我们已经学习了,也就是一重积分,其几何意义可以理解为,如下图左侧所示。以及,其几何意义可以理解为,如下图右侧所示。
本课来学习下三重积分,先来其看看定义。
设是空间有界上的有界函数,将任意分成个小:
其中表示第个小闭区域,也表示它的体积。在每个内任取一点,作乘积(),并作和。如果当各小闭区域直径中的最大值时,这和的极限总是存在,且与的分法和点的取法无关,那么称此极限为函数在上的 三重积分 (Triple integral),记作,即:
其中称为 被积函数 ,称为 体积元素 ,称为 积分区域 。
根据本节最上面介绍的,一重积分、二重积分可通过面积、体积来理解,而这里定义的三重积分或许可借助质量来理解。设有一块密度不均匀的铁块,如下图左侧所示,该铁块点处的密度为,且是一个连续函数。为计算该铁块的质量,我们将其切成个小铁块,如下图右侧所示。
用表示其中第个小铁块,也表示该小铁块的体积。因为密度函数是连续的,可认为各点处的密度都差不多,所以随机取上一点,把该点的密度作为的密度,那么的质量约等于:
从而整个铁块的质量约等于:
当尽可能去切分整个铁块从而使得各小铁块都越来越小时,即时,整个铁块的质量就是如下的三重积分:
上面划分出来的小铁块都是小长方体,设第个小铁块的边长分别为、和,如下图所示。
则的体积为:
所以上述整个铁块的质量约等于:
从而整个铁块的质量的计算式可改写为:
所以在划分为小长方体时,三重积分也常表示如下,因为这种划分是在直角坐标系中进行的,所以其中的称为 直角坐标系中的体积元素 :
如果将一重、二重、三重积分的积分区域都表示为,会发现它们的定义式非常接近,区别在于分别使用了长度元素、面积元素以及体积元素: