高等数学82二重积分的计算法课件.ppt

1、1利用直角坐标系计算二重积分利用直角坐标系计算二重积分小结思考题小结思考题 作业作业利用极坐标系计算二重积分利用极坐标系计算二重积分double integral二重积分的换元法二重积分的换元法第二节第二节 二重积分二重积分的计算法的计算法第九章第九章 重积分重积分2本节介绍计算二重积分的方法本节介绍计算二重积分的方法:二重积分化为二重积分化为累次积分累次积分(即两次定积分即两次定积分).).二重积分的计算法二重积分的计算法3(1)积分区域积分区域为：为：,bxa ).()(21xyx 其中函数其中函数 、)(1x)(2x b)(2xy )(1xy aDX型型,ba在区间在区间 上连续上连续.

2、二重积分的计算法二重积分的计算法一、利用直角坐标系计算二重积分一、利用直角坐标系计算二重积分xOyxOy)(1xy )(2xy Dba4的值等于的值等于)0),(d),(yxfyxfD 计算截面面积计算截面面积),(yxfz (红色部分即红色部分即A(x0)二重积分的计算法二重积分的计算法以以D为底为底,以曲面以曲面为顶的曲顶柱体的体积为顶的曲顶柱体的体积.应用计算应用计算“平平行截面面积为行截面面积为已知的立体求已知的立体求体积体积”的方法的方法.用二重积分的几何意义说明其计算法用二重积分的几何意义说明其计算法是区间是区间)(),(0201xx 为曲边的曲边梯形为曲边的曲边梯形.),(0yx

3、fz 为底为底,曲线曲线 xyzO),(yxfz D)(1xy )(2xy ab0 x)(0 xA5是区间是区间 为底为底,)(),(0201xx 曲线曲线 为曲边为曲边 的曲边梯形的曲边梯形.),(0yxfz )(01x,bax yyxfxAxxd),()()()(21 有有:DyxfV d),(baxxAd)(xbad 二重积分的计算法二重积分的计算法)d),()()(21 xxyyxf )(02x yyxfxAd),()(00 先对先对y后对后对x的二次积分的二次积分称为称为累次积分累次积分.Dyxf d),(baxxyyxfx)()(21d),(d xyzO),(yxfz D)(1xy

4、 )(2xy ab0 x)(0 xA6(2)积分区域积分区域为：为：,dyc )()(21yxy D)(2yx cd)(1yx Y型型 Dyxf d),(先对先对x后对后对y的二次积分的二次积分也即也即 dcyyxyxfy)()(21d),(d Dyxf d),(二重积分的计算法二重积分的计算法其中函数其中函数 、)(1y)(2y,dc在区间在区间 上连续上连续.xOyxOyD)(2yx cd)(1yx dcyd)d),(xyxf)(1y)(2y 7特殊地特殊地 Dbadcyyxfxyxfd),(dd),(如如D是上述矩形域是上述矩形域,)()(),(21yfxfyxf 且且得得 yxyfxf

5、Ddd)()(21即等于两个定积分的乘积即等于两个定积分的乘积.注注D为矩形域为矩形域:则则则则axb,cyd baxxfd)(1yyfdcd)(2 二重积分的计算法二重积分的计算法 yyfxfdcd)()(21 ba(xd)ba(xd)dcbadxyxfy),(dyyfxfdcd)()(218穿过区域且平行于穿过区域且平行于y轴的直线轴的直线穿过区域且平行于穿过区域且平行于x轴的直线轴的直线abdc 计算结果一样计算结果一样.又是又是Y型型:(3)积分区域积分区域D既是既是X型型:,bxa )()(21xyx ,dyc )()(21yxy X型区域的特点型区域的特点:Y型区域的特点型区域的特

6、点:与区域边界相交不多于两个交点与区域边界相交不多于两个交点.与区域边界相交不多于两个交点与区域边界相交不多于两个交点.但可作出但可作出适当选择适当选择.二重积分的计算法二重积分的计算法xyO9(4)若区域如图若区域如图,在分割后的三个区域上分别在分割后的三个区域上分别使用积分公式使用积分公式.D(用积分区域的可加性质用积分区域的可加性质)D1、D2、D3都是都是X型区域型区域则则必须分割必须分割.321DDD二重积分的计算法二重积分的计算法xyO3D2D1D10 xyO例例解解 Dyxyxdd)(2xxxxxxd)(21)(42102 .14033 积分域既是积分域既是X型又是型又是Y型型

7、22xyyx yyxd)(2 10dx法一法一)0,0(),1,1(所围平面闭区域所围平面闭区域.和和是抛物线是抛物线其中其中求求22,dd)(xyDyxyxD 2yx 两曲线的交点两曲线的交点2xx二重积分的计算法二重积分的计算法2xy 2yx )1,1(11先对先对x后对后对y的积分的积分 Dyxyxdd)(214033 10dy法二法二 xyxd)(22yy二重积分的计算法二重积分的计算法 Dyxyxdd)(2xyO2xy 2yx )1,1(12例例yyxxdsind1012 siny2 对对y的积分的积分而它对而它对x的积分的积分交换积分次序交换积分次序的方法是的方法是:改写改写D为为

8、:oxy 分析分析所以将所以将二次积分二次积分先先将所给的积分域将所给的积分域(1)(2)画出积分域的草图画出积分域的草图(3)计算二次积分计算二次积分不能用基本积分法算出不能用基本积分法算出,xy )1,1(可用基本积分法算出可用基本积分法算出.交换积分次序交换积分次序.用联立不等式表示用联立不等式表示 D:,10 x1 yx,10 yyx 0二重积分的计算法二重积分的计算法13yyxxdsind1012 yxyyd)(sin0102 yyydsin102 2102dsin21yy )1cos1(21 xyydsin02 10dyoxyxy )1,1(,10:yDyx 0二重积分的计算法二重

9、积分的计算法14例例 交换积分次序：交换积分次序：解解 积分区域积分区域:xxxyyxfxyyxfx20212010d),(dd),(d2原式原式=10dyy 2 xyxfd),(211y 二重积分的计算法二重积分的计算法22xxy xy 2xyO1215例例axy2 22xaxy 22yaax 解解原式原式=xyxfd),(交换积分次序：交换积分次序：axxaxayyxfx22202d),(d)0(a yday22xyxfd),(22yaa 0aa222yaa yd0a xyxfd),(yda2ay22a2a二重积分的计算法二重积分的计算法xyOaa2aa2ayx22 16交换积分次序的步骤

10、交换积分次序的步骤 (1)将已给的二次积分的积分限得出相将已给的二次积分的积分限得出相应的二重积分的积分区域应的二重积分的积分区域,(2)按相反顺序写出相应的二次积分按相反顺序写出相应的二次积分.并画出草图并画出草图;二重积分的计算法二重积分的计算法17)(dd2202 yexxy)1(214 exy xoy22解解yexxydd2202 xeyyydd0202 yyeyd202 )(d212202yey )1(214 e二重积分的计算法二重积分的计算法交换积分次序交换积分次序18又是能否进行计算的问题又是能否进行计算的问题.计算二重积分时计算二重积分时,恰当的选取积分次序恰当的选取积分次序十

11、分重要十分重要,它不仅涉及到计算繁简问题它不仅涉及到计算繁简问题,而且而且凡遇如下形式积分凡遇如下形式积分:,dsinxxx,d2xex,lnd xx等等等等,一定要放在一定要放在后面积分后面积分.,dsin2xx,dcos2xx,d2xex ,dxexy 二重积分的计算法二重积分的计算法19例例 求证求证 axaxxfxayyfx000d)()(d)(d 左边的累次积分中左边的累次积分中,积分域积分域可表为可表为提示提示 xayyfx00d)(d ayaxyfyd)(d0 ayyfya0d)()(axxfxa0d)()(定积分与积分变量的记法无关定积分与积分变量的记法无关不能具体计算不能具体

