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?
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?
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