxf x y dy dyf x y dx ==蝌蝌蝌(2) ：积分区域D 如图所示1(,)(,)(,)(,)x oyDf x y dxdy f x y dy f x y dy f x y dx=+=蝌（3） ：积分区域如图所示1110(,)(,)(,)xDf x y dxdy dx f x y dy dy f x y dx -==蝌蝌蝌（4）：积分区域如图所示011101111(1)11101(,)(,)(,)(,)(,)x x y y x x yy Df x y dxdy dxf x y dy dxf x y dy dyf x y dx dyf x y d+-----+-----=+=+蝌蝌蝌蝌蝌2. 在下列积分中改变累次积分的顺序： （1）220(,)x xdxf x y dy 蝌（2）2111(,)x dx f x y dy ---蝌 （3）20(,);adxf x y dy 蝌（4）2113(3)201(,)(,)x x dxf x y dy dxf x y dy -+蝌蝌.解: (1) 220(,)x x dxf x y dy 蝌=2420222(,)(,).y yy dyf x y dy dyf x y dx +蝌蝌(2)2111(,)x dxf x y dy ---蝌=011(,)(,)dy f x y dx dyf x y dx ---+蝌蝌(3)20(,);a dxf x y dy 蝌=222222002(,)(,)(,)a a a a a a y y a aa adyf x y dx dyf x y dx dyf x y dx -++蝌蝌蝌(4)2113(3)2001(,)(,)x x dxf x y dy dxf x y dy -+蝌蝌=1320(,)y dyf x y dx -蝌3.计算下列二重积分：（1）22,D 2(0);2Dpxy d y px x p s ==>蝌其中由抛物线与直线所围成的区域 （2）22(),Dx y d +＃蝌σ其中D={(x,y)|0xy（3）0)Da >,其中D 为图中的阴影部分 （4）Dσ，其中D=22{(,)|}x y x y x +解：（1）2522222221[()()]22221ppp y pp Dpp y p xy dxdy y dyxdx y dy p --==-=蝌蝌(2):531122222207128())()3105Dx y dxdy dx x y dy x x dx +=+=+=蝌蝌(3):；328)3a a a Ddxdx a -===蝌(4)108215Ddx=蝌 10= 4.求由坐标平面及2,3,4x y x y z ==++=所围的角柱体的体积；解:13240155(4)(4)(4)6x DDV zdxdy x y dxdy dx x y dy dxx y dy -==--=--+--=蝌蝌蝌蝌§3 格林公式 曲线积分与路线的无关性1.应用格林公式计算下列曲线积分：（1）222()()Lx y dx x y dy +-+ò，其中L 是以)5,2(),2,3(),1,1(C B A 为顶点的三角形，方向取正向；（2）(sin )(cos )x xABe y my dx e y m dy -+-ò，其中m 为常数，AB 为由)0,(a 到)0,0(经过圆22x y ax +=上半部的路线。
解：（1）AB 的方程：1(1)(13)2y x x =+＃；BC 的方程：311(23)y x x =-+＃； CA 的方程：4(3)(12)y x x =-＃。
2()P x y =+，22()Q x y =+，42Q Px y x y抖-=--抖 则三角形域Ｓ被分成两部分12S S 和。
原式12(42)(42)(42)SS S x y dxdy x y dxdy x y dxdy =--=--+--蝌蝌蝌243331111(1)2(1)22(42)(42)x x x x dxx y dy dxx y dy --+++=--+--蝌蝌2463=-(2)连接点(0.0)O 与点(.0)A a ，构成封闭路线 AOA ，在险段OA 0,0y dy ==.于是OAò(sin )(cos )0x x ABe y my dx e y m dy -+-=ò而AOAOAAOAOAB=+==蝌蝌由格林公式222:(sin )(cos )8xxAOAD x y axm a ey my dx e y m dy mdxdy p +-+-==蝌因此 原式28m a p =２. 应用格林公式计算下列曲线所围的平面面积：（１） 星形线：33cos ,sin x a t y a t ==; （２）双扭线：222222()()x y a x y +=- 解 (1)有图的对称性可知222201334sin 2228L a a S xdy ydx tdt pp =-==蝌·(2)令()cos ,()sin x r y r q q q q ==，可得cos sin x a y a ==利用图的对称性，224014cos 22LS xdy ydx a d a p q q =-==蝌·3.证明：若L 为平面上封闭曲线，l 为任意方向向量，则cos(,)0Ll n =ò ，其中n为曲线L 的外法线方向。
证：设(,),(,),(l,x)n x l n 与分别表示外法线与x 轴正向、l 与外法线n 以及x l 与轴正向的夹角，则(,)(,)(,).l n n x l n =+cos(,)cos(,)cos(,)sin(,)sin(,)l n l x n x l x n x =+， cos(,)n x ds dy = sin(,)n x ds dx -= 于是 cos(,)[sin(,)cos(,)]LLl n ds l x dx l x dy =-+蝌 ，其中cos(,)sin(l,x).l x 与是常数由格林公式，有Lcos(l,n)0ds =ò4. 求积分值[]cos(,)cos(,)LI x n x y n y ds =+ò 其中L 为包围有界区域的封闭曲线，n 为L 的外法线方向。