12、计算.所以所以,)(yf是是y的抽象函数的抽象函数,)0(a,0ax xy 0,0ay axy aayyxyf0d)(证毕证毕.先交换积分次序先交换积分次序.二重积分的计算法二重积分的计算法axyOa),(aa 20例例 求两个底圆半径为求两个底圆半径为R,且这两个圆柱面的方程且这两个圆柱面的方程分别为分别为 及及222Ryx .222Rzx 解解 d DyxRd22 332R 313168RVV d),(1 DyxfV22xRy 222Rzx 立立体体顶顶部部222Ryx 立体底部立体底部求所围成的求所围成的立体的体积立体的体积.xoyzoxyDR22xR 22xR 0 xd0R二重积分的计

13、算法二重积分的计算法22xRz 曲曲顶顶还有别的做法吗还有别的做法吗21二重积分的计算法二重积分的计算法2002 年研究生考题年研究生考题,7分分计算二重积分计算二重积分,dd,max22 Dyxyxe其中其中.10,10),(yxyxDxyO 解解 112D1D设设,10),(1 xyxDxy 0,10),(2 xyxD1 yx Dyxyxedd,max22 122dd,maxDyxyxe 222dd,maxDyxyxe 12ddDxyxe 22ddDyyxe xxyex010dd2 yyxey010dd2.1 e xxyex010)dd2(2或或22解解 121d)(xeexxee2183

14、 xeyxeyIyyxyyxydddd121212141 计算积分计算积分xexyd 不能用初等函数表示不能用初等函数表示,先交换积分次序先交换积分次序.yexyd x2x xd I211二重积分的计算法二重积分的计算法112141xy 2xy 21Oxy23i ii i iiii )2(21iiiii 2)(iii 两相邻弧半径平均值两相邻弧半径平均值.i 内取圆周内取圆周上一点上一点其直角坐标其直角坐标,ii),(ii iii 2)(21ii 221则则设为设为二重积分的计算法二重积分的计算法二、利用极坐标系计算二重积分二、利用极坐标系计算二重积分OADi ii i ),(ii ii24得

15、得 iiinif ),(lim10即即 Dyxf d),(Dyxyxfdd),(也即也即 dd极坐标系中的面积元素极坐标系中的面积元素,cosiii iiii Df dd)sin,cos(Df dd)sin,cos(nif1(,cosii iii )sinii 0lim 二重积分的计算法二重积分的计算法,siniii25 )(1 )(2 Df dd)sin,cos(1)积分区域积分区域D:,)()(21 AO)(1 )(2 D d)(1 d)sin,cos(f)(2 二重积分的计算法二重积分的计算法OAD26D )()(0d)sin,cos(d f(2)积分区域积分区域D(曲边扇形曲边扇形):

16、,)(0 Df dd)sin,cos(AOAO )(二重积分的计算法二重积分的计算法D 27 Df dd)sin,cos()(020d)sin,cos(d f极坐标系极坐标系下区域的下区域的面积面积 D dd(3)积分区域积分区域D:,20 )(0 DoA)(注注一般一般,在极坐标系下计算在极坐标系下计算:积分积分再对再对先对先对 二重积分的计算法二重积分的计算法28解解 sincosyx Dyxyxfdd),(d)sin,cos(df例例 写出积分写出积分的的极坐标二次积分极坐标二次积分 Dyxyxfdd),(其中积分区域其中积分区域形式形式,10,11),(2 xxyxyxD在极坐标系下在

17、极坐标系下圆方程为圆方程为1 直线方程为直线方程为 sincos1 1 cossin1 02 二重积分的计算法二重积分的计算法yxO11122 yx1 yxD29解解yxeDyxdd22 ae020dd2 )1(2ae a例例 计算计算,dd22yxeDyx 其中其中D是由中心在原点是由中心在原点,半径为半径为a的圆周所围成的闭区域的圆周所围成的闭区域.在极坐标系下在极坐标系下:D,20 a 0二重积分的计算法二重积分的计算法xOy3003 yx解解32 61 sin4 sin2 yxyxDdd)(22 dd2)32(15 03 xy计算计算,dd)(22yxyxD 为由圆为由圆其中其中D所围

