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6.2 二重积分的计算

王绵森、马知恩主编高等教育出版社《工科数学分析基础(第三版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

从这一节开始,我们将分别讲解各类积分的计算法。为了得出二重积分的计算公式,先介绍二重积分的几何意义。

设 (σ) ⊆ R² 是有界闭区域,f ∈ C((σ))。由定义,f 在 (σ) 上的二重积分就是下列和式的极限:

iint_((σ)) f(x, y) dσ = lim_(d → 0) ∑ₖ=1ⁿ f(ξₖ, ηₖ) Δ σₖ (6.1)

下面,我们根据这个和式极限的结构来说明二重积分的几何意义。为方便起见,设 f(x, y) ≥slant 0 是二元函数 z = f(x, y) 在几何上就表示位于域 (σ) 上方的曲面 (S)(图 6.3(a)),它在 xOy 坐标平面上的投影就是闭域 (σ)。以 (σ) 的边界为准线作母线平行于 z 轴的柱面,便得以 (σ) 为底,曲面 (S) 为顶的曲顶柱体。现在我们来说明:若 f 在 (σ) 上非负,则二重积分 iint_((σ)) f(x, y) dσ 的值等于以 (σ) 为底,(S) 为顶的曲顶柱体的体积。

想一想

(1) 若在域 (σ) 上 f(x, y) ≤slant 0,iint_((σ)) f(x, y) dσ 的几何意义是什么?

(2) 若在域 (σ) 上 f(x, y) 变号,怎样用二重积分表示曲面 z = f(x, y) 在 (σ) 上与 xOy 平面以及由 (σ) 边界为准线的柱面所围成的立体体积?

此曲顶柱体的体积在域 (σ) 上是非均匀分布的量,其原因在于此柱体的高在变化。若高不变,这个平顶柱体的体积在 (σ) 上是均匀分布的(图 6.3(b)),它可以简单地利用乘法:底面积 × 高得到。为了利用已知的这个均匀分布的体积公式来求此非均匀分布的体积,我们可以像本章第一节 1.1 段那样,采用“分”“匀”“合”“精”四个步骤来完成。

  1. 分:把区域 (σ) 任意划分成 n 个子域 (Δ σₖ) (k = 1, 2, …, n),(Δ σₖ) 的面积记为 Δ σₖ。以每一子域 (Δ σₖ) 的边界为准线,作母线平行于 z 轴的柱面,这样,就把整个曲顶柱体划分成 n 个小曲顶柱体。

  2. 匀:由于子域 (Δ σₖ) 很小,以它为底的小曲顶柱体的高变化不大,可以近似地看作不变,即看作是 (Δ σₖ) 内任一点 Mₖ(ξₖ, ηₖ) 处的函数值 f(ξₖ, ηₖ)(图 6.3(a))。从而这一小曲顶柱体的体积 Δ Vₖ 可以近似地表示为

Δ Vₖ ≈ f(ξₖ, ηₖ) Δ σₖ (6.2)
  1. 合:把各小曲顶柱体体积的近似值加起来,就得到整个曲顶柱体体积 V 的近似值
V ≈ ∑ₖ=1ⁿ f(ξₖ, ηₖ) Δ σₖ (6.3)
  1. 精:令各子域 (Δ σₖ) 直径的最大值 d → 0,取极限便得到体积 V 的精确值
V = lim_(d → 0) ∑ₖ=1ⁿ f(ξₖ, ηₖ) Δ σₖ = iint_((σ)) f(x, y) dσ (6.4)

这就说明了二重积分的几何意义。

图 6.3 二重积分的几何意义示意图

2.2 直角坐标系下二重积分的计算法

Section titled “2.2 直角坐标系下二重积分的计算法”

下面,我们利用二重积分的几何意义来讨论它的计算方法。设 f ∈ C((σ)),为简单起见,我们仍假设在 (σ) 上 f(x, y) ≥slant 0。以下就积分域 (σ) 可能出现的三种类型来分别讨论二重积分的计算方法。

(1) 设 (σ) = {(x, y) | a ≤slant x ≤slant b, y₁(x) ≤slant y ≤slant y₂(x)},其中 y₁(x) 与 y₂(x) 均在 [a, b] 上连续。这一区域 (σ) 的特点是:过 [a, b] 上任一点 x₁,作与 y 轴平行同向的直线,与 (σ) 的边界至多相交于两点 (x₁, y₁(x₁)) 与 (x₁, y₂(x₁))(在区间端点 a, b 处所对应的两点可能重合)(图 6.4)。为方便起见,称这种类型的区域 (σ) 为 x 型区域。

由几何意义可知,二重积分 iint_((σ)) f(x, y) dσ 的值等于以 (σ) 为底,z = f(x, y) 为顶的曲顶柱体的体积 V(图 6.5)。在定积分应用中,我们知道这一体积 V 也可用已知平行截面面积求体积的方法来计算。为此,将此曲顶柱体用平行于坐标平面 yOz 的平面来切割。为了求其平行截面的面积,在 [a, b] 上任意固定一点 x₁,考虑曲顶柱体与平面 x = x₁。由图 6.5 易见,这一截面是由曲线S(x₁)。由图 6.5 易见,这一截面是由曲线

z = f(x, y) x = x₁

在区间 [y₁(x₁), y₂(x₁)] 上所形成的曲边梯形,它的面积 S(x₁) 可用定积分表示为

S(x₁) = ∫_(y₁(x₁))ʸ₂(x₁) f(x₁, y) dy (6.5)

