重积分及其计算和多重积分

重积分及其计算和多重积分Document serial number【UU89WT-UU98YT-UU8CB-UUUT-UUT108】三重积分和多重积分方法在第三节中我们讨论了二重积分，本节将之推广到一般的n 维空间中去.类似于第三节,我们先定义一个R 3中集合的可求体积性. 同样可以给出一列类似的结论. 读者自己推广. 这里将不再赘述.一、 引例设一个物体在空间R 3中占领了一个有界可求体积的区域V ，它的点密度为()z y x f ,,，现在要求这个物体的质量．假设密度函数是有界的连续函数，可以将区域V 分割为若干个可求体积的小区域n V V V ,...,,21，其体积分别是n V V V ∆∆∆,...,,21，直径分别是n d d d ,...,,21，即},||sup{|i i V Q W WQ d ∈=, (i =1,2,…,n ）, |WQ|表示W, Q 两点的距离．设},...,,m ax {21n d d d =λ，则当λ很小时，()z y x f ,,在i V 上的变化也很小．可以用这个小区域上的任意一点()i i i z y x ,,的密度()i i i z y x f ,,来近似整个小区域上的密度，这样我们可以求得这个小的立体的质量近似为()i i i i V z y x f ∆,,，所有这样的小的立体的质量之和即为这个物体的质量的一个近似值．即()i i i i ni V z y x f M ∆≈∑=,,1．当0→λ时，这个和式的极限存在，就是物体的质量．即()i i i i ni V z y x f M ∆=∑=→,,lim 10λ．从上面的讨论可以看出，整个求质量的过程和求曲顶柱体的体积是类似的，都是先分割，再求和，最后取极限．所以我们也可以得到下面一类积分．二、 三重积分的定义设()z y x f ,,是空间3R 中的一个有界可求体积的闭区域V 上的有界函数，将V 任意分割为若干个可求体积的小闭区域n V V V ,...,,21，这个分割也称为V 的分划，记为P : n V V V ,...,,21. Φ=⋂o o j i V V (空, j i ≠), 其体积分别是n V V V ∆∆∆,...,,21，直径分别是n d d d ,...,,21．设},...,,m ax {21n d d d =λ,或记为||P ||. 在每个小区域中任意取一点()i i i i V z y x ∈,,，作和()iiiini V z y x f ∆∑=,,1(称为Riemann 和)，若当0→λ时，这个和式的极限存在，则称其极限为函数()z y x f ,,在区域V 上的三重积分，记为()⎰⎰⎰VdV z y x f ,,．并称函数()z y x f ,,在区域V 上可积．()z y x f ,,称为被积函数,x,y,z 称为积分变量.,V 称为积分区域.特别地，在直角坐标系下，可以记为()⎰⎰⎰Vdxdydz z y x f ,,．我们同样可以引入Darboux 大,小和来判别可积, 也有同样的结论(略).1. 若()z y x f ,,是有界闭区域V 上的连续函数，则函数()z y x f ,,在区域V 上可积．2. 若()z y x f ,,=1时, ⎰⎰⎰=VV dxdydz 的体积.3. 若()z y x f ,,在有界闭区域V 上的间断点集合是0体积时, ()z y x f ,,在V 可积.三重积分有着与二重积分类似的性质．下面简单叙述一下．１． 可积函数的和（或差）及积仍可积. 和（差）的积分等于积分的和(差)．２．可积函数的函数k 倍仍可积. 其积分等于该函数积分的k倍．３．设Ω是可求体积的有界闭区域，()z y x f ,,在Ω上可积，Ω分为两个无共同内点的可求体积的闭区域21,ΩΩ之并，则()z y x f ,,在21,ΩΩ上可积，并有()()()V d z y x f V d z y x f V d z y x f ⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩΩ+=21,,,,,,．等等.三、 三重积分的计算方法同二重积分一样, 我们这里给出三重积分的计算方法,理论上的证明读者自己完成..1. 利用直角坐标系计算三重积分先给一个结论.定理 若函数()z y x f ,,是长方体V =[a,b ]×[c,d ]×[e,h ]上的可积, 记D=[c,d ]×[e,h ], 对任意x ∈[a,b ], 二重积分()⎰⎰=Ddydz z y x f x I ,,)(存在, 则 ()⎰⎰⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛=ba D ba dx dydz z y x f dx x I ,,)( (记为()⎰⎰⎰D ba dydz z y x f dx ,,)也存在, 且()()()⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰==hed cb aDb aVdz z y x f dy dx dydz z y x f dx V d z y x f ,,,,,,.这时右边称为三次积分或累次积分, 即三重积分化为三次积分. 证明 分别中[a,b ], [c,d ], [e,h ] 插入若干个分点b x x x x a n =<<<<= 210;d y y y y c m =<<<<= 210;h z z z z e s =<<<<= 210作平面i x x =, j y y =, k z z =,(i =0,1,2,…,n; ,j i =0,1,2,…,m;k =0,1,2,…,s,)得到V 的一个分划P . 令],,[],[],[111k k j j i i ijk z z y y x x v ---⨯⨯=(i =1,2,…,n; ,j i =1,2,…,m;k =1,2,…,s,),ijk M ,ijk m 分别是()z y x f ,,在ijk v 上的上, 下确界.那么在],[],[11k k j j jk z z y y D --⨯=上有k j ijkD ik j ijk z y Mdydz z y f z y m jk∆∆≤≤∆∆⎰⎰),,(ξ其中Δx i ,= x i - x i -1 , Δy j ,= y j - y j -1 , Δz k ,= z k - z k -1 , (i =1,2,…,n; ,j i =1,2,…,m; k =1,2,…,s,).)(),,(),,(,i Di k j D i I dydz z y f dydz z y f jkξξξ==⎰⎰∑⎰⎰∑∑∑∆∆∆≤∆≤∆∆∆=kj i k j i ijkni i i kj i k j i ijkz y x Mx I z y x m,,1,,)(ξ因可积，所以当||P ||趋于0时，Darboux 大,小和趋于同一数，即三重积分.故定理得证.如果V 如右图, e ≤z ≤h, z=z 与V 截面图12-4-2xye图12-4-1面积为D z ,不难得到,若函数()z y x f ,,在V 上的可积, 那么()()⎰⎰⎰⎰⎰⎰=zD heVdxdy z y x f dz V d z y x f ,,,,.下面给出一般三重积分的具体计算方法，理论证明读者可参照二重积分自己完成．设函数),,(z y x f 在有界闭区域Ω上连续，我们先讨论一种比较特殊的情况．()()()()},,,,|,,{21y x z z y x z D y x z y x ≤≤∈=Ω，其中xy D 为Ω在xoy 平面上的投影，且()()})(,|,{21x y y x y b x a y x D xy ≤≤≤≤=．如图1２．我们现在z 轴上做积分，暂时将y x ,看成是常数．把函数()z y x f ,,看作是z 的函数，将它在区间()()],,,[21y x z y x z 上积分得到()()()⎰y x z y x z dz z y x f ,,21,,．显然这个结果是y x ,的函数，再把这个结果在平面区域xy D 上做二重积分()()()dxdy dz z y x f y x z y x z D xy⎪⎭⎫ ⎝⎛⎰⎰⎰,,21,,． 在利用二重积分的计算公式便可以得到所要的结果．若平面区域xy D 可以用不等式()()x y y x y b x a 21,≤≤≤≤表示，则()⎰⎰⎰ΩdV z y x f ,,()()()()()⎰⎰⎰=y x z y x z x y xy badz z y x f dy dx ,,2121,,．这个公式也将三重积分化为了三次积分．如果积分区域是其他的情形，可以用类似的方法计算．例1计算三重积分⎰⎰⎰ΩxdV ，其中Ω是由三个坐标面和平面1=++z y x 所围的立体区域．解 积分区域如图所示，可以用不等式表示为y x z x y x --≤≤-≤≤≤≤10,10,10，所以积分可以化为()()241413181121112341021010101010=+-=-=--==⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰----Ωx x x dx x x dyy x x dx xdzdy dx xdV xyx x四、三重积分的积分变换和二重积分的积分变换一样，有如下的结果:定理 设V 是uvw 空间R 3中的有界可求体积的闭区域，T ：x =x (u,v,w ), y =y (u,v,w ), z =z (u,v,w ),是V 到xyz 空间R 3中的一一映射，它们有一阶连续偏导数，并且V w v u zz vz uz z yv y uyz x v x ux w v u z y x ∈≠∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂),,(,0),,(),,( (称为Jacobi). 