18、成的平面闭区域所围成的平面闭区域.例例yyxyyx4,22222 及直线及直线,03 yx03 xy sin4 sin26 3 二重积分的计算法二重积分的计算法xOyyyx222 yyx422 31解解)(2)(222222yxayx 222ayx 双纽线双纽线求曲线求曲线)0()(2)(222222 ayxayx222ayx 和和所围成的图形的面积所围成的图形的面积.例例根据对称性有根据对称性有14DD 在极坐标系下在极坐标系下1Da 2cos2a 二重积分的计算法二重积分的计算法xyO由由 aa 2cos2得交点得交点)6,(aA yxdd)33(2 a Dyxdd 2cos20dd46a

19、a41D面积面积A32将将直角坐标系直角坐标系下累次积分下累次积分:22240214110d),(dd),(dxxxyyxfxyyxfx化为化为极坐标系极坐标系下的下的累次积分累次积分.oxy解解 2120d)sin,cos(df原式原式=2 r21 r1二重积分的计算法二重积分的计算法334 计算计算16:22 yxD因被积函数因被积函数422 yx4:221 yxD164:222 yxDD2 d)4(221yxID d)4(222 yxD极坐标极坐标 d|4|22 DyxI例例分析分析故故 80 422 yx的的在积分域内变号在积分域内变号.2xoyD1二重积分的计算法二重积分的计算法34

20、 计算计算,dd|)|(|Dyxyx0,1|:|xyxD解解 积分区域积分区域D关于关于x轴对称轴对称,被积函数关于被积函数关于y为偶函数为偶函数.原式原式=记记D1为为D的的y0的部分的部分.yxyxdd|)|(|1dd)(2Dyxxy xyxyx1001d)(d2则则21D32 xyoD111 1 yx1 1 yx二重积分的计算法二重积分的计算法35 二重积分的计算规律二重积分的计算规律再确定交换积分次再确定交换积分次1.交换积分次序交换积分次序:先依给定的积分次序写出积分域先依给定的积分次序写出积分域D的的不等式不等式,并画并画D的草图的草图;序后的积分限序后的积分限;2.如被积函数为如

21、被积函数为圆环域时圆环域时,或积分域为或积分域为),(22yxf),(22yxf),(xyf)(arctanxyf圆域、扇形域、圆域、扇形域、则用极坐标计算则用极坐标计算;二重积分的计算法二重积分的计算法36 3.注意利用对称性质注意利用对称性质,数中的绝对值符号数中的绝对值符号.以便简化计算以便简化计算;4.被积函数中含有绝对值符号时被积函数中含有绝对值符号时,应应将积分域分割成几个子域将积分域分割成几个子域,使被积函数在使被积函数在每个子域中保持同一符号每个子域中保持同一符号,以消除被积函以消除被积函二重积分的计算法二重积分的计算法37例例 计算计算,d)1(2322 DyxyI10,10

22、:yxD 分析分析 从被积函数看从被积函数看,用极坐标系要简单些用极坐标系要简单些,但从积分域但从积分域D的形状看的形状看为宜为宜.用却又以直角坐标系用却又以直角坐标系在两者不可兼得的情况下在两者不可兼得的情况下,应以应以D的形状的形状来决定用什么坐标系来决定用什么坐标系,此题用直角坐标系此题用直角坐标系.xyo)1,0()0,1(D二重积分的计算法二重积分的计算法38 101021 d)1(2322 DyxyIxyxd11101022 xxxd)1121(2102 3122ln 二重积分的计算法二重积分的计算法xyo)1,0()0,1(xd232222)1()1(dyxyx 39三、三、二重

23、积分的换元法二重积分的换元法设被积函数设被积函数),(yxf在区域在区域D上连续上连续,若变换若变换),(),(vuyyvuxx 满足如下条件满足如下条件:(1)的点的点平面上的区域平面上的区域将将 DuOv一对一地变为一对一地变为D上的点上的点;(2),(),(vuyvux上上在在 D有连续的一阶偏导数有连续的一阶偏导数,且雅可比行列式且雅可比行列式 ),(),(vuyxJvyuyvxux Dyxf d),(0 f D),(vux),(vuy|Jvudd二重积分的计算法二重积分的计算法40,1的形状的形状于积分区域于积分区域作什么变换主要取决作什么变换主要取决D基本要求基本要求.2 注意注意

24、变换后定限简便变换后定限简便,的形式的形式同时也兼顾被积函数同时也兼顾被积函数),(yxf的性质的性质J ),(),(vuyxJ),(),(1yxvu 求积容易求积容易二重积分的计算法二重积分的计算法41例例解解,dd12222yxbyaxD 计计算算 20,0,0,0 ba其其中中 sincosbyax在这变换下在这变换下所围成的闭区域所围成的闭区域.12222 byaxD20,10),(rD D二重积分的计算法二重积分的计算法xyO其中其中D为椭圆为椭圆作作广义极坐标广义极坐标变换变换42 ),(),(yxJ,0处处为为零零内内仅仅当当在在 rDJ yxbyaxDdd12222ab 32

25、ab sincosbyax yyxx故换元公式仍成立故换元公式仍成立,DDvuJvuyvuxfyxyxfdd),(),(dd),(21 ab dd D 10220d1d ab极坐标极坐标二重积分的计算法二重积分的计算法 DxyO43例例解解轴和轴和轴、轴、由由其中其中计算计算yxDyxeDxyxy,dd ,2uvx Dxyo2 yx Duvo0 y2 yx.2所围成的闭区域所围成的闭区域直线直线 yx,xyu 令令xyv 则则2uvy 即即0 xvu vu vu 2 vvu 2 vDD二重积分的计算法二重积分的计算法44),(),(vuyxJ ,21 Dxyxyyxedd vvvuuevdd2

26、120 201d)(21vvee1 ee2,2uvyuvx 21212121 vyuyvxux uvovu vu 2 v D Dvue故故vudd21 二重积分的计算法二重积分的计算法45,)(为连续函数为连续函数设设tf证明证明 Daattatfyxyxfd|)|)(dd)().0(2|,2|aayaxD常数常数为矩形域：为矩形域：其中其中xoy证证2ax 2a2a2a 法一法一 Dyxyxfdd)(2222d)(daaaayyxfxtyx 22daaxtydd 2ax 2a ttfd)(交换积分次序交换积分次序xot2a 2a2a2a xttfdd)(xttfdd)(0a 2a 2at 2

27、at 0a2a累次积分累次积分D二重积分的计算法二重积分的计算法46 xttfdd)(xttfdd)(0a 2a 2at 2at 0a2a 0d)(atattf atattf0d)(aattatfd|)|)(Daattatfyxyxfd|)|)(dd)(:证明证明 0d)|)(atattf atattf0d)|)(二重积分的计算法二重积分的计算法47aa a a,)(为连续函数为连续函数设设tf证明证明 Daattatfyxyxfd|)|)(dd)().0(2|,2|aayaxD常数常数为矩形域：为矩形域：其中其中法二法二xoy2a2a2a 2a D令令,yxu yxv 则则 DD:D,avu

28、a auva ),(),(vuyxJ D21),(),(1 yxvuuov二重积分的计算法二重积分的计算法48故故 Dyxyxfdd)(Dvuufdd21)(21 J,yxu .yxv aa a auov对称性对称性 00dd)(21auavuuf Davu avu auavuuf00dd)(21 2 0d)()(auufua auufua0d)()(0d)(|)|(auufua auufua0d)(|)|(aattatfd|)|)(二重积分的计算法二重积分的计算法 DDvuJvuyvuxfyxyxfdd),(),(dd),(49二重积分在直角坐标系下的计算二重积分在直角坐标系下的计算二重积分在极坐标系下的计算公式二重积分在极坐标系下的计算公式(注意使用对称性注意使用对称性)二重积分的计算法二重积分的计算法四、小结四、小结(注意正确选择积分次序注意正确选择积分次序,掌握交换积分次序掌握交换积分次序的方法的方法)恰当选择坐标系计算二重积分恰当选择坐标系计算二重积分(注意选择的原则注意选择的原则)50作业作业习题习题8-28-2二重积分的计算法二重积分的计算法