图 6.4 x 型区域示意图

图 6.5 曲顶柱体的截面面积示意图

改记 x₁ 为 x,并让它在 a 与 b 之间变动,这时截面积 S(x) 也将随之而变动,即

S(x) = ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy (6.6)

值得注意的是,在上述积分时,x 应看作是常量,积分变量是 y。求得 S(x) 之后,再利用定积分的微元法,便可得到所求曲顶柱体的体积

V = ∫ₐ^(b) S(x) dx = ∫ₐ^(b) [ ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy ] dx (6.7)

另一方面,根据二重积分的几何意义,又有

V = iint_((σ)) f(x, y) dσ (6.8)

所以

iint_((σ)) f(x, y) dσ = ∫ₐ^(b) [ ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy ] dx (2.1)

这样来,二重积分的计算,变成了连接两次计算一元函数的积分:先固定 x,把函数 f(x, y) 看作是关于 y 的一元函数,对 y 从区域 (σ) 的边界 y₁(x) 至 y₂(x) 作定积分;再将积分所得的一元函数 S(x),在区间 [a, b] 上关于 x 作定积分。这样,就把二重积分化成了由连接两次定积分所构成的累次积分,或称为二次积分,也可将其中的括号去掉写成

∫ₐ^(b) ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy dx 或 ∫ₐ^(b) dx ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy (6.9)

(2) 设 (σ) = {(x, y) | x₁(y) ≤slant x ≤slant x₂(y), c ≤slant y ≤slant d},其中 x₁(y) 与 x₂(y) 均在 [c, d] 上连续(图 6.6)。这一区域 (σ) 的特点是:过 [c, d] 上任一点 y₁,作与 x 轴平行同向的直线,与域 (σ) 的边界至多相交于两点 (x₁(y₁), y₁) 与 (x₂(y₁), y₁)。这类区域称为 y 型区域。对于这种 y 型区域 (σ),我们用平行于坐标平面 xOz 的平面去切割此曲顶柱体。先计算由曲线

z = f(x, y) y = y₁

在区间 [x₁(y₁), x₂(y₁)] (c ≤slant y₁ ≤slant d) 上所形成的曲边梯形的面积,再在区间 [c, d] 上利用定积分的微元法可得

iint_((σ)) f(x, y) dσ = ∫_(c)^(d) ∫ₓ₁(y)ˣ₂(y) f(x, y) dx dy = ∫_(c)^(d) dy ∫ₓ₁(y)ˣ₂(y) f(x, y) dx (2.2)

在这里的累次积分是先固定 y 对 x 计算由 x₁(y) 到 x₂(y) 的定积分,其中 x₁(y) 与 x₂(y) 分别表示 (σ) 的左段边界与右段边界上的点对应于 y 的横坐标,然后再将积分后的函数对 y 在区间 [c, d] 上求定积分。

如果积分域 (σ) 既是 x 型区域又是 y 型区域,那么,由等式 (2.1) 与 (2.2) 可知

∫ₐ^(b) ∫_(y₁(x))ʸ₂(x) f(x, y) dy dx = ∫_(c)^(d) ∫ₓ₁(y)ˣ₂(y) f(x, y) dx dy (2.3)

(2.3) 式表明:当 f(x, y) 在积分域 (σ) 上连续时,累次积分可以交换积分顺序。

注意

一般来说,在交换累次积分的积分顺序时,积分上、下限将随之改变。

(3) 设积分域 (σ) 既非 x 型又非 y 型区域(图 6.7)。这时我们可以把 (σ) 先分成若干子域,使每一子域成为 x 型区域,从而每一子域上的二重积分都可以通过累次积分算出,再根据本章第一节 1.3 段中的性质2,在域 y 型区域,从而每一子域上的二重积分都可以通过累次积分算出,再根据本章第一节 1.3 段中的性质 2,在域 (σ) 上的二重积分值就等于这些子域上二重积分值之和。

图 6.6 y 型区域示意图

图 6.7 非 x 型且非 y 型区域示意图

例 2.1 求二重积分

求 I = iint_((σ)) f(x, y) dσ,其中 f(x, y) = 1 - x/3 - y/4,(σ) = {(x, y) | -1 ≤slant x ≤slant 1, -2 ≤slant y ≤slant 2} 是一个矩形域(图 6.8)。

图 6.8 矩形区域示意图

解

解法一:由于 (σ) 是一 x 型区域,它在 x 轴上的投影为区间 [-1, 1],这就是累次积分中对 x 的积分区间。在区间 [-1, 1] 上任取一点 x,作与 y 轴平行同向的直线穿过积分域 (σ),过 (σ) 边界穿入、穿出的纵坐标分别为 y = -2 与 y = 2。[-2, 2] 便是对 y 的积分区间。固定 x 先对 y 积分,再对 x 积分可得

I = ∫_(-1)¹ ∫_(-2)² ( 1 - x/3 - y/4 ) dy dx = ∫_(-1)¹ ( y - (xy)/(3) - (y²)/(8) ) g|_(-2)² dx= ∫_(-1)¹ ( 4 - 4/3 ) dx = 8.

