二重积分和三重积分都是算立体体积的,这两者适用的对象有何不同-查字典问答网
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  二重积分和三重积分都是算立体体积的,这两者适用的对象有何不同么?

  二重积分和三重积分都是算立体体积的,这两者适用的对象有何不同么?

1回答
2020-02-06 21:52
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陈学堂

  二重积分:有两个自变量z=f(x,y)

  当被积函数为1时,就是面积(自由度较大)

  ∫(a→b)∫(c→d)dxdy=A(平面面积)

  当被积函数不为1时,就是图形的体积(规则)、和旋转体体积

  ∫(a→b)∫(c→d)dxdy=V(旋转体体积)

  计算方法有直角坐标法、极坐标法、雅可比换元法等

  极坐标变换:{x=rcosθ

  {y=rsinθ

  {α≤θ≤β、最大范围:0≤θ≤2π

  ∫(α→β)∫(h→k)f(rcosθ,rsinθ)rdrdθ

  三重积分:有三个自变量u=f(x,y,z)

  被积函数为1时,就是体积、旋转体体积(自由度最大)

  ∫(a→b)∫(c→d)∫(e→f)dxdydz=V(旋转体体积)

  当被积函数不为1时,就没有几何意义了,有物理意义等

  计算方法有直角坐标法、柱坐标切片法、柱坐标投影法、球面坐标法、雅可比换元法等

  极坐标变化(柱坐标):{x=rcosθ

  {y=rsinθ

  {z=z

  {h≤r≤k

  {α≤θ≤β、最大范围:0≤θ≤2π

  ∫(α→β)∫(h→k)∫(z₁→z₂)f(rcosθ,rsinθ,z)rdzdrdθ

  极坐标变化(球坐标):{x=rsinφcosθ

  {y=rsinφsinθ

  {z=rcosφ

  {h≤r≤k

  {a≤φ≤b、最大范围:0≤φ≤π

  {α≤θ≤β、最大范围:0≤θ≤2π

  ∫(α→β)∫(a→b)∫(h→k)f(rsinφcosθ,rsinφsinθ,rcosφ)r²sin²φdrdφdθ

  所以越上一级,能求得的空间范围也越自由,越广泛,但也越复杂,越棘手,而

  且限制比上面两个都少,对空间想象力提高了.

  重积分能化为几次定积分,每个定积分能控制不同的伸展方向.

  又比如说,在a≤x≤b里由f(x)和g(x)围成的面积,其中f(x)>g(x)

  用定积分求的面积公式是∫(a→b)[f(x)-g(x)]dx

  但是升级的二重积分,面积公式就是∫(a→b)dx∫(g(x)→f(x))dx、被积函数变为1了

  用不同积分层次计算由z=x²+y²、z=a²围成的体积?

  一重积分(定积分):向zox面投影,得z=x²、令z=a²-->x=±a、采用圆壳法

  V=2πrh=2π∫(0→a)xzdx=2π∫(0→a)x³dx=2π•(1/4)[x⁴]|(0→a)=πa⁴/2

  二重积分:高为a、将z=x²+y²向xoy面投影得x²+y²=a²

  所以就是求∫∫(D)(x²+y²)dxdy、其中D是x²+y²=a²

  V=∫∫(D)(x²+y²)dxdy=∫(0→2π)dθ∫(0→a)r³dr、这步你会发觉步骤跟一重定积分一样的

  =2π•(1/4)[r⁴]|(0→a)=πa⁴/2

  三重积分:旋转体体积,被积函数是1,直接求可以了

  柱坐标切片法:Dz:x²+y²=z

  V=∫∫∫(Ω)dxdydz

  =∫(0→a²)dz∫∫Dzdxdy

  =∫(0→a²)πzdz

  =π•[z²/2]|(0→a²)

  =πa⁴/2

  柱坐标投影法:Dxy:x²+y²=a²

  V=∫∫∫(Ω)dxdydz

  =∫(0→2π)dθ∫(0→a)rdr∫(r²→a²)dz

  =2π•∫(0→a)r•(a²-r²)dr

  =2π•[a²r²/2-(1/4)r⁴]|(0→a)

  =2π•[a⁴/2-(1/4)a⁴]

  =πa⁴/2

  三重积分求体积时能用的方法较多,就是所说的高自由度.

  既然都说了这麼多,再说一点吧:

  如果再学下去的话,你会发现求(平面)面积、体积比求(曲面)面积的公式容易

  学完求体积的公式,就会有求曲面的公式

  就是「曲线积分」和「曲面积分」,又分「第一类」和「第二类」

  当被积函数为1时,第一类曲线积分就是求弧线的长度,对比定积分只能求直线长度

  ∫(C)ds=L(曲线长度)

  被积函数不为1时,就是求以弧线为底线的曲面的面积

  ∫(C)f(x,y)ds=A(曲面面积)

  当被积函数为1时,第一类曲面积分就是求曲面的面积,对比二重积分只能求平面面积

  ∫∫(Σ)dS=A(曲面面积)、自由度比第一类曲线积分大

  ∫∫(Σ)f(x,y,z)dS,物理应用、例如曲面的质量、重心、转动惯量、流速场流过曲面的流量等

  而第二类曲线积分/第二类曲面积分以物理应用为主要,而且是有"方向性"的,涉及向量范围了.

  这两个比较复杂,概念又深了一层,慢慢体会,多做题

2020-02-06 21:54:50

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