直角坐标系下的二重积分

按照来计算会很麻烦,下面三课就来讨论一些可行的计算方法。这些计算方法大同小异,只是在不同坐标系下有一些细微的区别,所以接下来三课分别是

  • 直角坐标系下的计算
  • 极坐标系下的计算
  • 各种坐标系下的计算
1 直角坐标系下的二重积分

根据来计算,最麻烦的就是要考虑的任意划分。不过如果已知的话,那么可以选择一种容易计算的划分来进行求解。

在直角坐标系中,当时,通常用平行于坐标轴的直线网来划分

  • 对于矩形而言,如下图左侧所示,划分后的小都是矩形,设其边长为,则有
  • 对于非矩形而言,如下图右侧所示,进行划分后,忽略掉边缘不规则的白色部分(这些部分在时是可以忽略的,具体的证明此处略去),其余灰色部分的小都是矩形,设其边长为,则有

矩形闭区域中的

非矩形闭区域中的

若在小任取一点,那么此时可改写如下:

所以此时的也可记作:

类似于称为 面积元素 称为 直角坐标系中的面积元素

2 直角坐标系下二重积分的计算
请求出上的 本题中的,所以其在上的,因此可选择方便计算的划分方式及点,下面是具体的求解过程。

先观察下本题中的,如下图左侧所示。要求的上的也就是下图右侧所示的的体积。

积分区域,及以此为底的曲顶柱体

按照下面的方法构造出直线网,

  • 所属区间中均匀插入若干个分点将其分成个长度为的小区间,易知这些分点为:

  • 所属区间中均匀插入若干个分点将其分成个长度为的小区间,易知这些分点为:

  • 的分点作平行于轴的直线,过的分点作平行于轴的直线,这样就得到了直线网

上述直线网将划分为个边长皆为的正方形小,如下图左侧所示,其中小右上角的坐标为,这里选择该点作为点。以小为底、为高作一小平顶柱体,如下图右侧所示。

为底、为高的小平顶柱体

根据上面的分析,及,可得上述小平顶柱体的体积为:

结合上如下的高斯求和公式以及平方和公式:

根据,所以上的为:

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