解法二:由于 (σ) 也是一 y 型区域,它在 y 轴上的投影为区间 [-2, 2],在区间 [-2, 2] 上任取一点 y,作与 x 轴平行同向的直线,穿入、穿出 (σ) 点的横坐标分别为 x = -1 与 x = 1。固定 y 先对 x 积分,再对 y 积分可得

I = ∫_(-2)² ∫_(-1)¹ ( 1 - x/3 - y/4 ) dx dy= ∫_(-2)² ( x - (x²)/(6) - (xy)/(4) ) g|_(-1)¹ dy= ∫_(-2)² ( 2 - y/2 ) dy = 8.
注意

解法一与解法二中的累次积分交换了积分顺序,但是它们对 x 与对 y 的积分上、下限均未发生变化。这种情况仅对矩形域才会出现。

例 2.2 计算 ∬(σ)(x2+y2)dσ\iint_{(\sigma)} (x^2 + y^2) \mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为直线 x = 1, y = 0 及抛物线 y = x² 所围成的区域。

图 6.9 积分区域示意图

解

解法一:画出积分域 (σ) 如图 6.9 所示。将 (σ) 视为 x 型区域。它在 x 轴上的投影为 [0, 1]。∀ x ∈ [0, 1],作与 y 轴平行同向的直线,与 (σ) 的下边界和上边界交点的纵坐标分别为 y = 0 与 y = x²。先对 y 后对 x 积分可得

iint_((σ)) (x² + y²) dσ = ∫₀¹ dx ∫₀ˣ² (x² + y²) dy= ∫₀¹ ( x²y + (y³)/(3) ) g|₀ˣ² dx = ∫₀¹ ( x⁴ + (x⁶)/(3) ) dx = (26)/(105).

解法二:将 (σ) 视为 y 型区域。它在 y 轴上的投影为 [0, 1]。∀ y ∈ [0, 1],作与 x 轴平行同向的直线,它与 (σ) 的左边界和右边界交点的横坐标分别为 x = √(y) 与 x = 1。先对 x 后对 y 积分可得

iint_((σ)) (x² + y²) dσ = ∫₀¹ dy ∫_(√(y))¹ (x² + y²) dx= ∫₀¹ ( 1/3 + y² - 1/3y³/2 - y⁵/2 ) dy = (26)/(105).
例 2.3 计算 ∬(σ)xydσ\iint_{(\sigma)} xy \mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为抛物线 y² = x 与直线 y = x - 2 所围成的区域。

图 6.10 积分区域示意图

解

画出积分域 (σ) 如图 6.10 所示。将 (σ) 视为 y 型区域,为向 y 轴投影,先求出直线与抛物线的交点,它们是 A(4, 2) 与 B(1, -1),于是 (σ) 在 y 轴上的投影为区间 [-1, 2]。∀ y ∈ [-1, 2],作与 x 轴平行同向的直线,穿入、穿出 (σ) 边界点的横坐标分别为 x = y² 与 x = y + 2。于是先对 x 后对 y 积分可得

iint_((σ)) xy dσ = ∫_(-1)² dy ∫_(y²ʸ+2) xy dx= 1/2 ∫_(-1)² y [ (y + 2)² - y⁴ ] dy = 55/8.

如果将 (σ) 看作 x 型区域,它在 x 轴上的投影为区间 [0, 4]。由于当 x ∈ [0, 1] 与 x ∈ [1, 4] 时,与 y 轴平行同向的直线穿入 (σ) 的边界曲线有不同的方程,故必须用直线 x = 1 将 (σ) 分成两部分(图 6.10),把 (σ) 看作是 (σ₁) 与 (σ₂) 两个 x 型区域的并。分别先对 y 后对 x 积分,得

iint_((σ)) xy dσ = ∫₀¹ dx ∫_(-√(x))^(√(x)) xy dy + ∫₁⁴ dx ∫ₓ-2^(√(x)) xy dy.

由上式可以算出得到同样结果,但这种方法计算显然麻烦一些。

如果利用对称性就会方便一些。由于 (σ₁) 关于 x 轴对称,而被积函数是关于 y 的奇函数,所以

iint_((σ₁)) xy dσ = 0, 于是iint_((σ)) xy dσ = iint_((σ₂)) xy dσ = ∫₁⁴ dx ∫ₓ-2^(√(x)) xy dy = 55/8.
例 2.4 计算 ∬(σ)sin⁡xxdσ\iint_{(\sigma)} \frac{\sin x}{x} \mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为直线 y = x 与抛物线 y = x² 所围成的区域。

图 6.11 积分区域示意图

解

画出积分域 (σ) 如图 6.11 所示。先对 y 后对 x 积分,得

iint_((σ)) (sin x)/(x) dσ = ∫₀¹ dx ∫ₓ²ˣ (sin x)/(x) dy= ∫₀¹ (sin x)/(x) (x - x²) dx = 1 - sin 1.
注

这里被积函数在点 (0, 0) 无定义,但由于当 x → 0 时其极限存在,而改变被积函数在个别点的值不影响其积分值,故此时可理解为对此时被积函数在点 (0, 0) 用极限值补充定义后再讨论。

如果先对 x 后对 y 积分,则有

iint_((σ)) (sin x)/(x) dσ = ∫₀¹ dy ∫_(y)^(√(y)) (sin x)/(x) dx.

由于 (sin x)/(x) 的原函数不能用初等函数表示,因而无法继续进行计算。

注意

由例2.3 和例2.4 可以看到,计算二重积分时,选取适当的积分顺序是一个值得注意的问题。如果积分顺序选取不当,不仅可能引起计算上的麻烦,而且可能导致积分无法算出。

例 2.5 计算 ∬(σ)(x2y2+xy3ex2+y2)dσ\iint_{(\sigma)} (x^2y^2 + xy^3e^{x^2+y^2}) \mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为直线 y = x, y = -1 与 x = 1 所围成的区域。

图 6.12 积分区域示意图

解

画出积分域 (σ) 如图 6.12 所示的三角形 ABC。由于被积函数比较复杂,直接计算是比较耗时的,为了利用对称性,作辅助线 y = -x,将 (σ) 划分为由 OAB 所构成的三角形域 (σ₁) 与由 OBC 所构成的 (σ₂),它们分别关于 y 轴和 x 轴对称。将所给积分拆开,有

iint_((σ)) (x²y² + xy³eˣ²+y²) dσ = iint_((σ₁)) x²y² dσ + iint_((σ₁)) xy³eˣ²+y² dσ + iint_((σ₂)) x²y² dσ + iint_((σ₂)) xy³eˣ²+y² dσ,

由于 (σ₁) 关于 y 轴对称,而被积函数 xy³eˣ²+y² 是 x 的奇函数,由对称性可知

iint_((σ₁)) xy³eˣ²+y² dσ = 0;

由于 (σ₂) 关于 x 轴对称,而被积函数也是 y 的奇函数,所以

iint_((σ₂)) xy³eˣ²+y² dσ = 0.

再注意 x²y² 关于 x 与 y 都是偶函数,将由 x 轴、y 轴、x = 1, y = -1 所围成的正方形域记作 (σ₀),于是分别利用关于 y 轴和 x 轴的对称性可知

iint_((σ)) x²y² dσ = 2 iint_((σ₀)) x²y² dσ = 2 ∫₀¹ x² dx ∫_(-1)¹ y² dy = 2/9.

综上可知,所求二重积分的值等于 2/9.

例 2.6 交换累次积分

交换累次积分

I = ∫_(-2)⁰ dx ∫₀^((2+x)/(2)) f(x, y) dy + ∫₀² dx ∫₀^((2-x)/(2)) f(x, y) dy

的积分顺序。

图 6.13 积分区域示意图

解

首先,由此累次积分来确定(相应二重积分的)积分域 (σ)。由所给的上、下限可知,x, y 的变化范围是

0 ≤slant y ≤slant (2+x)/(2), -2 ≤slant x ≤slant 0;0 ≤slant y ≤slant (2-x)/(2), 0 ≤slant x ≤slant 2.

由这些不等式可画出积分域 (σ) 如图 6.13 所示。然后将原积分化为先对 x 后对 y 的累次积分,得

I = ∫₀¹ dy ∫₂y-2²-2y f(x, y) dx.
注意

交换累次积分的顺序时,先要根据累次积分的积分限画出相应二重积分的积分域,再根据积分域的特性化为另一顺序的累次积分。

2.3 极坐标系下二重积分的计算法

Section titled “2.3 极坐标系下二重积分的计算法”

在定积分的计算中,换元法发挥了重要的作用,我们常常可通过变量变换把一个难算的定积分化为容易计算的。二重积分的计算中也有类似的有换元法,不过二重积分计算的困难不仅出现在被积函数上,更多地体现在积分域的形状上。

对于二重积分

iint_((σ)) f(x, y) dσ = lim_(d → 0) ∑_((σ)) f(x, y) Δ σ,

设被积函数在积分域上连续。若积分域 (σ) 与被积函数 f(x, y) 用极坐标表示更为简便,则应考虑将其化为极坐标系下的二重积分来计算。为此,建立极坐标系,令极点与 xOy 直角坐标系的原点重合,x 轴取为极轴。利用直角坐标与极坐标的转换公式

x = ρ cos θ, y = ρ sin θ (0 ≤slant ρ < +∞, 0 ≤slant θ ≤slant 2π) (2.4)

把 (σ) 的边界曲线方程化为极坐标,并将被积函数转换为

f(x, y) = f(ρ cos θ, ρ sin θ).

为了把面积微元 dσ 用极坐标表出,我们用极坐标曲线网

ρ = 常数, θ = 常数

来划分积分域 (σ)(图 6.15)。容易看出,规则子域 (Δ σ) 的面积为

Δ σ = 1/2 [ (ρ + Δ ρ)² Δ θ - ρ² Δ θ ] = ρ Δ ρ Δ θ + 1/2 (Δ ρ)² Δ θ.

当 Δ ρ 与 Δ θ 均充分小时,略去高项 1/2 (Δ ρ)² Δ θ,得

Δ σ ≈ ρ Δ ρ Δ θ.

从而

lim_(d → 0) ∑_((σ)) f(x, y) Δ σ = lim_(d → 0) ∑_((σ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ Δ ρ Δ θ,

即

iint_((σ)) f(x, y) dσ = iint_((σ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ dθ (2.5)

可见在极坐标系下的面积微元为

dσ = ρ dρ dθ,

而 (2.5) 式右端的积分就是极坐标系下的二重积分,其中 (σ) 的边界曲线由极坐标方程给出。

图 6.15 极坐标曲线网示意图

注意

将直角坐标系下的二重积分化为极坐标计算时要注意三点:

  1. 将积分域的边界曲线用极坐标表示;
  2. 将被积函数转换为极坐标形式;
  3. 将积分微元转换成极坐标形式,即 dσ = ρ dρ dθ。

为了把极坐标系下的二重积分 iint_((σ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ dθ 化成累次积分,我们应用“无限累加”的思想。由图 6.15 可见,当我们用射线 θ = C 切割区域 (σ) 时,开始于 θ = α,终止于 θ = β,而当 θ ∈ [α, β] 时,(σ) 的边界曲线被分成关于 ρ 的两个单值支 M₁P₁P₂ 与 P₁M₂P₂,其方程分别为 ρ = ρ₁(θ) 与 ρ = ρ₂(θ) (α ≤slant θ ≤slant β)。[α, β] 就是 θ 的变化区间,∀ θ ∈ (α, β),作从坐标原点出发的射线,穿入、穿出 (σ) 边界点的 ρ 坐标分别为 ρ₁(θ), ρ₂(θ)。于是 [ρ₁(θ), ρ₂(θ)] 便是 ρ 的变化区间。我们对子域 (Δ σ) 上的乘积 f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ Δ ρ Δ θ “无限累加”时,先关于 ρ 无限累加一些扇形状长条得 ∫_(ρ₁(θ))^(ρ₂(θ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ Δ θ,然后再关于 θ 在 [α, β] 上无限累加,便得

iint_((σ)) f(x, y) dσ = iint_((σ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ dθ = ∫_(α)^(β) dθ ∫_(ρ₁(θ))^(ρ₂(θ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ (2.6)

当用同心圆 ρ = C 切割 (σ) 时,开始于 ρ = a,终止于 ρ = b(图 6.15)。[a, b] 就是对 ρ 的变化区间。这时,(σ) 的边界曲线被分成关于 θ 的两个单值支 M₁P₁M₂ 与 M₁P₂M₂,分别记为 θ = θ₁(ρ) 与 θ = θ₂(ρ)。∀ ρ ∈ (a, b),用以原点为圆心,ρ 为半径的圆逆时针方向穿过 (σ),穿入、穿出 (σ) 边界点的 θ 坐标分别为 θ₁(ρ) 与 θ₂(ρ)。于是 [θ₁(ρ), θ₂(ρ)] 便是 θ 的变化区间。对子域 (Δ σ) 上的乘积关于 θ “无限累加”,再关于 ρ “无限累加”,得

iint_((σ)) f(x, y) dσ = iint_((σ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dρ dθ = ∫ₐ^(b) dρ ∫_(θ₁(ρ))^(θ₂(ρ)) f(ρ cos θ, ρ sin θ) ρ dθ (2.7)
例 2.7 计算 I=∬(σ)(x2+y2)dσI = \iint_{(\sigma)} (x^2 + y^2) \mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为不等式 a² ≤slant x² + y² ≤slant b² 所确定的区域(图 6.16)。

图 6.16 环形区域示意图

解

把 (σ) 用极坐标表示为 a ≤slant ρ ≤slant b, 0 ≤slant θ ≤slant 2π,将被积式化为极坐标形式,根据上述定法容易得到

I = iint_((σ)) ρ² · ρ dρ dθ = ∫₀²π dθ ∫ₐ^(b) ρ³ dρ = (π)/(2) (b⁴ - a⁴).
例 2.8 柱面与球面相交立体的体积计算

计算由不等式 x² + y² + z² ≤slant 4a² 与 x² + y² ≤slant 2ay 所确定的立体的体积。

图 6.17 立体图形示意图

思路分析

通过极坐标变换简化二重积分的计算,特别是当积分区域 σ 与圆或圆弧相关时。

解

这两个不等式表示位于球面与柱面内公共部分的立体,其图形在 xOy 平面上方的部分如图 6.17 所示。由对称性可知,所求立体的体积是它在第一卦限中那部分体积的四倍。第一卦限内的这个立体是以球面 z=√(4a²-x²-y²) 为顶,以 xOy 平面上的半圆域 (σ) = {(x,y) | x²+y² ≤slant 2ay, x ≥slant 0} 为底的曲顶柱体,把域 (σ) 用极坐标表示为

{(ρ, θ) | 0 ≤slant ρ ≤slant 2a sin θ, 0 ≤slant θ ≤slant (π)/(2)} (6.18)

(图 6.18). 应用公式 (2.5) 得所求立体的体积为

V &= 4 iint_((σ)) √(4a²-x²-y²) dσ &= 4 iint_((σ)) √(4a²-ρ²) ρ dρ dθ

图 6.18 积分区域 σ 的极坐标表示

为将它化为先对 ρ 后对 θ 积分的累次积分,用射线 θ=c (常数) 切割区域 (σ) (图 6.18),由 θ=0 到 θ=(π)/(2) 切割完毕。对 [0, (π)/(2)] 的每一确定 θ 值,ρ 的变化由 ρ=0 到 ρ=2a sin θ,所以有

V &= 4 ∫₀^((π)/(2)) dθ ∫₀²a sin θ √(4a²-ρ²) ρ dρ &= 4 ∫₀^((π)/(2)) [ -1/3(4a²-ρ²)³/2 g|₀²a sin θ ] dθ &= (32a³)/(3) ∫₀^((π)/(2)) (1-cos³ θ) dθ = (16)/(9)a³(3π-4).
例 2.9 将累次积分化为极坐标系中的累次积分

计算 I = ∫₀¹ dx ∫₁-x^(√(1-x²)) f(x²+y²) dy。

解

在直角坐标系中 I 的积分域为

(σ) = {(x,y) | 1-x ≤slant y ≤slant √(1-x²), 0 ≤slant x ≤slant 1}

它是由圆弧 y=√(1-x²) 与直线 y=1-x 所围成,如图 6.19 所示。它们的极坐标方程分别为

ρ=1 与 ρ = (1)/(sin θ + cos θ)

应用与例2.8 类似的方法可得

I &= iint_((σ)) f(x²+y²) dy dx = iint_((σ)) f(ρ²) ρ dρ dθ &= ∫₀^((π)/(2)) dθ ∫_((1)/(sin θ + cos θ))¹ f(ρ²) ρ dρ.

图 6.19 积分区域 σ 的几何形状

例 2.10 计算 ∬(σ)e−(x2+y2) dσ\iint_{(\sigma)} e^{-(x^2+y^2)} \,\mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为圆域 x²+y² ≤slant R²。

解

采用极坐标,则积分域

(σ) = {(ρ, θ) | 0 ≤slant ρ ≤slant R, 0 ≤slant θ ≤slant 2π}

于是

iint_((σ)) e⁻(x²+y²) dσ &= iint_((σ)) e⁻ρ² ρ dρ dθ = ∫₀²π dθ ∫₀^(R) e⁻ρ² ρ dρ &= ∫₀²π 1/2(1-e⁻R²) dθ = (1-e⁻R²)π.
注意

读者容易看出,由于 ∫ e⁻x² dx 不能用初等函数表示,故在 xOy 直角坐标系下,这个二重积分是无法求出的。

例 2.11 计算 ∬(σ)x2 dσ\iint_{(\sigma)} x^2 \,\mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 是由圆周 x²+y²=R² 与直线 y=-x 所围成的右上半圆域 (图 6.20)。

解

本题可以直接化为极坐标计算,但运算显得复杂。注意到积分域 (σ) 关于 x 与 y 具有轮换对称性,即关于直线 y=x 对称,于是

iint_((σ)) x² dσ = iint_((σ)) y² dσ = 1/2 iint_((σ)) (x²+y²) dσ.

又由于被积函数 x²+y² 关于 x 和 y 都是偶函数,由积分域的部分对称性可知

iint_((σ)) (x²+y²) dσ = 2 iint_((σ₀)) (x²+y²) dσ,

其中 (σ₀) 是圆 x²+y² ≤slant R² 在第一象限部分,于是

iint_((σ)) x² dσ = iint_((σ₀)) (x²+y²) dσ = ∫₀^((π)/(2)) ∫₀^(R) ρ² · ρ dρ dθ = 1/8π R⁴.

图 6.20 积分区域 σ 的分布

2.4 曲线坐标下二重积分的计算方法

Section titled “2.4 曲线坐标下二重积分的计算方法”

在 2.3 段中我们看到,运用极坐标变换有时可使二重积分的计算简化,但是,极坐标只是一种特殊的坐标变换,有时需要使用其他形式的坐标变换。

例 2.12 在区域 (σ)(\sigma) 上计算重积分

计算 iint_((σ)) (y-x) dσ,其中区域 (σ) 如图 6.21 所示。

图 6.21 积分区域 σ 的边界直线方程

由图可见,无论将 (σ) 作为 x 或 y 型区域都需要把 (σ) 分成三个子域来计算,颇为麻烦,而且此积分域 (σ) 也不宜于化为极坐标。

下面,我们介绍在一般形式的坐标变换下计算二重积分 iint_((σ)) f(x,y) dσ(其中 f 在 (σ) 上连续)的方法,也就是二重积分的一般换元法。

作变换

T: u = u(x,y), & (x,y) ∈ (σ), v = v(x,y), & (u,v) ∈ (σ'),

其中 (σ) 与 (σ') 均为平面有界区域。若以下三个条件满足:

(1) 函数 u, v ∈ C^((1))((σ));

(2) Jacobi 行列式 displaystyle (∂(u,v))/(∂(x,y)) = uₓ & u_y vₓ & v_y ≠ 0, ∀ (x,y) ∈ (σ);

(3) 此变换将 xOy 直角坐标平面中的域 (σ) ——对应地映射为 uOv 直角坐标平面中的 (σ') (图 6.22),

则称变换 T 为一正则变换。可以证明(从略),在正则变换 T 下,存在唯一的逆变换

T⁻1: x = x(u,v), y = y(u,v), (u,v) ∈ (σ'),

它将 (σ') 变为 (σ),也是正则的,而且保持将 (σ') 的内部变为 (σ) 的内部,外部变为外部,边界变为边界。

现在,对于二重积分 iint_((σ)) f(x,y) dσ,我们用变换 T 将 xOy 直角坐标平面中的积分域 (σ) 映射为 uOv 直角坐标平面中的域 (σ')。为了计算变换到 uOv 平面中 (σ') 上的二重积分,我们用坐标线 u=c₁, v=c₂ 来划分区域 (σ'),其中 c₁ 与 c₂ 均为常数。显然,在 uOv 直角坐标平面上,子域 (Δ σ') 的面积 Δ σ' = Δ u · Δ v (图 6.23 (a))。为了建立二重积分在 这两个直角坐标系下的关系,我们利用 T 的逆变换 T⁻1 把 (Δ σ') 平面 (图 6.23 (xOy 平面 (图 6.23 (b))。

图 6.22 变换 T 的映射关系

图 6.23 面积微元的变换推导

注意

之所以 (Δ σ) 可以近似地看成所述的平行四边形,是因为容易证明含去高阶无穷小后,Q₀ vecQ₁ = Q₂ vecQ₃。事实上,

vecQ₀ Q₁ = r(u₀ + Δ u, v₀) - r(u₀, v₀) = rᵤ(u₀, v₀) Δ u + o(Δ u),vecQ₀ Q₂ = r(u₀, v₀ + Δ v) - r(u₀, v₀) = rᵥ(u₀, v₀) Δ v + o(Δ v),

取其线性主部,于是

Δ σ ≈ |vecQ₀ Q₁ × vecQ₀ Q₂| ≈ |rᵤ × rᵥ|_((u₀, v₀)) · Δ u Δ v.

由逆变换 T⁻1 的表达式可见,T⁻1 将直线 v=v₀ 映射为 xOy 平面上的曲线 c₁:

c₁: x = x(u, v₀), y = y(u, v₀),

写成向量形为 r = (x(u, v₀), y(u, v₀)) = r(u, v₀);将 uOv 平面上的直线 v = v₀ + Δ v 映射为曲线

c₃: x = x(u, v₀ + Δ v), y = y(u, v₀ + Δ v), 或 r = r(u, v₀ + Δ v).

同理,直线 u=u₀ 与 u=u₀+Δ u,将分别被映射为 c₂: r = r(u₀, v) 与 c₄: r = r(u₀ + Δ u, v)。

于是 uOv 平面上的子域 (Δ σ') 将 T⁻1 映射为 xOy 平面上以 Q₀, Q₁, Q₃, Q₂ 为顶点的曲线四边形 (Δ σ) (图 6.23 (b))。由于 Δ u 与 Δ v 很小,所以 (Δ σ) 的面积 Δ σ 可近似地看作是由直线段 Q₀ Q₁, Q₁ Q₃, Q₃ Q₂, Q₂ Q₀ 所围成的平行四边形面积,即

Δ σ ≈ |vecQ₀ Q₁ × vecQ₀ Q₂|.
注意

这里实际上是用一元向量函数 r(u, v₀) 在 u=u₀ 处的向量微分 rᵤ(u₀, v₀) Δ u 近似代替了向量 vecQ₀ Q₁。由向量微分 rᵤ(u₀, v₀) Δ u 位于曲线 (c₁) 在 (u₀, v₀) 处的切线上,与 Δ u 同向,其模是弧微分 vecQ₀ Q₁ 在点 Q₀ 处的弧微分,也就是 vecQ₀ Q₁ 弧长的线性主部。

由此可得面积微元的变换关系:

= i & j & k xᵤ & yᵤ & 0 xᵥ & yᵥ & 0 _((u₀, v₀)) Δ u Δ v = | (∂(x,y))/(∂(u,v)) |_((u₀, v₀)) Δ u Δ v.

由于 (u₀, v₀) 是 (σ) 中的任一点,故可将下标省去。所以

dσ = | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | du dv = | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | dσ', (2.8)

其中 dσ' = du dv 是 uOv 直角坐标平面上的面积微元。 (2.8) 式表明,映射 T 将 xOy 平面上的面积微元 dσ 映射成 uOv 平面上的面积微元 dσ',使面积产生了伸缩,伸缩系数为 | (∂(x,y))/(∂(u,v)) |。于是,在映射 T 的作用下,xOy 坐标系下的二重积分与 uOv 坐标系下二重积分之间的关系为

iint_((σ)) f(x,y) dσ = iint_((σ')) f[x(u,v), y(u,v)] | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | dσ'. (2.9)

对于 uOv 直角坐标系下由 (2.9) 右端所表示的二重积分应用公式 (2.2) 或 (2.3),便可将其化为对变量 u 与 v 的累次积分。

应当指出,如果 Jacobi 行列式 (∂(x,y))/(∂(u,v)) 在域 (σ') 上的个别点或一条曲线上为零,而在其他点上不为零,那么公式 (2.9) 仍然成立。

现在,我们利用公式 (2.9) 来计算例2.12 中的二重积分 iint_((σ)) (y-x) dσ 如图 6.21 所示。(σ) 如图 6.21 所示。

解

注意到 (σ) 的边界是由直线族 y-x=c₁ 中的两条平行直线(对应于 c₁=1 与 c₁=-3)以及直线族 y+1/3x=c₂ 中的两条平行直线(对应于 c₂=7/9 与 c₂=5)所围成,这就启发我们去做变换

u = y-x, v = y+1/3x. (2.10)

变换 (2.10) 将 xOy 平面上的区域 (σ) 映射成 uOv 直角坐标平面上的 (σ') (图 6.24)。由于(见第五章公式 (5.47))

(∂(x,y))/(∂(u,v)) = (1)/((∂(u,v))/(∂(x,y))) = (1)/( -1 & 1 1/3 & 1 ) = (1)/(-4/3) = -3/4.

由 (2.10) 式注意到 y-x=u,于是由公式 (2.9) 可得

I &= iint_((σ)) (y-x) dσ = ∫_((σ')) u | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | dσ' &= 3/4 iint_((σ')) u du dv = 3/4 ∫_c₂ dv ∫_c₁ u du = -(38)/(3).

图 6.24 变换后的矩形区域 σ'

值得指出,由于变换 (2.10) 在 xOy 平面上的几何意义比较明显,我们也可以直接在 xOy 平面上利用“无限累加”的思想通过变换把二重积分化为累次积分,而不必把域 (σ) 映射到 uOv 直角坐标平面上去计算。这时,利用 u=y-x=c₁, v=y+1/3x=c₂ 分割域 (σ),就是用与 (σ) 边界直线相平行的直线族分割 (σ)。由公式 (2.8) 可知,面积微元

dσ = | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | du dv = 3/4 du dv,

从而,在 xOy 平面上有

iint_((σ)) (y-x) dσ = iint_((σ)) u | (∂(x,y))/(∂(u,v)) | du dv = 3/4 iint_((σ)) u du dv.

在 (σ) 上“无限累加”乘积项 du dv 时,先沿 u 增加方向累加,再沿 v 增加方向累加,由图 6.24 直接可得

I = 3/4 iint_((σ)) u du dv = 3/4 ∫_c₂ dv ∫_c₁ u du = -(38)/(3).

事实上,在 2.3 段中对于极坐标换元法,我们所采用的主要方法就是把二重积分在 xOy 平面上通过变换化成极坐标的累次积分去计算的。

例 2.13 计算 ∬(σ)xy dσ\iint_{(\sigma)} \sqrt{xy} \,\mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为由曲线 xy=1, xy=2, y=x, y=4x (x>0, y>0) 所围成的区域。

解

由图 6.25 可见,如果我们将直角坐标直接计算此积分,必须把积分域 (σ) 分成三个子域来进行,比较麻烦。为了使所给积分容易计算,我们采用曲线坐标变换:

u = xy, v = y/x. (2.11)

图 6.25 积分区域 σ 的边界曲线

在此变换下 (σ) 的边界曲线映射成 uOv 直角坐标平面上的矩形域

(σ') = {(u,v) | 1 ≤slant u ≤slant 2, 1 ≤slant v ≤slant 4},

为了求得积分微元的变换式,我们求出

(∂(u,v))/(∂(x,y)) = y & x -(y)/(x²) & 1/x = y/x + y/x = 2y/x,

从而

(∂(x,y))/(∂(u,v)) = (1)/((∂(u,v))/(∂(x,y))) = (1)/(2v),

于是,由 (2.9) 式得

iint_((σ)) √(xy) dσ = iint_((σ')) √(u) (1)/(2v) du dv = 1/2 ∫₁⁴ 1/v dv ∫₁² √(u) du = 2/3(2√(2)-1)ln 2.
例 2.14 计算 I=∬(σ)x2 dσI = \iint_{(\sigma)} x^2 \,\mathrm{d}\sigma

其中 (σ) 为椭圆 (x²)/(4) + (y²)/(9) = 1 的内部。

解

由于积分域是椭圆,如果采用极坐标变换,积分域的边界曲线方程变得比较复杂,使积分难以计算。为简化积分域的边界曲线方程,我们运用曲线坐标变换

(x²)/(4) = ρ² cos² θ, (y²)/(9) = ρ² sin² θ,

即

x = 2ρ cos θ, y = 3ρ sin θ (0 ≤slant ρ < +∞, 0 ≤slant θ ≤slant 2π). (2.12)

此变换的逆变换将 xOy 平面上所给的椭圆映射成 θ Oρ 直角坐标平面上的矩形域 (σ') = {(θ, ρ) | 0 ≤slant θ ≤slant 2π, 0 ≤slant ρ ≤slant 1}。由于

dσ = | (∂(x,y))/(∂(θ, ρ)) | dρ dθ = 6ρ dρ dθ,

从而

I = iint_((σ')) 4ρ² cos² θ · 6ρ dρ dθ = 24 ∫₀²π cos² θ dθ ∫₀¹ ρ³ dρ = 6π.
注意

变换 (2.12) 在 ρ=0 与射线 θ=2π 上不满足正则变换的条件。这时参照二维码 6.2.4 中对极坐标的处理方法可知公式 (2.9) 仍然成立。

形如例2.12 中所用的变换

x = aρ cos θ, y = bρ sin θ (0 ≤slant ρ < +∞, 0 ≤slant θ ≤slant 2π)

称为广义极坐标变换。容易看出,在此变换下,面积微元 dσ = abρ dρ dθ。当 a=b=1 时,广义极坐标变换就是极坐标变换。这时通过 Jacobi 行列式算得的面积微元就是 dσ = ρ dρ dθ,与 2.3 段中所得一致。

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