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§22.222.2 二重积分的计算

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

22.2.1 矩形区域上的二重积分

Section titled “22.2.122.2.1 矩形区域上的二重积分”

矩形上的二重积分在一定条件下可以化为二次积分进行计算.

设 f(x,y) 在矩形 A = [a,b]× [c,d] 上可积,且对每个固定的 x∈ [a,b] ,积分

φ (x) = ∫_ c ^ d f (x, y) d y

存在,则 φ(x) 在 [a, b] 上可积,并且

iint_ A f (x, y) d x d y = ∫_ a ^ b d x ∫_ c ^ d f (x, y) d y.

由此可以看出,若 f(x,y) 在 A 上连续,则两个二次积分是相等的 (都等于二重积分), 积分值与积分顺序无关.但积分顺序不同时,积分的难度可能相差很大.请看下面的例子.

例题 22.2.122.2.1

设 A = [0,1]× [0,1] ,求

I = iint_ A frac y d x d y(1 + x ^ 2 + y ^ 2) ^ 3 / 2.
解

先对 y 后对 x 积分,得到

r l I & = ∫_ 0 ^ 1 d x ∫_ 0 ^ 1 frac y d y(1 + x ^ 2 + y ^ 2) ^ 3 / 2 & = ∫_ 0 ^ 1 (frac 1sqrt x ^ 2 + 1 - frac 1sqrt x ^ 2 + 2) d x = ln frac 2 + sqrt 21 + sqrt 3.

先对 x 后对 y 积分,则得到

r l I & = ∫_ 0 ^ 1 y d y ∫_ 0 ^ 1 frac d x(1 + x ^ 2 + y ^ 2) ^ 3 / 2 & = ∫_ 0 ^ 1 y [ frac 11 + y ^ 2 · frac x(1 + x ^ 2 + y ^ 2) ^ 1 / 2 | _ x = 0 ^ x = 1 ] d y & = ∫_ 0 ^ 1 frac y d y(1 + y ^ 2) (2 + y ^ 2) ^ 1 / 2 (sqrt 2 + y ^ 2 = t) & = ∫_ sqrt 2 ^ sqrt 3 frac d tt ^ 2 - 1 = frac 12 ln frac t - 1t + 1 | _ sqrt 2 ^ sqrt 3 = frac 12 ln frac (sqrt 3 - 1) (sqrt 2 + 1)(sqrt 3 + 1) (sqrt 2 - 1) & = frac 12 ln frac 2 (sqrt 2 + 1) ^ 2(sqrt 3 + 1) ^ 2 = ln frac 2 + sqrt 21 + sqrt 3.

在 f 不满足可积或累次可积的条件时,情况就比较复杂,请看下面反例.

例题 22.2.222.2.2

设函数 f 定义在 A = [0,1] × [0,1] 上,

f (x, y) = { l l 1, & text 当 x text 是无理数, 2 y, & text 当 x text 是有理数, .

则 (1) f 在 A 上不可积;

(2) ∫₀¹dx∫₀¹f(x,y)dy 存在,∫₀¹dy∫₀¹f(x,y)dx 不存在.

证明

(1) ∀ y ∈ [0,1] , y ≠ 1/2 , f(x,y) 作为 x 的函数在 [0,1] 内处处不连续,所以 f(x,y) 在 A 上的 y ≠ 1/2 的每点处都不连续.于是 f 在 A 上不可积.

(2) 由于

∫_ 0 ^ 1 f (x, y) d y = { l l ∫_ 0 ^ 1 d y = 1, & text 当 x text 为无理数, ∫_ 0 ^ 1 2 y d y = 1, & text 当 x text 为有理数, .

所以

∫_ 0 ^ 1 d x ∫_ 0 ^ 1 f (x, y) d y = ∫_ 0 ^ 1 d x = 1.

另一方面, ∀ y ∈ [0,1], y ≠ 1/2, f(x,y) 作为 x 的一元函数,在 [0,1] 内每一点处都不连续,于是 ∫₀¹ f(x,y) dx 对每个 y ≠ 1/2 都不存在,从而

∫_ 0 ^ 1 d y ∫_ 0 ^ 1 f (x, y) d x

不存在.

类似地,也有二重积分存在,但两个二次积分不存在以及两个二次积分存在且相等,但二重积分不存在的例子.

22.2.2 一般区域上的二重积分

Section titled “22.2.222.2.2 一般区域上的二重积分”

设 f 是区域 D 上的可积函数,又设 D 可以表示为 x 型区域:

D = {(x, y) | y _ 1 (x) ≤slant y ≤slant y _ 2 (x), a ≤slant x ≤slant b },

其中 y₁(x) , y₂(x) 为 x 的函数,且对每一个固定的 x ∈ [a, b],积分

φ (x) = ∫_ y _ 1 (x) ^ y _ 2 (x) f (x, y) d y

存在,则 φ(x) 在 [a, b] 上可积,且 f 在 D 上的二重积分可化为先对 y 后对 x 的积分

iint_ D f (x, y) d x d y = ∫_ a ^ b d x ∫_ y _ 1 (x) ^ y _ 2 (x) f (x, y) d y.

同样地,如果区域 D 可以表示为 y 型区域

D = {(x, y) | x _ 1 (y) ≤slant x ≤slant x _ 2 (y), c ≤slant y ≤slant d },

其中 x₁(y) , x₂(y) 为 y 的函数,且对每一个固定的 y ∈ [a, b],积分

ψ (y) = ∫_ x _ 1 (y) ^ x _ 2 (y) f (x, y) d x

存在,则 ψ(y) 在 [c,d] 上可积,且有

iint_ D f (x, y) d x d y = ∫_ c ^ d d y ∫_ x _ 1 (y) ^ x _ 2 (y) f (x, y) d x.

对于一般区域,如区域可分成若干个不相交的 x 型区域和 y 型区域的并,则可先分别计算这些区域上积分的值,然后通过积分的区域可加性求原积分的值.

在具体计算时,应根据积分区域和被积函数的情况,以方便计算为原则,权衡利弊,决定采用哪种积分区域的分解与积分顺序.画出积分区域的草图往往有助于做出正确的选择.

例题 22.2.322.2.3

设区域 D = {(x,y)| 2y≤slant x² +y²≤slant 4y,x≥slant 0}.分别将 D 表示为 x 型区域和 y 型区域.

解 (1) 表示为 x 型区域,D 可分为三块 (见图22.2), 其中

D _ 1 = { l 0 ≤slant x ≤slant 1, 2 - sqrt 4 - x ^ 2 ≤slant y ≤slant 1 - sqrt 1 - x ^ 2, .D _ 2 = { l 0 ≤slant x ≤slant 1, 1 + sqrt 1 - x ^ 2 ≤slant y ≤slant 2 + sqrt 4 - x ^ 2, .D _ 3 = { l l 1 ≤slant x ≤slant 2, 2 - sqrt 4 - x ^ 2 ≤slant y ≤slant 2 + sqrt 4 - x ^ 2. .

(2) 表示为 y 型区域,D 可分为两块 (见图 22.3), 其中

E _ 1 = { l l 0 ≤slant y ≤slant 2, sqrt 2 y - y ^ 2 ≤slant x ≤slant sqrt 4 y - y ^ 2, . E _ 2 = { l l 2 ≤slant y ≤slant 4, 0 ≤slant x ≤slant sqrt 4 y - y ^ 2. .
图22.222.2
图22.322.3

当 f(x,y) 中含有 x² + y² 项或 D 的边界表达式中有 x² + y² 项,则可利用

iint_ D f (x, y) d x d y = iint_ D f (r cos θ , r sin θ) r d r d θ (22.3)

先化为极坐标下的二重积分,然后化为关于 r 和 θ 的二次积分去求解.

例题 22.2.422.2.4

将例题 22.2.3 中的区域 D 分解为 θ 型区域与 r 型区域.

解 在极坐标系中,D 的边界

x ^ 2 + y ^ 2 = 2 y, x ^ 2 + y ^ 2 = 4 y, x = 0

分别为

r = 2 sin θ , r = 4 sin θ , θ = frac π2.

于是表示为 θ 型区域是

0 ≤slant θ ≤slant frac π2, 2 sin θ ≤slant r ≤slant 4 sin θ ;

表示为 r 型区域为 (见图 22.4):

D _ 1 = { l l 0 ≤slant r ≤slant 2, arcsin frac r4 ≤slant θ ≤slant arcsin frac r2, .D _ 2 = { l l 2 ≤slant r ≤slant 4, arcsin frac r4 ≤slant θ ≤slant frac π2. .
图22.422.4
例题 22.2.522.2.5

求 lim_(R→ +∞)iint limits_(substack|x|≤slant R |y|≤slant R)(x² +y²)e⁻(x² +y²)dxdy.

解

记

I _ R = iint_ substack | x | ≤slant R | y | ≤slant R (x ^ 2 + y ^ 2) e ^ - (x ^ 2 + y ^ 2) d x d y,C _ R = iint_ x ^ 2 + y ^ 2 ≤slant R ^ 2 (x ^ 2 + y ^ 2) e ^ - (x ^ 2 + y ^ 2) d x d y,

则 C_R ≤slant I_R ≤slant C₂R,且

r lC _ R&= ∫_ 0 ^ 2 π d θ ∫_ 0 ^ R r ^ 3 e ^ - r ^ 2 d r = π ∫_ 0 ^ R ^ 2 t e ^ - t d t&= π (1 - e ^ - R ^ 2 - R ^ 2 e ^ - R ^ 2) longrightarrow π (R arrow + ∞).

同理可证 C₂R→ π (R→ +∞).于是

lim _ R arrow + ∞ I _ R = π .
例题 22.2.622.2.6

作极坐标变换,将二重积分

iint_ D f (sqrt x ^ 2 + y ^ 2) d x d y

化为定积分,其中 D={(x,y)|0≤slant y≤slant x≤slant1} .

解

令 x = rcos φ, y = rsin φ, 则

r l & iint_ D f (sqrt x ^ 2 + y ^ 2) d x d y = iint_ D f (r) r d r d φ & = ∫_ 0 ^ 1 d r ∫_ 0 ^ π / 4 f (r) r d φ + ∫_ 1 ^ sqrt 2 d r ∫_ arccos (1 / r) ^ π / 4 f (r) r d φ & = frac π4 ∫_ 0 ^ 1 f (r) r d r + ∫_ 1 ^ sqrt 2 (frac π4 - arccos frac 1r) f (r) r d r & = frac π4 ∫_ 0 ^ sqrt 2 f (r) r d r - ∫_ 1 ^ sqrt 2 arccos frac 1r f (r) r d r.

极坐标变换 (见 (22.3) 式) 是一种特殊的变量替换,下面是一般的变量替换定理.设

x = x (u, v), y = y (u, v), (u, v) ∈ D ^ prime,

这一代换满足:

(1) 建立了 D 与 D' 之间的一一对应;

(2) x, y 在 D' 上具有关于各个变元的连续偏导数,并且其逆变换 u = u(x, y) , v = v(x, y) 在 D 上也具有关于各个变元的连续偏导数;

(3) 代换的 Jacobi 行列式 J = (∂(x, y))/(∂(u, v)) 在 D' 内无零点 (称这代换为正则), 则

iint_ D f (x, y) d x d y = iint_ D ^ prime f (x (u, v), y (u, v)) | frac ∂ (x , y)∂ (u , v) | d u d v. (22.4)

回忆一下 (一元) 定积分的变量替换公式,容易看出公式 (22.4) 是定积分的变量替换公式的推广.定理的证明要比一元情况复杂得多,请参考相应的教科书.

例题 22.2.722.2.7

求由曲线 ((x²)/(a²) + (y²)/(b²))² = (x²)/(a²) - (y²)/(b²) 所围的面积.

解

应用广义极坐标变换

x = a ρ cos θ , y = b ρ sin θ ,

则 J = |(∂(x,y))/(∂(u,v))| = abρ , 所围成积分区域的曲线变为 ρ² = cos 2θ (双纽线),于是所求的面积

S = iint_ D d x d y = 4 ∫_ 0 ^ π / 4 d θ ∫_ 0 ^ sqrt cos 2 θ a b ρ d ρ = a b.
例题 22.2.822.2.8

求 iint_(D) ( √((x - c)/(a)) + √((y - c)/(b)) ) dx dy ,其中 D 由曲线 √((x - c)/(a)) + √((y - c)/(b)) = 1 和 x = c, y = c 所围成,并且 a, b, c > 0 .

解

见图 22.5,被积函数与积分区域的部分边界具有相同的形式,因此要设法把被积函数表达式化成简单的形式.

r l & text 令 & x = c + a ρ cos^ 4 θ , y = c + b ρ sin^ 4 θ , & text 则J = | frac ∂ (x , y)∂ (ρ , θ) | = 4 a b ρ cos^ 3 θ sin^ 3 θ .

而积分区域变为 {0 ≤slant θ ≤slant (π)/(2), 0 ≤slant ρ ≤slant 1} , 于是

图22.522.5
iint_ D (sqrt frac x - ca + sqrt frac y - cb) d x d y = ∫_ 0 ^ π / 2 d θ ∫_ 0 ^ 1 4 a b ρ cos^ 3 θ sin^ 3 θ sqrt ρ d ρ = frac 2 a b1 5.
注

一般而言,广义极坐标变换

x = frac 1a (c + r ^ frac 1p cos^ frac 2p θ), y = frac 1b (d + r ^ frac 1p sin^ frac 2p θ),

能把 (ax - c)^p + (by - d)^p 变为 r,但其中的 r, θ 一般不再具有通常的极径,极角的意义.

例题 22.2.922.2.9

求 I=iint_(Ω)(x+y) dx dy ,其中 Ω 是由 y²=2x, x+y=4, x+y=12 围成.

解

积分区域如图 22.6,作变换

u = x + y, v = y,

则变换后的积分区域为

c 4 ≤slant u ≤slant 1 2, - 1 - sqrt 2 u + 1 ≤slant v ≤slant - 1 + sqrt 2 u + 1,

且 J = |(∂(x,y))/(∂(u,v))| = 1. 于是

r l I & = ∫_ 4 ^ 1 2 u d u ∫_ - 1 - sqrt 2 u + 1 ^ - 1 + sqrt 2 u + 1 d v & = ∫_ 4 ^ 1 2 2 u sqrt 2 u + 1 d u (sqrt 2 u + 1 = t) & = ∫_ 3 ^ 5 (t ^ 2 - 1) t ^ 2 d t = frac 8 1 5 61 5.
图22.622.6
利用对称性与奇偶性简化二重积分

函数的奇偶性和积分区域的对称性常可用来简化积分的计算,如

  1. 积分区域 D 关于 x 轴对称,且有: (1) f(x,y) = -f(x,-y),则 iint_(D) f(x,y) dx dy = 0 ; (2) f(x,y) = f(x,-y),则 iint_(D) f(x,y) dx dy = 2 iint_(D ∩ {y ≥slant 0}) f(x,y) dx dy .

  2. 积分区域 D 关于 y 轴对称,且有: (1) f(x,y) = -f(-x,y),则 iint_(D) f(x,y) dx dy = 0 ; (2) f(x,y) = f(-x,y),则 iint_(D) f(x,y) dx dy = 2 iint_(D ∩ {x ≥slant 0}) f(x,y) dx dy .

  3. 若 D 关于原点对称,且有: (1) f(x,y) = -f(-x, -y),则 iint₀ f(x,y) dx dy = 0 ;

(2) f(x,y)=f(-x,-y) ,则 iint_(D)f(x,y)dxdy=2iint_(D₁)f(x,y)dxdy ,其中 D₁ 是区域 D 的一半.

22.2.422.2.4 练习题
  1. 试把累次积分
I = ∫_ 0 ^ R / sqrt 1 + R ^ 2 d x ∫_ 0 ^ R x f (x, y) d y + ∫_ R / sqrt 1 + R ^ 2 ^ R d x ∫_ 0 ^ sqrt R ^ 2 - x ^ 2 f (x, y) d y

改写为先对 x 后对 y 的累次积分形式.

  1. 设 f(x) 在 [0,1] 上连续,证明:
∫_ 0 ^ 1 d x ∫_ x ^ 1 f (t) d t = ∫_ 0 ^ 1 t f (t) d t.
  1. D 由 y = π - x, x = π, y = π 围成,求 iint_(D) (sin x)/(x) dx dy.

  2. D 由 y = 0, y = x², x + y = 2 围成的第一象限的部分,求 iint_(D) (x² + y²) dx dy .

  3. 求由 (x² + y²)² = a²(x² - y²), z = x² - y², z = 0 围成之立体的体积.

  4. 设 D 是由 x²=ay, x²=by, y²=px, y²=qx 所围成的区域,其中 0<a<b, 0<p<q,求 iint_(D)fracx²sin xyydx dy .

  5. 证明: ∫ₐ^(b) dy ∫ₐʸ (y - x)ⁿ f(x) dx = (1)/(n + 1) ∫ₐ^(b) (b - x)ⁿ + 1 f(x) dx .

  6. 设 D 是第一象限内由 y 轴及两个圆 x² + y² = a², x² - 2ax + y² = 0 所围成的区域,求 iint_(D) sqrtx² + y² dx dy .

  7. 求由四条直线 x + y = p, x + y = q, y = ax, y = bx (0 < p < q, 0 < a < b) 所围成的图形的面积.

  8. 求由曲线 4√(x/a) + 4√(y/b) = 1 与直线 x = 0, y = 0 所围成图形的面积.

  9. 求 iint_(D) f(√(x² + y²)) dx dy,其中 D = {(x, y) | |y| < |x| ≤slant 1} .

  10. 求 iint_(D) x dx dy ,其中 D 由 xy = 1, x² + y² = 4 围成.

  11. 给定积分 I = iint_(D) [ ( (∂ f)/(∂ x) )² + ( (∂ f)/(∂ y) )² ] dx ~dy, 作正则变换 x = x(u,v), y = y(u,v),区域 D 变为 Ω,如果变换满足

frac ∂ x∂ u = frac ∂ y∂ v, frac ∂ x∂ v = - frac ∂ y∂ u,

证明:

I = iint_ Ω [ (frac ∂ f∂ u) ^ 2 + (frac ∂ f∂ v) ^ 2 ] d u d v.
  1. 求积分
∫_ 0 ^ sqrt 2 d y ∫_ y ^ sqrt 4 - y ^ 2 frac 1sqrt 1 + x ^ 2 + y ^ 2 d x.
  1. 证明:
iint_ | x | + | y | ≤slant 1 (sqrt | x y | + | x y |) d x d y ≤slant frac 32.
  1. 计算二重积分
I = iint_ D | x - y ^ 2 | d x d y,

其中 D={(x,y)|0≤slant x≤slant1,-1≤slant y≤slant1} .

  1. 求 iint_(D)lnfracxy²dx dy, 其中 D 是由 y=x, y=1, x=2 围成的三角形.
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