如果f (x,y,z ) 是T (V )上的可积函数，那么dudvdw w v u z y x w v u z w v u y w v u x f dxdydz z y x f VV T ⎰⎰⎰⎰⎰⎰∂∂=),,(),,()),,(),,,(),,,((),,()(在R 3中有两种重要的变换柱面坐标和球面坐标.1. 利用柱面坐标计算三重积分前面我们可以看到，由于积分区域与被积函数的特点，二重积分可以用极坐标来计算．同样对于三重积分可以用柱面坐标和球面坐标计算．我们先讨论用柱面坐标来计算三重积分．图12-4-4x图12-4-5M ’M (x,yyz设空间中有一点()z y x M ,,，其在坐标面xoy 上的投影点'M 的极坐标为()θ,r ，这样三个数θ,,r z 就称为点M 的柱面坐标（如图12-4-4）．这里规定三个变量的变化范围是⎪⎩⎪⎨⎧+∞≤≤∞-≤≤+∞≤≤z r πθ200， 注意到，当=r 常数时，表示以z 轴为中心轴的一个柱面． 当θ=常数时，表示通过z 轴，与平面xoy 的夹角为θ的半平面． 当=z 常数时，表示平行于平面xoy ，与平面xoy 距离为z 的平面． 空间的点的直角坐标与柱面坐标之间的关系, 即是R 3到R 3的映射:⎪⎩⎪⎨⎧===z z r y r x θθsin cos ． 所以 其Jacobi 为,10cos sin 0sin cos ),,(),,(r r r z r z y x =-=∂∂θθθθθ故容易得到: 如果f (x,y,z ) 是R 3中的有界可求体积的闭区域V 上的可积函数,则图12-()()⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVdz rdrd z r r f dV z y x f θθθ,sin ,cos ,,,其中,变换前后区域都用V 表示.我们也可以从几何直观的意义来描述这个公式的由来.用三组坐标面311,,C z C C r ===θ将积分区域划分为若干个小区域，考虑其中有代表性的区域，如图12-4-5所示的区域可以看成是由底面圆半径为dr r r +和两个圆柱面，极角为θθθd +和的两个半平面，以及高度为dz z z +和的两个平面所围成的．它可以近似的看作一个柱体，其底面的面积为θrdrd ，高为dz ．所以其体积为柱面坐标下的体积元素，即dz rdrd dV θ=．再利用两种坐标系之间的关系，可以得到()()⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVdz rdrd z r r f dV z y x f θθθ,sin ,cos ,,．在柱面坐标下的三重积分的计算也是化为三次积分． 例2计算三重积分()⎰⎰⎰Ω+dV y x 22，其中Ω是由椭圆抛物面()224y x z +=和平面4=z 所围成的区域．解 如图所示，积分区域Ω在坐标面xoy 上的投影是一个圆心在原点的单位圆．所以{}44,20,102≤≤≤≤≤≤=Ωz r r πθ．于是()()πθθθππ32441053204412202222=-===+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩdr r r d dzrdr r d dzrdrd r dV y xr2．利用球面坐标计算三重积分图12-4-7M ’我们知道球面坐标用数ϕθ,,r 来表示空间的一个点．设有直角坐标系的空间点()z y x M ,,，点M 在坐标面xoy 上的投影'M ，其中||OM r =，θ为x 轴到射线'OM 转角．ϕ为向量OM 与z 轴的夹角．如图12-4-7．规定三个变量的变化范围是⎪⎩⎪⎨⎧≤≤≤≤+∞≤≤πϕπθ0200r ． 我们可以看到，注意到，当=r 常数时，表示以原点为球心的球面． 当θ=常数时，表示通过z 轴的半平面．当=ϕ常数时，表示以原点为顶点，z 轴为中心的锥面． 两种坐标系之间的关系如下：⎪⎩⎪⎨⎧===ϕθϕθϕcos sin sin cos sin r z r y r x ． 即又是一个即是R 3到R 3的映射.它的Jacobi 是,sin 0sin cos cos sin cos cos sin sin sin sin sin cos cos sin ),,(),,(2ϕϕϕθϕθϕθϕθϕθϕθϕθϕr r r r r r r z y x =--=∂∂由一般的重积分变换公式容易得到:如果f (x,y,z ) 是R 3中的有界可求体积的闭区域V 上的可积函数,则()()⎰⎰⎰⎰⎰⎰=VVd drd r r r r f dV z y x f θϕϕϕθϕθϕsin cos ,sin sin ,cos sin ,,2,其中,变换前后区域都用V 表示.用几何直观的意义可以如下理解: 已知f (x,y,z ) 闭区域V 上的可积函数.用三组坐标=r 常数，=θ常数，=ϕ常数，将积分区域V 划分为若干个小的区域. 考虑其中有代表性的区域，此小区域可以看成是有半径为dr r r +和的球面，极角为θ和θθd +的半平面，与中心轴夹角为ϕ和ϕϕd +的锥面所围成，它可以近似的看作边长分别是θϕϕd r rd dr sin ,,的小长方体，从而得到球面坐标系下的体积元素为ϕθϕd drd r dV sin 2=．再由直角坐标系与球面坐标之间的关系，可以得到下面的公式()()ϕθϕϕθϕθϕd drd r r r r f dV z y x f VVsin cos ,sin sin ,cos sin ,,2⎰⎰⎰⎰⎰⎰=．例3计算三重积分()⎰⎰⎰Ω+dV y x 22，其中Ω是右半球面0,2222≥≤++y a z y x 所围成的区域．解 在球面坐标下，积分区域可以表示为}0,0,0{πϕπθ≤≤≤≤≤≤=Ωa r所以()503553034022222154cos 31cos 551sin sin sin sin a a d r d drr d d d drd r r dV y xaaπϕϕπϕϕθϕϕθϕθϕϕπππππ=⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=⎥⎦⎤⎢⎣⎡===+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ΩΩ与二重积分,三重积分一样可以定义一般n 重积分.我们这里只是简单介绍.当V 是R n中的有界闭区域. 依照可求面积的方法定义V 的可求“体积”或可测(略). 设f (x 1, x 2,,…, x n ,) 是R n中的有界可测闭区域V 上的函数, 任取V 的分划P,, 即把分成若干个可测小区域m V V V ,,,21 , 它们的”体积”或测度分别记为m V V V ∆∆∆,,,21 , 当令{}i i V Q Q Q Q d ∈=2121,|||sup , ||21Q Q 表示两点的距离,{}m d d d P ,,,m ax ||||21 = , 对任取),,2,1(,),,,()()(2)(1m i V x x x i i n i i =∈,如果 i mi i n i i P V x x xf ∆∑=→1)()(2)(10||||),,,(lim存在,称f (x 1, x 2,,…, x n ,)是V 上的可积函数.其极限值称为 f (x 1, x 2,,…, x n ,)在V 上的n 重积分,记为dV x x x f n n V),,,(21 ⎰⎰ 或 n n nVdx dx dx x x x f2121),,,(⎰⎰. 特别 当V =[a 1,b 1]×[a 2,b 2]×…×[a n ,b n ]时,n n b a b a b a n n n Vdx x x x f dx dx dx dx dx x x x f n n),,,(),,,(212121211122⎰⎰⎰⎰⎰=.若V 上有一一映射T⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===),,,(),,,(),,,(:2121222111n n n nn u u u x x u u u x x u u u x x T ，其每个分量的函数有连续偏导数，当V 是有界可测区域，f (x 1, x 2,,…, x n ,)在T(V )上可积，并且JacobiV u u u u x u x u x u x u x ux u x u x u x u u u x x x n n nn n n n n n ∈≠∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂),,,(,0),,,(),,,(212122212121112121那么n n n V T dx dx dx x x x f2121)(),,,(⎰⎰nn n n n n n n Vdu du du u u u x x x u u u x u u u x u u u x f21212121212211),,,(),,,()),,,(,),,,,(),,,,((∂∂=⎰⎰.特别是R n 中的球坐标变换T :,321321211cos sin sin ,cos sin ,cos ϕϕϕϕϕϕr x r x r x === ……,123211cos sin sin sin sin ---=n n n r x ϕϕϕϕϕ , 12321sin sin sin sin sin --=n n n r x ϕϕϕϕϕ ,在R n 中, .20,,,,0,012321πϕπϕϕϕϕ≤≤≤≤∞<≤--n n r 这时的Jacobi 是2231211112122111111121sin sin sin ),,,(),,,(--------=∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂n n n n n nn n n n n n r x x rx x x rx x x r x r x x x ϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕϕ。