二重积分

设 f(x,y)f(x,y) 是平面有界闭区域 DD 上的有界函数,将区域 DD 任意分割成 nn 个小闭区域

T={Δσ1.Δσ2,⋯ ,Δσn}T=\{\Delta\sigma_1.\Delta\sigma_2,\cdots,\Delta\sigma_n\}

其中 Δσi\Delta\sigma_i 既表示第 ii 个小区域,同时也表示它的面积,其中任意两个小区域 Δσi\Delta\sigma_i 与 Δσj\Delta\sigma_j 除边界外无公共点。任取一点 (ξi,ηi)∈Δσi(\xi_i,\eta_i)\in\Delta\sigma_i,作和式

∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i

以 did_i 表示 Δσi\Delta\sigma_i 的直径,则分割的细度表示为

∣∣T∣∣=max⁡1≤i≤n{di}||T||=\max\limits_{1\leq i\leq n}\{d_i\}

如果当 ∣∣T∣∣→0||T||\to 0 时,和式的极限

lim⁡∣∣T∣∣→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi\lim_{||T||\to 0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i

存在,并且这个极限与区域的分割方法及点 (ξi,ηi)(\xi_i,\eta_i) 的取法无关,则称函数 f(x,y)f(x,y) 在闭区域 DD 上是可积的,并称此极限为函数 f(x,y)f(x,y) 在闭区域 DD 上的二重积分(double integral),记作

∬Df(x,y)dσ=lim⁡∣∣T∣∣→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=\lim_{||T||\to 0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i

在直角坐标系中,面积元素 dσ=dxdy\mathrm{d}\sigma=\mathrm{d}x\mathrm{d}y,则二重积分可以记作

∬Df(x,y)dxdy\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y

若函数 f(x,y)f(x,y) 在有界闭区域 DD 上连续,则其在 DD 上可积。

二重积分的几何意义:

如果被积函数 f(x,y)≥0f(x,y)\geq 0,且在有界闭区域 DD 上连续,则二重积分 ∬Df(x,y)dσ\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma 在数值上恰好是以曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 为曲顶,以区域 DD 为底的曲顶主体的体积。

二重积分的性质

性质 1: 如果 f(x,y)f(x,y) 在有界闭区域 DD 上可积,kk 为常数,则 kf(x,y)kf(x,y) 在 DD 上可积,并且

∬Dkf(x,y)dσ=k∬Df(x,y)dσ\iint\limits_D kf(x,y)\mathrm{d}\sigma=k\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma

即被积函数中的常数因子可以提到积分号外面。

性质 2: 如果 f(x,y)f(x,y) 和 g(x,y)g(x,y) 在有界闭区域 DD 上可积,则 f(x,y)±g(x,y)f(x,y)\pm g(x,y) 在 DD 上可积,并且

∬D[f(x,y)±g(x,y)]dσ=∬Df(x,y)dσ±∬Dg(x,y)dσ\iint\limits_D [f(x,y)\pm g(x,y)]\mathrm{d}\sigma=\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\pm\iint\limits_D g(x,y)\mathrm{d}\sigma

即函数代数和的二重积分等于每个函数的二重积分的代数和。

性质 3: 设有界闭区域 D=D1∪D2D=D_1\cup D_2,D1D_1 与 D2D_2 均为闭区域,且它们除边界外无公共点,如果 f(x,y)f(x,y) 在 D1,D2D_1,D_2 上可积,则 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上也可积,并且

∬Df(x,y)dσ=∬D1f(x,y)dσ+∬D2f(x,y)dσ\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=\iint\limits_{D_1} f(x,y)\mathrm{d}\sigma+\iint\limits_{D_2} f(x,y)\mathrm{d}\sigma

即二重积分对于积分区域具有可加性。

性质 4: 若 σ\sigma 是有界闭区域 DD 的面积,则

∬Ddσ=σ\iint\limits_D\mathrm{d}\sigma=\sigma

性质 5: 如果 f(x,y)f(x,y) 和 g(x,y)g(x,y) 在有界闭区域 DD 上可积,且 f(x,y)≤g(x,y)f(x,y)\leq g(x,y),则

∬Df(x,y)dσ≤∬Dg(x,y)dσ\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\leq\iint\limits_D g(x,y)\mathrm{d}\sigma

并且

∣∬Df(x,y)dσ∣≤∬D∣f(x,y)∣dσ\left|\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\right|\leq\iint\limits_D|f(x,y)|\mathrm{d}\sigma

估值定理: 设 f(x,y)f(x,y) 在有界闭区域 DD 上可积,且 M,mM,m 分别是 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上的最大值和最小值,当 σ\sigma 是 DD 的面积时,有不等式

mσ≤∬Df(x,y)dσ≤Mσm\sigma\leq\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\leq M\sigma

二重积分的中值定理: 设函数 f(x,y)f(x,y) 在有界闭区域 DD 上连续,σ\sigma 是 DD 的面积,则 ∃(ξ,η)∈D\exists(\xi,\eta)\in D,使得

∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)σ\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=f(\xi,\eta)\sigma

证明:

由于 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上连续,设其最小值为 mm,最大值为 MM,由估值定理可得

mσ≤∬Df(x,y)dσ≤Mσm\sigma\leq\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\leq M\sigma

同时除以 σ\sigma,得

m≤1σ∬Df(x,y)dσ≤Mm\leq\frac 1 \sigma\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma\leq M

由介值定理得,在 DD 上至少存在一点 (ξ,η)(\xi,\eta),使得

f(ξ,η)=1σ∬Df(x,y)dσf(\xi,\eta)=\frac 1 \sigma\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma

于是

∬Df(x,y)dσ=f(ξ,η)σ\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=f(\xi,\eta)\sigma

二重积分中值定理的几何意义:当 f(x,y)≥0f(x,y)\geq 0 时,以 f(x,y)f(x,y) 为曲顶,DD 为底的曲顶柱体的体积必与以 DD 中某一点 (ξ,η)(\xi,\eta) 处的函数值 f(ξ,η)f(\xi,\eta) 为高,DD 为底的平顶柱体的体积相等。

直角坐标系下的二重积分

我们称形如

D={(x,y)∣φ1(x)≤y≤φ2(x),a≤x≤b}D=\{(x,y)\mid \varphi_1(x)\leq y\leq\varphi_2(x),a\leq x\leq b\}

的闭区域为 x\bm x 型区域,其中 φ1(x),φ2(x)\varphi_1(x),\varphi_2(x) 在 [a,b][a,b] 上连续。如下图所示:

我们称形如

D={(x,y)∣ψ1(x)≤y≤ψ2(x),c≤y≤d}D=\{(x,y)\mid \psi_1(x)\leq y\leq\psi_2(x),c\leq y\leq d\}

的闭区域为 y\bm y 型区域,其中 ψ1(x),ψ2(x)\psi_1(x),\psi_2(x) 在 [c,d][c,d] 上连续。如下图所示:

现有一以 DD 为底,以曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 为顶的曲顶柱体的体积,其体积为 ∬Df(x,y)dσ\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma.

设 DD 是 xx 型区域,在区间 [a,b][a,b] 上任取一点 x0x_0,过点 (x0,0,0)(x_0,0,0) 作平行于平面 OyzOyz 的平面 x=x0x=x_0,将它截曲顶柱体的截面面积记为 S(x0)S(x_0),这个截面是以区间 [φ1(x0),φ2(x0)][\varphi_1(x_0),\varphi_2(x_0)] 为底,曲线 z=f(x0,y)z=f(x_0,y) 为曲边的曲边梯形,则

S(x0)=∫φ1(x0)φ2(x0)f(x0,y)dyS(x_0)=\int_{\varphi_1(x_0)}^{\varphi_2(x_0)}f(x_0,y)\mathrm{d}y

体积可以表示为

V=∫abS(x)dx=∫ab[∫φ1(x0)φ2(x0)f(x0,y)dy]dxV=\int_a^bS(x)\mathrm{d}x=\int_a^b\left[\int_{\varphi_1(x_0)}^{\varphi_2(x_0)}f(x_0,y)\mathrm{d}y\right]\mathrm{d}x

所以

∬Df(x,y)dxdy=∫ab[∫φ1(x0)φ2(x0)f(x0,y)dy]dx=∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy\begin{aligned} \iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y&=\int_a^b\left[\int_{\varphi_1(x_0)}^{\varphi_2(x_0)}f(x_0,y)\mathrm{d}y\right]\mathrm{d}x\\ &=\int_a^b\mathrm{d}x\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)\mathrm{d}y \end{aligned}

这个公式成功将二重积分转化为了先对 yy 后对 xx 的累次积分(iterated integral)。

同理可得,当 DD 为 yy 型区域时,二重积分可转化为先对 xx 后对 yy 的累次积分:

∬Df(x,y)dxdy=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\int_c^d\mathrm{d}y\int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)}f(x,y)\mathrm{d}x

当 DD 既不是 xx 型区域也不是 yy 型区域时,可以将 DD 化为除边界外无公共点的几个子区域,使得每个子区域都是 xx 型区域或 yy 型区域,分开积分后求和。

当 DD 既是 xx 型区域也是 yy 型区域时,可以随意选择一个适合的方法求解,此时显然有

∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy=∫cddy∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx\int_a^b\mathrm{d}x\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)\mathrm{d}y=\int_c^d\mathrm{d}y\int_{\psi_1(y)}^{\psi_2(y)}f(x,y)\mathrm{d}x

例:计算 ∬Dx2y2dxdy\displaystyle\iint\limits_D\frac{x^2}{y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y,其中 DD 是由双曲线 xy=1xy=1,直线 y=xy=x 及 x=2x=2 围成的区域。

解:将 DD 看作 yy 型区域,用 y=1y=1 将 DD 分成 D1,D2D_1,D_2,分别表示为

D1:1y≤x≤2,12≤y≤1D2:y≤x≤2,1≤y≤2D_1:\quad\frac 1 y\leq x\leq 2,\quad \frac 1 2\leq y\leq 1\\ D_2:\quad y\leq x\leq 2,\quad 1\leq y\leq 2

则

∬Dx2y2dxdy=∬D1x2y2dxdy+∬D2x2y2dxdy=∫1211y2dy∫1y2x2dx+∫121y2dy∫y2x2dx=94\begin{aligned} \iint\limits_D\frac{x^2}{y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y&=\iint\limits_{D_1}\frac{x^2}{y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y+\iint\limits_{D_2}\frac{x^2}{y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=\int_{\frac 1 2}^1\frac 1 {y^2}\mathrm{d}y\int_{\frac 1 y}^2x^2\mathrm{d}x+\int_1^2\frac 1 {y^2}\mathrm{d}y\int_y^2x^2\mathrm{d}x\\ &=\frac 9 4 \end{aligned}

直角坐标系下二重积分的应用

变换累次积分的积分次序:

当原始累次积分难以求解时,可以考虑改变积分次序(即改变重积分的积分区域类型),转换为易于求解的累次积分。

例:计算 ∫01dx∫xxsin⁡yydy\displaystyle\int_0^1\mathrm{d}x\int_x^{\sqrt x}\frac{\sin y}{y}\mathrm{d}y.

解:积分区域为

D:x≤y≤x,0≤x≤1D:\quad x\leq y\leq\sqrt x,\quad 0\leq x\leq 1

∫01dx∫xxsin⁡yydy=∬Dsin⁡yydxdy=∫01dy∫y2ysin⁡yydx=∫01(1−y)sin⁡ydy=1−sin⁡1\begin{aligned} \int_0^1\mathrm{d}x\int_x^{\sqrt x}\frac{\sin y}{y}\mathrm{d}y&=\iint\limits_D\frac{\sin y}{y}\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ &=\int_0^1\mathrm{d}y\int_{y^2}^y\frac{\sin y}{y}\mathrm{d}x\\ &=\int_0^1(1-y)\sin y\mathrm{d}y\\ &=1-\sin 1 \end{aligned}

将多个累次积分合为一个二重积分:

被积函数相同的累次积分可以通过转化为一个二重积分,并改变积分次序来简化计算。

例:计算 ∫12dx∫xxsin⁡πx2ydy+∫24dx∫x2sin⁡πx2ydy\displaystyle\int_1^2\mathrm{d}x\int_{\sqrt x}^x\sin\frac{\pi x}{2y}\mathrm{d}y+\int_2^4\mathrm{d}x\int_{\sqrt x}^2\sin\frac{\pi x}{2y}\mathrm{d}y.

解:令

D1={(x,y)∣x≤y≤x,1≤x≤2},D2={(x,y)∣x≤y≤2,2≤x≤4},D=D1+D2={(x,y)∣y≤x≤y2,1≤y≤2}D_1=\{(x,y)\mid\sqrt x\leq y\leq x,1\leq x\leq 2\},\\ D_2=\{(x,y)\mid\sqrt x\leq y\leq 2,2\leq x\leq 4\},\\ D=D_1+D_2=\{(x,y)\mid y\leq x\leq y^2,1\leq y\leq 2\}

于是,原式可以转化为

∬Dsin⁡πx2ydy=∫12dy∫yy2sin⁡πx2ydx=∫122yπdy∫yy2sin⁡πx2ydπx2y=∫122yπ(−cos⁡πx2y)∣yy2dy=−2π∫12ycos⁡πy2dy=−4π2∫12ydsin⁡πy2=−4π2(ysin⁡πy2∣12−∫12sin⁡πy2dy)=−4π2(−1+2πcos⁡πy2∣12)=4π3(2+π)\begin{aligned} \iint\limits_D\sin\frac{\pi x}{2y}\mathrm{d}y&=\int_1^2\mathrm{d}y\int_y^{y^2}\sin\frac{\pi x}{2y}\mathrm{d}x\\ &=\int_1^2\frac{2y}{\pi}\mathrm{d}y\int_y^{y^2}\sin\frac{\pi x}{2y}\mathrm{d}\frac{\pi x}{2y}\\ &=\int_1^2\frac{2y}{\pi}\left(-\cos\frac{\pi x}{2y}\right)\bigg|_y^{y^2}\mathrm{d}y\\ &=-\frac 2 \pi\int_1^2y\cos\frac{\pi y}{2}\mathrm{d}y\\ &=-\frac 4 {\pi^2}\int_1^2y\mathrm{d}\sin\frac{\pi y}{2}\\ &=-\frac 4 {\pi^2}\left(y\sin\frac{\pi y}{2}\bigg|_1^2-\int_1^2\sin\frac{\pi y}{2}\mathrm{d}y\right)\\ &=-\frac 4 {\pi^2}\left(-1+\frac 2 \pi\cos\frac{\pi y}{2}\bigg|_1^2\right)\\ &=\frac 4 {\pi^3}(2+\pi) \end{aligned}

利用对称性求解二重积分:

若积分区域 DD 关于 yy 轴对称,则:

  1. 若 f(x,y)f(x,y) 关于 xx 是奇函数,∬Df(x,y)dσ=0\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=0;
  2. 若 f(x,y)f(x,y) 关于 xx 是偶函数,∬Df(x,y)dσ=2∬D1f(x,y)dσ\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=2\iint\limits_{D_1} f(x,y)\mathrm{d}\sigma,其中 D1=D∩{x≥0}D_1=D\cap\{x\geq 0\}.

同理,若积分区域 DD 关于 xx 轴对称,则:

  1. 若 f(x,y)f(x,y) 关于 yy 是奇函数,∬Df(x,y)dσ=0\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=0;
  2. 若 f(x,y)f(x,y) 关于 yy 是偶函数,∬Df(x,y)dσ=2∬D2f(x,y)dσ\displaystyle\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}\sigma=2\iint\limits_{D_2} f(x,y)\mathrm{d}\sigma,其中 D2=D∩{y≥0}D_2=D\cap\{y\geq 0\}.

二重积分的轮换对称性:

若把 xx 与 yy 对调后,积分区域 DD 不变(或称 DD 关于 y=xy=x 对称),则

∬Df(x,y)dσ=∬Df(y,x)dσ\iint\limits_Df(x,y)\mathrm{d}\sigma=\iint\limits_Df(y,x)\mathrm{d}\sigma

例:设 DD 由 x=0,y=0,x+y=1x=0,y=0,x+y=1 围成,计算 ∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dσ\displaystyle\iint\limits_D\frac{af(x)+bf(y)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma.

解:设

I=∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dσ=∬Daf(y)+bf(x)f(x)+f(y)dσI=\iint\limits_D\frac{af(x)+bf(y)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma=\iint\limits_D\frac{af(y)+bf(x)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma

故

2I=∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dσ+∬Daf(y)+bf(x)f(x)+f(y)dσ=∬D(a+b)dσ=12(a+b)\begin{aligned} 2I&=\iint\limits_D\frac{af(x)+bf(y)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma+\iint\limits_D\frac{af(y)+bf(x)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma\\ &=\iint\limits_D(a+b)\mathrm{d}\sigma=\frac 1 2(a+b) \end{aligned}

所以

∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dσ=14(a+b)\iint\limits_D\frac{af(x)+bf(y)}{f(x)+f(y)}\mathrm{d}\sigma=\frac 1 4(a+b)

极坐标系下的二重积分

设 DD 是 OxyOxy 面上的有界闭区域,它的面积可以表示为

dσ=dr⋅(rdθ)=rdrdθ\mathrm{d}\sigma=\mathrm{d}r\cdot(r\mathrm{d}\theta)=r\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

根据直角坐标与极坐标的关系,有

{x=rcos⁡θy=rsin⁡θ\begin{cases} x=r\cos\theta\\ y=r\sin\theta \end{cases}

设 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上连续,则

∬Df(x,y)dσ=∬Df(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdrdθ\iint\limits_Df(x,y)\mathrm{d}\sigma=\iint\limits_Df(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

设积分区域 DD 可以用极坐标表示为

D={(r,θ)∣r1(θ)≤r≤r2(θ),α≤θ≤β}D=\{(r,\theta)\mid r_1(\theta)\leq r\leq r_2(\theta),\alpha\leq\theta\leq\beta\}

其中 r1(θ),r2(θ)r_1(\theta),r_2(\theta) 在 [α,β][\alpha,\beta] 上连续。

这种区域的特点是发自极点的任意一条射线 θ=θ0 (θ0∈(α,θ))\theta=\theta_0\ (\theta_0\in(\alpha,\theta)) 与边界的交点不多于两点。

可将极坐标系下的二重积分化为先对 rr 后对 θ\theta 的累次积分:

∬Df(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdrdθ=∫αβdθ∫r1(θ)r2(θ)f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdr\iint\limits_Df(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta=\int_\alpha^\beta\mathrm{d}\theta\int_{r_1(\theta)}^{r_2(\theta)}f(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mathrm{d}r

当 r1(θ)=0r_1(\theta)=0 时 r=r1(θ)r=r_1(\theta) 退化为极点 OO,积分下限 r1(θ)r_1(\theta) 变为 0。

此时,若极点为 DD 的内点,如下图所示:

则累次积分可写为:

∬Df(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdrdθ=∫02πdθ∫0r(θ)f(rcos⁡θ,rsin⁡θ)rdr\iint\limits_Df(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^{r(\theta)}f(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mathrm{d}r

其中,r(θ)r(\theta) 是 DD 的边界曲线方程。

极坐标系下二重积分的应用

将直角坐标转换为极坐标:

例:将直角坐标系下的二次积分化为极坐标形式下的二次积分,并计算积分值

I=∫01dx∫1−x1−x2(x2+y2)−32dyI=\int_0^1\mathrm{d}x\int_{1-x}^{\sqrt{1-x^2}}(x^2+y^2)^{-\frac 3 2}\mathrm{d}y

解:在直角坐标系中,II 的积分区域为

D={(x,y)∣1−x≤y≤1−x2,0≤x≤1}D=\{(x,y)\mid 1-x\leq y\leq \sqrt{1-x^2},0\leq x\leq 1\}

用极坐标表示为

D={(r,θ)∣1sin⁡θ+cos⁡θ≤r≤1,0≤θ≤π2}D=\left\{(r,\theta)\bigg|\frac 1 {\sin\theta+\cos\theta}\leq r\leq 1,0\leq\theta\leq\frac \pi 2\right\}

则

I=∬Ddxdy(x2+y2)32=∫0π2dθ∫1sin⁡θ+cos⁡θ1rdrr3=∫0π2(−1r)1sin⁡θ+cos⁡θdθ=∫0π2(sin⁡θ+cos⁡θ−1)dθ=2−π2\begin{aligned} I=\iint\limits_D\frac{\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{(x^2+y^2)^{\frac 3 2}}&=\int_0^\frac\pi 2\mathrm{d}\theta\int_{\frac 1 {\sin\theta+\cos\theta}}^1\frac{r\mathrm{d}r}{r^3}\\ &=\int_0^{\frac \pi 2}\left(-\frac 1 r\right)_{\frac 1 {\sin\theta+\cos\theta}}\mathrm{d}\theta\\ &=\int_0^{\frac \pi 2}(\sin\theta+\cos\theta-1)\mathrm{d}\theta\\ &=2-\frac \pi 2 \end{aligned}

变换累次积分的积分次序:

例:交换积分次序 I=∫−π4π2dθ∫02acos⁡θf(r,θ)dr\displaystyle I=\int_{-\frac \pi 4}^{\frac \pi 2}\mathrm{d}\theta\int_0^{2a\cos\theta}f(r,\theta)\mathrm{d}r.

解:

I=∫02adr∫−π4arccos⁡r2af(r,θ)dθ+∫2a2adr∫−arccos⁡r2aarccos⁡r2af(r,θ)dθI=\int_0^{\sqrt 2 a}\mathrm{d}r\int_{-\frac \pi 4}^{\arccos\frac r {2a}}f(r,\theta)\mathrm{d}\theta+\int_{\sqrt 2 a}^{2a}\mathrm{d}r\int_{-\arccos\frac r {2a}}^{\arccos\frac r {2a}}f(r,\theta)\mathrm{d}\theta

概率积分(高斯积分):

∫0+∞e−x2dx=π2\int_0^{+\infty}e^{-x^2}\mathrm{d}x=\frac{\sqrt\pi} 2

解:因为 lim⁡x→+∞x2e−x2=0\lim\limits_{x\to+\infty}x^2e^{-x^2}=0,所以概率积分收敛。

记

I(a)=∬Dae−(x2+y2)dxdy=∫0π2dθ∫0ae−r2rdr=π4(1−e−a2)(a>0)I(a)=\iint\limits_{D_a}e^{-(x^2+y^2)}\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\int_0^\frac\pi 2\mathrm{d}\theta\int_0^ae^{-r^2}r\mathrm{d}r=\frac\pi 4\left(1-e^{-a^2}\right)\quad (a>0)

其中

Da={(x,y)∣x2+y2≤a2,x≥0,y≥0}Ka={(x,y)∣0≤x≤a,0≤y≤a}D_a=\{(x,y)\mid x^2+y^2\leq a^2,x\geq 0, y\geq 0\}\\ K_a=\{(x,y)\mid 0\leq x\leq a,0\leq y\leq a\}

显然有 Da⊂Ka⊂D2aD_a\subset K_a\subset D_{\sqrt 2 a},则

I(a)<∬Kae−(x2+y2)dxdy<I(2a)I(a)<\iint\limits_{K_a}e^{-(x^2+y^2)}\mathrm{d}x\mathrm{d}y<I(\sqrt 2 a)

而

∬Kae−x2−y2dxdy=∫0ae−x2dx∫0ae−y2dy=(∫0ae−x2dx)2\iint\limits_{K_a}e^{-x^2-y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\int_0^ae^{-x^2}\mathrm{d}x\int_0^ae^{-y^2}\mathrm{d}y=\left(\int_0^ae^{-x^2}\mathrm{d}x\right)^2

因此,有

π4(1−e−a2)<(∫0ae−x2dx)2<π4(1−e−2a2)\frac\pi 4\left(1-e^{-a^2}\right)<\left(\int_0^ae^{-x^2}\mathrm{d}x\right)^2<\frac\pi 4\left(1-e^{-2a^2}\right)

令 a→+∞a\to+\infty,上式两端极限值为 π4\dfrac\pi 4,从而

(∫0+∞e−x2dx)2=π4\left(\int_0^{+\infty}e^{-x^2}\mathrm{d}x\right)^2=\frac\pi 4

可得概率积分的值为 π2\dfrac{\sqrt\pi} 2.

二重积分的换元法

设 f(x,y)f(x,y) 在 OxyOxy 面上的有界闭区域 DD 内连续,作变换

{x=x(u,v),y=y(u,v),(u,v)∈D′\begin{cases} x=x(u,v),\\ y=y(u,v), \end{cases}\quad(u,v)\in D'

其中 D′D' 是 O′uvO'uv 平面上的有界闭区域,x(u,v),y(u,v)x(u,v),y(u,v) 在 D′D' 上连续。若在 D′D' 上有雅可比行列式

J=∂(x,y)∂(u,v)=∣∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∣≠0J=\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}=\begin{vmatrix}\dfrac{\partial x}{\partial u}&\dfrac{\partial x}{\partial v}\\\dfrac{\partial y}{\partial u}&\dfrac{\partial y}{\partial v}\end{vmatrix}\neq 0

则有二重积分的换元公式:

∬Df(x,y)dxdy=∬D′f(x(u,v),y(u,v))∣J∣dudv\iint\limits_D f(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\iint\limits_{D'}f(x(u,v),y(u,v))|J|\mathrm{d}u\mathrm{d}v

如果雅可比行列式 JJ 只是在 D′D' 内个别点上,或在一条曲线上为零,则可以证明换元公式仍然成立。

例:求椭球面 x2a2+y2b2+z2c2=1\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1 围成的椭球体的体积。

解:设所求体积为 VV,椭球体在第一卦限部分的体积为 V1V_1,由对称性 V=8V1V=8V_1,上半椭球面方程为 z=c1−x2a2−y2b2z=c\sqrt{1-\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}},则

V=8V1=8∬Dc1−x2a2−y2b2dxdyV=8V_1=8\iint\limits_Dc\sqrt{1-\dfrac{x^2}{a^2}-\dfrac{y^2}{b^2}}\mathrm{d}x\mathrm{d}y

积分区域 D={(x,y)∣x2a2+y2b2≤1,x≥0,y≥0}D=\{(x,y)\mid\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}\leq 1,x\geq 0,y\geq 0\}.

作如下坐标变换

{x=arcos⁡θ,y=brsin⁡θ\begin{cases} x=ar\cos\theta,\\ y=br\sin\theta \end{cases}

在此变换下 DD 对应的 D′D' 为

D′={(r,θ)∣0≤r≤1,0≤θ≤π2}D'=\{(r,\theta)\mid 0\leq r\leq 1,0\leq\theta\leq\frac\pi 2\}

计算雅可比行列式

∣J∣=∣∂(x,y)∂(r,θ)∣=abr|J|=\left|\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)}\right|=abr

于是

V=8∬D′c1−r2abrdrdθ=8∫0π2dθ∫01abc1−r2rdr=43πabcV=8\iint\limits_{D'}c\sqrt{1-r^2}abr\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta=8\int_0^{\frac\pi 2}\mathrm{d}\theta\int_0^1abc\sqrt{1-r^2}r\mathrm{d}r=\frac 4 3 \pi abc

三重积分

将积分区域从面积拓展至体积后,我们就从二重积分拓展到了三重积分。

设 f(x,y,z)f(x,y,z) 是有界闭区域 Ω⊂R3\varOmega\subset\R^3 上的有界函数,将 Ω\varOmega 任意分割成 nn 个小闭区域

T={ΔV1.ΔV2,⋯ ,ΔVn}T=\{\Delta V_1.\Delta V_2,\cdots,\Delta V_n\}

其中 ΔVi\Delta V_i 既表示第 ii 个小区域,同时也表示它的体积,其中任意两个小区域 ΔVi\Delta V_i 与 ΔVj\Delta V_j 除边界外无公共点。任取一点 (ξi,ηi,ζi)∈ΔVi(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\in\Delta V_i,作和式

∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔVi\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta V_i

以 did_i 表示 ΔVi\Delta V_i 的直径,则分割的细度表示为

∣∣T∣∣=max⁡1≤i≤n{di}||T||=\max\limits_{1\leq i\leq n}\{d_i\}

如果当 ∣∣T∣∣→0||T||\to 0 时,和式的极限

lim⁡∣∣T∣∣→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔVi\lim_{||T||\to 0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta V_i

存在,并且这个极限与区域的分割方法及点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i,\eta_i,\zeta_i) 的取法无关,则称其为函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在闭区域 Ω\varOmega 上的三重积分(triple integral),记作

∭Ωf(x,y,z)dV=lim⁡∣∣T∣∣→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔVi\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=\lim_{||T||\to 0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta V_i

在直角坐标系中,体积元素 dσ=dxdydz\mathrm{d}\sigma=\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z,则三重积分可以记作

∭Ωf(x,y,z)dxdydz\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z

若函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在有界闭区域 Ω\varOmega 上连续,则其在 Ω\varOmega 上可积。

三重积分有和二重积分类似的性质,并且满足

∭ΩdV=V(Ω)\iiint\limits_\varOmega\mathrm{d}V=V(\varOmega)

三重积分的几何意义: 可以将三重积分理解为空间物体的质量,此时积分函数就能被看作是物体的密度函数。

三重积分的中值定理: 设函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在有界闭区域 Ω\varOmega 上连续,VV 是 Ω\varOmega 的体积,则 ∃(ξ,η,ζ)∈Ω\exists(\xi,\eta,\zeta)\in\varOmega,使得

∭Ωf(x,y,z)dV=f(ξ,η,ζ)V\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=f(\xi,\eta,\zeta)V

直角坐标系下的三重积分

对于积分区域 Ω\varOmega,如果可以将其表示为

Ω={(x,y,z)∣z1(x,y)≤z≤z2(x,y),(x,y)∈Dxy}\varOmega=\{(x,y,z)\mid z_1(x,y)\leq z\leq z_2(x,y),(x,y)\in D_{xy}\}

则称 Ω\varOmega 是 xy\bm{xy} 型区域,其中 DxyD_{xy} 是 Ω\varOmega 在 OxyOxy 坐标面上的投影域,z1(x,y),z2(x,y)z_1(x,y),z_2(x,y) 在 DxyD_{xy} 上连续。

类似地,可以定义 xz\bm{xz} 型区域和 yz\bm{yz} 型区域。

法一:将三重积分化为先定积分后二重积分(投影法)

假设被积函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在 xyxy 型区域 Ω\varOmega 上连续,在区间 [z1(x,y),z2(x,y)][z_1(x,y),z_2(x,y)] 上对 f(x,y,z)f(x,y,z) 进行定积分计算,得到关于 x,yx,y 的函数,记作 F(x,y)F(x,y),于是

F(x,y)=∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dzF(x,y)=\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f(x,y,z)\mathrm{d}z

可以证明 F(x,y)F(x,y) 在 DxyD_{xy} 上连续,且有

∭Ωf(x,y,z)dV=∬DxyF(x,y)dσ\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=\iint\limits_{D_{xy}}F(x,y)\mathrm{d}\sigma

这样就将三重积分降为了二重积分,即

∭Ωf(x,y,z)dV=∬Dxy(∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz)dσ\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=\iint\limits_{D_{xy}}\left(\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f(x,y,z)\mathrm{d}z\right)\mathrm{d}\sigma

同理可得 xzxz 型区域和 yzyz 型区域下的公式:

∭Ωf(x,y,z)dV=∬Dxz(∫z1(x,z)z2(x,z)f(x,y,z)dy)dσ∭Ωf(x,y,z)dV=∬Dyz(∫z1(y,z)z2(y,z)f(x,y,z)dx)dσ\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=\iint\limits_{D_{xz}}\left(\int_{z_1(x,z)}^{z_2(x,z)}f(x,y,z)\mathrm{d}y\right)\mathrm{d}\sigma\\ \iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}V=\iint\limits_{D_{yz}}\left(\int_{z_1(y,z)}^{z_2(y,z)}f(x,y,z)\mathrm{d}x\right)\mathrm{d}\sigma

法二:将三重积分化为累次积分

假设积分区域 Ω\varOmega 是 xyxy 型区域,即

Ω={(x,y,z)∣z1(x,y)≤z≤z2(x,y),(x,y)∈D}\varOmega=\{(x,y,z)\mid z_1(x,y)\leq z\leq z_2(x,y),(x,y)\in D\}

当 DD 是 OxyOxy 面上的 xx 型区域,即

D={(x,y)∣y1(x)≤y≤y2(x),a≤x≤b}D=\{(x,y)\mid y_1(x)\leq y\leq y_2(x),a\leq x\leq b\}

时,有

∭Ωf(x,y,z)dxdydz=∫abdx∫y1(x)y2(x)dy∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\int_a^b\mathrm{d}x\int_{y_1(x)}^{y_2(x)}\mathrm{d}y\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f(x,y,z)\mathrm{d}z

当 DD 是 OxyOxy 面上的 yy 型区域,即

D={(x,y)∣x1(x)≤x≤x2(x),c≤y≤d}D=\{(x,y)\mid x_1(x)\leq x\leq x_2(x),c\leq y\leq d\}

时,有

∭Ωf(x,y,z)dxdydz=∫cddy∫x1(y)x2(y)dx∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z)dz\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\int_c^d\mathrm{d}y\int_{x_1(y)}^{x_2(y)}\mathrm{d}x\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f(x,y,z)\mathrm{d}z

法三:将三重积分化为先二重积分后定积分(切片法)

设 DzD_z 是平行于 OxyOxy 的平面截 Ω\varOmega 所得到的平面区域,如果积分区域 Ω\varOmega 可以表示为

Ω={(x,y,z)∣(x,y)∈Dz,p≤z≤q}\varOmega=\{(x,y,z)\mid (x,y)\in D_z,p\leq z\leq q\}

并且当二重积分 ∬Dzf(x,y,z)dxdy\displaystyle\iint\limits_{D_z}f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y 比较容易计算时,可以使用将三重积分化为先二重积分后定积分的方法计算,即

∭Ωf(x,y,z)dxdydz=∫pqdz∬Dzf(x,y,z)dxdy\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\int_p^q\mathrm{d}z\iint\limits_{D_z}f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y

三重积分的换元法

设 f(x,y,z)f(x,y,z) 在 OxyzOxyz 坐标系中的有界闭区域 Ω\varOmega 内连续,作变换

{x=x(u,v,w),y=y(u,v,w),z=z(u,v,w)(u,v,w)∈Ω′\begin{cases} x=x(u,v,w),\\ y=y(u,v,w),\\ z=z(u,v,w) \end{cases}\quad(u,v,w)\in \varOmega'

其中 Ω′\varOmega' 是 O′uvwO'uvw 坐标系中的有界闭区域,x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w)x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w) 在 Ω′\varOmega' 上连续。若在 Ω′\varOmega' 上有雅可比行列式

J=∂(x,y,z)∂(u,v,w)=∣∂x∂u∂x∂v∂x∂w∂y∂u∂y∂v∂y∂w∂z∂u∂z∂v∂z∂w∣≠0J=\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}=\begin{vmatrix}\dfrac{\partial x}{\partial u}&\dfrac{\partial x}{\partial v}&\dfrac{\partial x}{\partial w}\\\dfrac{\partial y}{\partial u}&\dfrac{\partial y}{\partial v}&\dfrac{\partial y}{\partial w}\\\dfrac{\partial z}{\partial u}&\dfrac{\partial z}{\partial v}&\dfrac{\partial z}{\partial w}\end{vmatrix}\neq 0

则有三重积分的换元公式:

∭Df(x,y,z)dxdydz=∭D′f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))∣J∣dudvdw\iiint\limits_D f(x,y,z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\iiint\limits_{D'}f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))|J|\mathrm{d}u\mathrm{d}v\mathrm{d}w

柱面坐标系下的三重积分

柱面坐标变换:

{x=rcos⁡θ,0≤r<+∞y=rsin⁡θ,0≤θ≤2πz=z,−∞<z<+∞\begin{cases} x=r\cos\theta,&0\leq r<+\infty\\ y=r\sin\theta,&0\leq\theta\leq 2\pi\\ z=z,&-\infty<z<+\infty \end{cases}

直角坐标系中的点 M(x,y,z)M(x,y,z) 可以用柱面坐标系中的 (r,θ,z)(r,\theta,z) 来表示,称 (r,θ,z)(r,\theta,z) 为点 MM 的柱面坐标。

在柱面坐标变换下,雅可比行列式为

J=∂(x,y,z)∂(r,θ,z)=∣cos⁡θ−rsin⁡θ0sin⁡θrcos⁡θ0001∣=rJ=\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,z)}=\begin{vmatrix}\cos\theta&-r\sin\theta&0\\\sin\theta&r\cos\theta&0\\0&0&1\end{vmatrix}=r

若 f(x,y,z)f(x,y,z) 在有界闭区域 Ω\varOmega 上连续,且在变换下变为 Ω′\varOmega',则有

∭Ωf(x,y,z)dxdydz=∭Ω′f(rcos⁡θ,rsin⁡θ,z)rdrdθdz\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm dx\mathrm dy\mathrm dz=\iiint\limits_{\varOmega'}f(r\cos\theta,r\sin\theta,z)r\mathrm dr\mathrm d\theta\mathrm dz

例:计算 ∭Ω(1+x2+yz)zdV\displaystyle\iiint\limits_\varOmega\left(1+x^2+y^z\right)z\mathrm dV,其中 Ω\varOmega 是由锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 和平面 z=1z=1 围成的闭区域。

解:在柱面坐标系下 Ω\varOmega 可表示为

Ω={(r,θ,z)∣0≤r≤1,0≤θ≤2π,r≤z≤1}\varOmega=\{(r,\theta,z)\mid 0\leq r\leq 1,0\leq\theta\leq 2\pi,r\leq z\leq 1\}

于是

∭Ω(1+x2+y2)zdV=∭Ω(1+r2)zrdrdθdz=∫02πdθ∫01r(1+r2)dr∫r1zdz=∫02πdθ∫0112r(1+r2)(1−r2)dr=2π⋅12(12r2−16r6)∣01=π3\begin{aligned} \iiint\limits_\varOmega\left(1+x^2+y^2\right)z\mathrm dV&=\iiint\limits_\varOmega\left(1+r^2\right)zr\mathrm dr\mathrm d\theta\mathrm dz\\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm d\theta\int_0^1r\left(1+r^2\right)\mathrm dr\int_r^1z\mathrm dz\\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm d\theta\int_0^1\frac 1 2r\left(1+r^2\right)\left(1-r^2\right)\mathrm dr\\ &=2\pi\cdot\frac 1 2\left(\frac 1 2r^2-\frac 1 6r^6\right)\bigg|_0^1\\ &=\frac\pi 3 \end{aligned}

球面坐标系下的三重积分

球面坐标变换:

{x=rsin⁡φcos⁡θ,0≤r<+∞y=rsin⁡φsin⁡θ,0≤θ≤2πz=rcos⁡φ,0≤φ≤π\begin{cases} x=r\sin\varphi\cos\theta,&0\leq r<+\infty\\ y=r\sin\varphi\sin\theta,&0\leq\theta\leq 2\pi\\ z=r\cos\varphi,&0\leq\varphi\leq\pi \end{cases}

空间中的点 MM 也可以用 r,θ,φr,\theta,\varphi 来表示,我们称 (r,θ,φ)(r,\theta,\varphi) 为点 MM 的球面坐标。

在球面坐标变换下,雅可比行列式为

J=∂(x,y,z)∂(r,θ,φ)=∣sin⁡φcos⁡θ−rsin⁡φsin⁡θrcos⁡φcos⁡θsin⁡φsin⁡θrsin⁡φcos⁡θrcos⁡φsin⁡θcos⁡φ0−rsin⁡φ∣=−r2sin⁡φJ=\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(r,\theta,\varphi)}=\begin{vmatrix}\sin\varphi\cos\theta&-r\sin\varphi\sin\theta&r\cos\varphi\cos\theta\\\sin\varphi\sin\theta&r\sin\varphi\cos\theta&r\cos\varphi\sin\theta\\\cos\varphi&0&-r\sin\varphi\end{vmatrix}=-r^2\sin\varphi

若 f(x,y,z)f(x,y,z) 在有界闭区域 Ω\varOmega 上连续,且在变换下变为 Ω′\varOmega',则有

∭Ωf(x,y,z)dxdydz=∭Ω′F(r,θ,φ)r2sin⁡φdrdθdφ\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm dx\mathrm dy\mathrm dz=\iiint\limits_{\varOmega'}F(r,\theta,\varphi)r^2\sin\varphi\mathrm dr\mathrm d\theta\mathrm d\varphi

其中 F(r,θ,φ)=f(rsin⁡φcos⁡θ,rsin⁡φsin⁡θ,rcos⁡φ)F(r,\theta,\varphi)=f(r\sin\varphi\cos\theta,r\sin\varphi\sin\theta,r\cos\varphi).

例:计算 ∭Ω(x2+x2+yz)dV\displaystyle\iiint\limits_\varOmega\left(x^2+x^2+y^z\right)\mathrm dV,其中 Ω\varOmega 是由锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 和球面 z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} 围成的闭区域。

解:在球面坐标系下 Ω\varOmega 可表示为

Ω={(r,θ,φ)∣0≤r≤a,0≤θ≤2π,0≤φ≤π4}\varOmega=\{(r,\theta,\varphi)\mid 0\leq r\leq a,0\leq\theta\leq 2\pi,0\leq\varphi\leq\frac\pi 4\}

于是

∭Ω(x2+x2+yz)dV=∭Ωr2⋅r2sin⁡φdrdθdφ=∫02πdθ∫0π4sin⁡φdφ∫0ar4dr=25πa5(1−22)\begin{aligned} \iiint\limits_\varOmega\left(x^2+x^2+y^z\right)\mathrm dV&=\iiint\limits_\varOmega r^2\cdot r^2\sin\varphi\mathrm dr\mathrm d\theta\mathrm d\varphi\\ &=\int_0^{2\pi}\mathrm d\theta\int_0^{\frac\pi 4}\sin\varphi\mathrm d\varphi\int_0^a r^4\mathrm dr\\ &=\frac 2 5\pi a^5\left(1-\frac{\sqrt{2}}2\right) \end{aligned}

三重积分的对称性

如果 Ω\varOmega 关于 OxyOxy 平面对称,则

  1. 若 f(x,y,z)f(x,y,z) 在 Ω\varOmega 上关于 zz 是奇函数,∭Ωf(x,y,z)dV=0\displaystyle\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm dV=0.
  2. 若 f(x,y,z)f(x,y,z) 在 Ω\varOmega 上关于 zz 是偶函数,∭Ωf(x,y,z)dV=2∭Ω1f(x,y,z)dV\displaystyle\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm dV=2\iiint\limits_{\varOmega_1} f(x,y,z)\mathrm dV,其中 Ω1\varOmega_1 为 Ω\varOmega 在 OxyOxy 平面的上半部分区域。

同理可得关于 Oxz,OyzOxz,Oyz 平面的对称性。

例:计算 ∭Ωe∣z∣dV\displaystyle\iiint\limits_\varOmega e^{|z|}\mathrm dV,其中 Ω\varOmega 是由球面 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 围成的区域。

解:设 Ω1\varOmega_1 为 Ω\varOmega 在 OxyOxy 平面的上半部分区域。

Dxy={(x,y)∣x2+y2≤1−z2}D_{xy}=\{(x,y)\mid x^2+y^2\leq 1-z^2\}

则

∭Ωe∣z∣dV=2∭Ω1e∣z∣dV=2∫01ezdz∬Dxydσ=2∫01ezπ(1−z2)dz=2π(ez∣01−∫01z2dez)=2π[(e−1)−z2ez∣01+∫012zezdz]=2π[−1+2(zez∣01−∫01ezdz)]=2π[−1+2(e−ez∣01)]=2π\begin{aligned}\iiint\limits_\varOmega e^{|z|}\mathrm dV&=2\iiint\limits_{\varOmega_1}e^{|z|}\mathrm dV=2\int_0^1e^z\mathrm dz\iint_{D_{xy}}\mathrm d\sigma\\ &=2\int_0^1e^z\pi\left(1-z^2\right)\mathrm dz\\ &=2\pi\left(e^z\big|_0^1-\int_0^1 z^2\mathrm de^z\right)\\ &=2\pi\left[(e-1)-z^2e^z\big|_0^1+\int_0^1 2ze^z\mathrm dz\right]\\ &=2\pi\left[-1+2\left(ze^z\big|_0^1-\int_0^1 e^z\mathrm dz\right)\right]\\ &=2\pi\left[-1+2\left(e-e^z\big|_0^1\right)\right]=2\pi \end{aligned}

轮换对称性: 如果 Ω\varOmega 的边界曲线方程 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 满足 F(x,y,z)=F(y,z,x)=F(z,x,y)F(x,y,z)=F(y,z,x)=F(z,x,y),则称 Ω\varOmega 关于 x,y,zx,y,z 有轮换对称性,此时

∭Ωf(x,y,z)dV=∭Ωf(y,z,x)dV=∭Ωf(z,x,y)dV\iiint\limits_\varOmega f(x,y,z)\mathrm dV=\iiint\limits_\varOmega f(y,z,x)\mathrm dV=\iiint\limits_\varOmega f(z,x,y)\mathrm dV

例:

∭Ωx2dV=13∭Ω(x2+y2+z2)dV=13∫02πdθ∫0πsin⁡φdφ∫01r4dr=13⋅2π⋅2⋅15=4π15\begin{aligned} \iiint\limits_\varOmega x^2\mathrm dV&=\frac 1 3\iiint\limits_\varOmega\left(x^2+y^2+z^2\right)\mathrm dV\\ &=\frac 1 3\int_0^{2\pi}\mathrm d\theta\int_0^\pi\sin\varphi\mathrm d\varphi\int_0^1r^4\mathrm dr\\ &=\frac 1 3\cdot 2\pi\cdot 2\cdot\frac 1 5=\frac{4\pi}{15} \end{aligned}

含参变量的积分

积分限为常数的含参变量的积分:

记 D={(x,y)∣a≤x≤b,c≤y≤d}D=\{(x,y)\mid a\leq x\leq b,c\leq y\leq d\},当 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上连续时,对任意 y∈[c,d]y\in[c,d],存在定积分

I(y)=∫abf(x,y)dxI(y)=\int_a^b f(x,y)\mathrm dx

确定了以 yy 为自变量的函数 I(y)I(y),将此积分称为含参变量 y\bm y 的积分。

同理可得含参变量 x\bm x 的积分:

I(x)=∫cdf(x,y)dyI(x)=\int_c^d f(x,y)\mathrm dy

定理: 若 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上连续,则 I(y)=∫abf(x,y)dx\displaystyle I(y)=\int_a^b f(x,y)\mathrm dx 在 [c,d][c,d] 上连续。

积分限含参变量的积分:

形如

F(y)=∫a(y)b(y)f(x,y)dxF(y)=\int_{a(y)}^{b(y)}f(x,y)\mathrm dx

的含参变量积分,其特点是不但被积函数 f(x,y)f(x,y) 含参变量,而且积分限也含参变量 yy.

定理: 若 f(x,y)f(x,y) 在 DD 上连续,a(y),b(y)a(y),b(y) 在 [c,d][c,d] 上连续,且 a≤a(y)≤b,a≤b(y)≤ba\leq a(y)\leq b,a\leq b(y)\leq b,则 F(y)F(y) 在 [c,d][c,d] 上连续。

曲线积分

第一类曲线积分的概念与性质

设 f(x,y)f(x, y) 是定义在 OxyOxy 面上的有界光滑曲线 LL 上的有界函数,令 LL 的两个端点为 A,BA, B. 用 LL 上 n+1n + 1 个不同的点 A=M0,M1,⋯ ,Mn=BA = M_0, M_1, \cdots, M_n = B 将 LL 分成 nn 个小弧段,其中第 ii 段弧 Mi−1Mi⌢\overset{\LARGE\frown}{M_{i - 1}M_i} 的长度记作 Δsi\Delta s_i. 取 (ξi,ηi)∈Mi−1Mi⌢ (i=1,2,⋯ ,n)(\xi_i, \eta_i) \in \overset{\LARGE\frown}{M_{i - 1}M_i}\ (i = 1, 2, \cdots, n),作和式

∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi\sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i){\Delta s_i}

记 d=max⁡i≤i≤n{Δsi}d = \max\limits_{i \leq i \leq n}\{ \Delta s_i \},若极限

lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi\lim_{d \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i){\Delta s_i}

存在,则称此极限为函数 f(x,y)f(x, y) 在曲线 LL 上的第一类曲线积分,记作

∫Lf(x,y)ds\int_L f(x, y){\mathrm ds}

即

∫Lf(x,y)ds=lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi\int_L f(x, y){\mathrm ds} = \lim_{d \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i){\Delta s_i}

称 f(x,y)f(x, y) 为被积函数,LL 为积分曲线,ds\mathrm ds 为弧长元素。

若 LL 为闭曲线,则曲线积分 ∫Lf(x,y)ds\displaystyle\int_L f(x, y){\mathrm ds} 通常记作 ∮Lf(x,y)ds\displaystyle\oint_L f(x, y){\mathrm ds}.

第一类曲线积分的性质: 和定积分的性质类似

  • 线性性质:

∫L[k1f1(x,y)+k2f2(x,y)]ds=k1∫Lf1(x,y)ds+k2∫Lf2(x,y)ds\int_L[k_1 f_1(x, y) + k_2 f_2(x, y)]\mathrm{d}s = k_1 \int_L f_1(x, y)\mathrm{d}s + k_2 \int_L f_2(x, y)\mathrm{d}s

  • 对积分曲线的可加性质(LL 由 L1L_1 和 L2L_2 连接而成):

∫Lf(x,y)ds=∫L1f(x,y)ds+∫L2f(x,y)ds\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \int_{L_1} f(x, y)\mathrm{d}s + \int_{L_2} f(x, y)\mathrm{d}s

  • 当 f(x,y)≡1f(x, y) \equiv 1 时,∫Lds\displaystyle\int_L{\mathrm ds} 的值即为曲线 LL 的长度。

  • 设在 LL 上,f(x,y)≤g(x,y)f(x, y) \leq g(x, y),则

∫Lf(x,y)ds≤∫Lg(x,y)ds\int_L f(x, y)\mathrm{d}s \leq \int_L g(x, y)\mathrm{d}s

  • 特别地,有

∣∫Lf(x,y)ds∣≤∫L∣f(x,y)∣ds\left| \int_L f(x, y)\mathrm{d}s \right| \leq \int_L |f(x, y)|\mathrm{d}s

第一类曲线积分的应用: 计算旋转体侧面积:

S=∫L2πf(x)dsS = \int_L 2\pi f(x)\mathrm{d}s

第一类曲线积分的计算

基本方法: 将积分弧段参数化后把曲线积分化为定积分。

1. 曲线由参数方程表示: LL 的参数方程为 {x=φ(t)y=ψ(t)(α≤t≤β)\begin{cases} x = \varphi(t)\\ y = \psi(t) \end{cases} (\alpha \leq t \leq \beta). 若 φ(t)\varphi(t) 和 ψ(t)\psi(t) 在 [α,β][\alpha, \beta] 上都有一阶连续导数,且 [φ′(t)]2+[ψ′(t)]2≠0[\varphi'(t)]^2 + [\psi'(t)]^2 \neq 0,则曲线积分 ∫Lf(x,y)ds\int_L f(x, y)\mathrm{d}s 存在,且

∫Lf(x,y)ds=∫αβf(φ(t),ψ(t))[φ′(t)]2+[ψ′(t)]2dt\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \int_\alpha^\beta f(\varphi(t), \psi(t))\sqrt{[\varphi'(t)]^2 + [\psi'(t)]^2}\mathrm{d}t

特殊的参数方程:当 {x=xy=ψ(x)(x0≤x≤x1)\begin{cases} x = x\\ y = \psi(x) \end{cases} (x_0 \leq x \leq x_1) 时,有

∫Lf(x,y)ds=∫x0x1f(x,ψ(x))1+[ψ′(x)]2dx\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \int_{x_0}^{x_1} f(x, \psi(x))\sqrt{1 + [\psi'(x)]^2}\mathrm{d}x

当 {x=φ(y)y=y(y0≤y≤y1)\begin{cases} x = \varphi(y)\\ y = y \end{cases} (y_0 \leq y \leq y_1) 时,和上述情形类似,有

∫Lf(x,y)ds=∫y0y1f(φ(y),y)[φ′(y)]2+1dx\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \int_{y_0}^{y_1} f(\varphi(y), y)\sqrt{[\varphi'(y)]^2 + 1}\mathrm{d}x

2. 曲线由极坐标方程表示: LL 的极坐标方程为 r=r(θ) (α≤θ≤β)r = r(\theta)\ (\alpha \leq \theta \leq \beta),则有

∫Lf(x,y)ds=∫αβf(r(θ)cos⁡θ,r(θ)sin⁡θ)[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \int_\alpha^\beta f(r(\theta)\cos\theta, r(\theta)\sin\theta)\sqrt{[r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2}\mathrm{d}\theta

3. 空间曲线的参数方程: Γ\varGamma 的参数方程为 {x=x(t)y=y(t)z=z(t)(α≤t≤β)\begin{cases} x = x(t)\\ y = y(t)\\ z = z(t) \end{cases} (\alpha \leq t \leq \beta). 若 x(t)x(t),y(t)y(t) 和 z(t)z(t) 在 [α,β][\alpha, \beta] 上都有一阶连续导数,且 x′2(t)+y′2(t)+z′2(t)≠0x'^2(t) + y'^2(t) + z'^2(t) \neq 0,则有

∫Γf(x,y,z)ds=∫αβf(x(t),y(t),z(t))x′2(t)+y′2(t)+z′2(t)dt\int_\varGamma f(x, y, z)\mathrm{d}s = \int_\alpha^\beta f(x(t), y(t), z(t))\sqrt{x'^2(t) + y'^2(t) + z'^2(t)}\mathrm{d}t

利用对称性简化计算: 若平面光滑曲线 LL 关于 yy 轴对称,则

∫Lf(x,y)ds={2∫L(y≥0)f(x,y)ds,f(−x,y)=f(x,y),0,f(−x,y)=−f(x,y).\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \begin{cases} \displaystyle 2\int_{L(y \geq 0)} f(x, y)\mathrm{d}s, & f(-x, y) = f(x, y),\\ 0, & f(-x, y) = -f(x, y). \end{cases}

若平面光滑曲线 LL 关于 xx 轴对称,则

∫Lf(x,y)ds={2∫L(x≥0)f(x,y)ds,f(x,−y)=f(x,y),0,f(x,−y)=−f(x,y).\int_L f(x, y)\mathrm{d}s = \begin{cases} \displaystyle 2\int_{L(x \geq 0)} f(x, y)\mathrm{d}s, & f(x, -y) = f(x, y),\\ 0, & f(x, -y) = -f(x, y). \end{cases}

设空间光滑曲线 Γ\varGamma 的方程为 {F(x,y,z)=0G(x,y,z)=0\begin{cases} F(x, y, z) = 0\\ G(x, y, z) = 0 \end{cases},如果满足

F(x,y,z)=F(y,z,x)=F(z,x,y),G(x,y,z)=G(y,z,x)=G(z,x,y).F(x, y, z) = F(y, z, x) = F(z, x, y),\\ G(x, y, z) = G(y, z, x) = G(z, x, y).

则称 Γ\varGamma 具有轮换对称性,此时

∫Γf(x,y,z)ds=∫Γf(y,z,x)ds=∫Γf(z,x,y)ds=13∫Γ[f(x,y,z)+f(y,z,x)+f(z,x,y)]ds\begin{aligned} \int_\varGamma f(x, y, z)\mathrm{d}s &= \int_\varGamma f(y, z, x)\mathrm{d}s = \int_\varGamma f(z, x, y)\mathrm{d}s\\ &= \frac{1}{3}\int_\varGamma[f(x, y, z) + f(y, z, x) + f(z, x, y)]\mathrm{d}s \end{aligned}

第二类曲线积分的概念与性质

设 LL 是 OxyOxy 面上从起点 AA 到终点 BB 的一条有向光滑曲线,P(x,y),Q(x,y)P(x, y), Q(x, y) 上有界。用分点

A=M0(x0,y0),M1(x1,y1),M2(x2,y2),⋯ ,Mn(xn,yn)=BA = M_0(x_0, y_0), M_1(x_1, y_1), M_2(x_2, y_2), \cdots, M_n(x_n, y_n) = B

将有向曲线 LL 分成 nn 个有向小弧段 Mi−1Mi⌢ (i=1,2,⋯ ,n)\overset{\LARGE\frown}{M_{i - 1}M_i}\ (i = 1, 2, \cdots, n),Mi−1Mi⌢\overset{\LARGE\frown}{M_{i - 1}M_i} 在 xx 轴和 yy 轴上的投影分别为 Δxi=xi−xi−1\Delta x_i = x_i - x_{i - 1} 和 Δyi=yi−yi−1\Delta y_i = y_i - y_{i - 1}. 在 Mi−1Mi⌢\overset{\LARGE\frown}{M_{i - 1}M_i} 上任取一点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i),作和式

∑i=1n[P(ξi,ηi)Δxi+Q(ξi,ηi)Δyi]\sum_{i = 1}^n [P(\xi_i, \eta_i) \Delta x_i + Q(\xi_i, \eta_i) \Delta y_i]

当各弧段长度的最大值 λ→0\lambda \to 0 时,该和式的极限存在,且与曲线 LL 的分法以及点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i) 的取法无关,称该极限为向量值函数

A(x,y)=P(x,y)i+Q(x,y)j\bm{A}(x, y) = P(x, y)\bm{i} + Q(x, y)\bm{j}

在有向曲线 LL 上的第二类曲线积分,也称为对坐标的曲线积分,记作

∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=lim⁡λ→0∑i=1n[P(ξi,ηi)Δxi+Q(ξi,ηi)Δyi]\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = \lim_{\lambda \to 0}\sum_{i = 1}^n [P(\xi_i, \eta_i) \Delta x_i + Q(\xi_i, \eta_i) \Delta y_i]

称 P(x,y),Q(x,y)P(x, y), Q(x, y) 为被积函数,LL 为积分曲线。

∫LP(x,y)dx\displaystyle\int_L P(x, y)\mathrm{d}x 称为函数 P(x,y)P(x, y) 在有向曲线 LL 上对坐标 xx 的曲线积分,∫LQ(x,y)dy\displaystyle\int_L Q(x, y)\mathrm{d}y 称为函数 Q(x,y)Q(x, y) 在有向曲线 LL 上对坐标 yy 的曲线积分。

当积分曲线 LL 是一条封闭曲线时,积分 ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy\displaystyle\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y 通常记作 ∮LP(x,y)dx+Q(x,y)dy\displaystyle\oint_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y.

第二类曲线积分的物理意义: 质点受到变力 F(x,y)\bm{F}(x, y) 的作用,沿有向光滑曲线 LL 从点 AA 移动到点 BB,令向量值函数 F(x,y)=P(x,y)i+Q(x,y)j\bm{F}(x, y) = P(x, y)\bm{i} + Q(x, y)\bm{j},且 dr=dxi+dyj\mathrm{d}\bm{r} = \mathrm{d}x\bm{i} + \mathrm{d}y\bm{j},则 F\bm{F} 所做的功可以表示为

W=∫LF(x,y)⋅dr=∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dyW = \int_L \bm{F}(x, y) \cdot \mathrm{d}\bm{r} = \int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y

第二类曲线积分的性质:

  • 设 LL 是有向光滑曲线,−L-L 是与 LL 方向相反的有向光滑曲线,则

∫−LPdx+Qdy=−∫LPdx+Qdy\int_{-L} P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y = -\int_L P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y

  • 如果有向光滑曲线 LL 分成方向一致的两条曲线 L1L_1 和 L2L_2,则

∫LPdx+Qdy=∫L1Pdx+Qdy+∫L2Pdx+Qdy\int_L P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y = \int_{L_1} P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y + \int_{L_2} P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y

两类曲线积分之间的关系: 设 Γ\varGamma 是空间有向光滑曲线,其长度为 ll,取弧长 ss 为参数,设 Γ\varGamma 的参数方程为 {x=x(s)y=y(s)z=z(s)(0≤s≤l)\begin{cases} x = x(s)\\ y = y(s)\\ z = z(s) \end{cases} (0 \leq s \leq l). 在曲线 Γ\varGamma 上任取一点 M(x,y,z)M(x, y, z),此处的切向量为

s=(dxds,dyds,dzds)\bm{s} = \left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}s}, \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}s}, \frac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}s} \right)

于是可得曲线 Γ\varGamma 在点 MM 处的切线 MSMS 的方向余弦为

{cos⁡α=dxdscos⁡β=dydscos⁡γ=dzds\begin{cases} \cos\alpha = \dfrac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}s}\\ \cos\beta = \dfrac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}s}\\ \cos\gamma = \dfrac{\mathrm{d}z}{\mathrm{d}s}\\ \end{cases}

可以将第二类曲线积分转化为第一类曲线积分:

∫ΓPdx+Qdy+Rdz=∫Γ(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)ds\int_\varGamma P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y + R\mathrm{d}z = \int_\varGamma (P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma)\mathrm{d}s

其中 P,Q,R,α,β,γP, Q, R, \alpha, \beta, \gamma 都是曲线 Γ\varGamma 上关于点 (x,y,z)(x, y, z) 的函数。

第二类曲线积分的计算

曲线由参数方程表示: 设 P(x,y)P(x, y) 和 Q(x,y)Q(x, y) 在有向曲线 LL 上有定义且连续,LL 的参数方程为 {x=φ(t),y=ψ(t).\begin{cases} x = \varphi(t),\\ y = \psi(t). \end{cases} 当参数 tt 单调地由 α\alpha 变到 β\beta 时,点 M(x,y)M(x, y) 从 LL 的起点 AA 沿曲线运动到终点 BB. 若 φ(t)\varphi(t) 和 ψ(t)\psi(t) 在以 α\alpha 和 β\beta 为端点的闭区间上具有一阶连续导数,且 [φ′(t)]2+[ψ′(t)]2≠0[\varphi'(t)]^2 + [\psi'(t)]^2 \neq 0,则曲线积分 ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y 存在,且

∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ[P(φ(t),ψ(t))φ′(t)+Q(φ(t),ψ(t))ψ′(t)]dt\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = \int_\alpha^\beta[P(\varphi(t), \psi(t))\varphi'(t) + Q(\varphi(t), \psi(t))\psi'(t)]\mathrm{d}t

需要注意的是,此处的下限 α\alpha 对应 LL 的起点,上限 β\beta 对应 LL 的终点,与第一类曲面积分不同,α\alpha 不一定小于 β\beta.

特殊的参数方程:当 {x:a→by=ψ(x)\begin{cases} x : a \to b\\ y = \psi(x) \end{cases} 时,有

∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫ab[P(x,ψ(x))+Q(x,ψ(x))ψ′(x)]dx\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = \int_a^b[P(x, \psi(x)) + Q(x, \psi(x))\psi'(x)]\mathrm{d}x

当 {x=φ(y)y:c→d\begin{cases} x = \varphi(y)\\ y : c \to d \end{cases} 时,和上述情形类似,有

∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫ab[P(φ(y),y)φ′(y)+Q(φ(y),y)]dy\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = \int_a^b[P(\varphi(y), y)\varphi'(y) + Q(\varphi(y), y)]\mathrm{d}y

空间曲线的参数方程:

∫LP(x,y,z)dx+Q(x,y,z)dy+R(x,y,z)dz=∫αβ[P(x(t),y(t),z(t))x′(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y′(t)+R(x(t),y(t),z(t))z′(t)]dt\begin{aligned} & \int_L P(x, y, z)\mathrm{d}x + Q(x, y, z)\mathrm{d}y + R(x, y, z)\mathrm{d}z\\ = & \int_\alpha^\beta[P(x(t), y(t), z(t))x'(t) + Q(x(t), y(t), z(t))y'(t)\\ &+ R(x(t), y(t), z(t))z'(t)]\mathrm{d}t \end{aligned}

格林公式

格林(Green)定理: 设平面闭区域 DD 由分段光滑的曲线 LL 围成,若函数 P(x,y)P(x, y) 和 Q(x,y)Q(x, y) 在 DD 上具有一阶连续偏导数,则有

∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy=∮LPdx+Qdy\iint\limits_D \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right)\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \oint_L P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y

其中 LL 是 DD 的取正向的边界曲线,计算反向边界时需要加上负号。

对于平面区域 DD,我们规定其边界 LL 的正向为:当人沿着 LL 的方向行走时,邻近处的 DD 始终位于他的左侧。

特别地,在格林公式中,令 P=−y,Q=xP = -y, Q = x,则可得到一个利用曲线积分计算平面区域的面积公式

D=∬Ddxdy=12∮Lxdy−ydxD = \iint\limits_D \mathrm{d}x\mathrm{d}y = \frac{1}{2}\oint_L x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x

无法直接使用格林公式的情形:

修补法:将一条弧补成完整的闭合曲线。

例:计算曲线积分 ∫L(x2+1−eysin⁡x)dy−eycos⁡xdx\displaystyle\int_L (x^2 + 1 - e^y\sin{x})\mathrm{d}y - e^y\cos{x}\mathrm{d}x,其中 LL 为半圆 x=1−y2x = \sqrt{1 - y^2} 上从点 A(0,−1)A(0, -1) 到点 B(0,1)B(0, 1) 的一段弧。

解:作线段 BABA,取 C+L+BAC + L + BA 构成的闭合曲线方向为正方向。

∫L=(∫L+∫BA)−∫BA=∮C+∫AB\int_L = \left( \int_L + \int_{BA} \right) - \int_{BA} = \oint_C + \int_{AB}

令 P=−eycos⁡x,Q=x2+1−eysin⁡xP = -e^y\cos{x}, Q = x^2 + 1 - e^y\sin{x},则

∂Q∂x=2x−eycos⁡x,∂P∂y=−cos⁡xey\frac{\partial Q}{\partial x} = 2x - e^y\cos{x}, \quad \frac{\partial P}{\partial y} = -\cos{x}e^y

所以 ∮C(x2+1−eysin⁡x)dy−eycos⁡xdx\displaystyle\oint_C (x^2 + 1 - e^y\sin{x})\mathrm{d}y - e^y\cos{x}\mathrm{d}x 可以用格林公式转化为

∬D2xdxdy=∫−π2π2dθ∫012rcos⁡θ⋅rdr=43\iint\limits_D 2x\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}}\mathrm{d}\theta \int_0^1 2r\cos{\theta} \cdot r\mathrm{d}r = \frac{4}{3}

又因为

∫AB(x2+1−eysin⁡x)dy−eycos⁡xdx=∫−11dy=2\int_{AB} (x^2 + 1 - e^y\sin{x})\mathrm{d}y - e^y\cos{x}\mathrm{d}x = \int_{-1}^1 \mathrm{d}y = 2

所以原式等于 43+2=103\dfrac{4}{3} + 2 = \dfrac{10}{3}.

挖洞法:结合给出的条件,使挖洞后的计算尽可能简单,避免奇点带来的麻烦。

例:计算曲面积分 ∮Lxdy−ydxx2+y2\displaystyle\oint_L \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2},其中 LL 是光滑的,不通过原点的正向闭曲线。

解:情形 1:闭曲线 LL 所围成的区域 DD 不包含原点。

令函数 P=−yx2+y2,Q=xx2+y2P = \dfrac{-y}{x^2 + y^2}, Q = \dfrac{x}{x^2 + y^2},它们在区域 DD 上具有连续偏导数,且

∂P∂y=−x2+y2(x2+y2)2=∂Q∂x\frac{\partial P}{\partial y} = \frac{-x^2 + y^2}{(x^2 + y^2)^2} = \frac{\partial Q}{\partial x}

所以由格林公式可得

∮Lxdy−ydxx2+y2=0\oint_L \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2} = 0

情形 2:闭曲线 LL 所围成的区域 DD 包含原点。

以原点为心,充分小整数 rr 为半径作一小圆周 ll,设 LL 和 ll 所围成的区域为 D1D_1,ll 取正向。

∮Lxdy−ydxx2+y2+∮lxdy−ydxx2+y2=0\oint_L \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2} + \oint_l \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2} = 0

所以

∮Lxdy−ydxx2+y2=−∮lxdy−ydxx2+y2=1r2∮−lxdy−ydx\oint_L \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2} = -\oint_l \frac{x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x}{x^2 + y^2} = \frac{1}{r^2}\oint_{-l} x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x

由格林公式可得

1r2∮−lxdy−ydx=1r2∬D2dσ=1r22πr2=2π\frac{1}{r^2}\oint_{-l} x\mathrm{d}y - y\mathrm{d}x = \frac{1}{r^2} \iint\limits_D 2\mathrm{d}\sigma = \dfrac{1}{r^2} 2 \pi r^2 = 2\pi

所以原式的结果为 2π2\pi.

曲线积分基本定理

平面曲线积分与路径无关的条件:

设 LL 是平面区域 DD 内一分段光滑曲线,如果曲线积分 ∫LPdx+Qdy\displaystyle\int_L P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y 只与 LL 的两个端点 M1,M2M_1, M_2 有关而与积分的路径(即 LL)无关,即对于从 M1M_1 到点 M2M_2 的任意两条分段光滑曲线 L1,L2L_1, L_2,都有

∫L1Pdx+Qdy=∫L2Pdx+Qdy\int_{L_1} P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y = \int_{L_2} P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y

则称该曲线积分在 DD 内与路径无关,否则称其与路径有关。

定理: 设 DD 是平面上的单连通域,如果函数 P(x,y)P(x, y) 和 Q(x,y)Q(x, y) 在 DD 上具有一阶连续偏导数,则下列条件等价成立:

  1. 沿 DD 内任意一条分段光滑的闭曲线 LL,有

∮LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=0\oint_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y = 0

  1. 曲线积分 ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy\displaystyle\int_L P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y 在 DD 内与路径无关,

  2. P(x,y)dx+Q(x,y)dyP(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y 是 DD 内某个二元函数 u(x,y)u(x, y) 的全微分,即在 DD 内有

du(x,y)=P(x,y)dx+Q(x,y)dy\mathrm{d}u(x, y) = P(x, y)\mathrm{d}x + Q(x, y)\mathrm{d}y

  1. 对于 DD 内每点,∂Q∂x=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x} = \dfrac{\partial P}{\partial y} 恒成立。

例:若曲线积分 ∫Lxdx−aydyx2+y2−1\displaystyle\int_L\frac{x\mathrm{d}x - ay\mathrm{d}y}{x^2 + y^2 - 1} 在区域 D={(x,y)∣x2+y2<1}D = \{ (x, y) \mid x^2 + y^2 < 1 \} 内与路径无关,求 aa 的值。

解:令 P=xx2+y2−1,Q=−ayx2+y2−1P = \dfrac{x}{x^2 + y^2 - 1}, Q = \dfrac{-ay}{x^2 + y^2 - 1},则

∂Q∂x=2axy(x2+y2−1)2,∂P∂y=−2xy(x2+y2−1)2\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{2axy}{(x^2 + y^2 - 1)^2}, \quad \frac{\partial P}{\partial y} = \frac{-2xy}{(x^2 + y^2 - 1)^2}

因为积分与路径无关,所以 ∂Q∂x=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x} = \dfrac{\partial P}{\partial y},即

2axy=−2xy2axy = -2xy

所以 a=−1a = -1.

梯度定理: 设 F(x,y)=P(x,y)i+Q(x,y)j\bm{F}(x, y) = P(x, y)\bm{i} + Q(x, y)\bm{j} 是平面区域 DD 内的一个向量场,若 P(x,y)P(x, y) 和 Q(x,y)Q(x, y) 在 DD 内连续,且存在函数 f(x,y)f(x, y),使得

F=∇f=∂f∂xi+∂f∂yj\bm{F} = \nabla f = \frac{\partial f}{\partial x}\bm{i} + \frac{\partial f}{\partial y}\bm{j}

则曲线积分 ∫LF⋅dr\displaystyle\int_L \bm{F} \cdot \mathrm{d}\bm{r} 在 DD 内与路径无关,且

∫LF⋅dr=f(B)−f(A)\int_L \bm{F} \cdot \mathrm{d}\bm{r} = f(B) - f(A)

其中 LL 是在 DD 内以 AA 为起点,BB 为终点的任意分段光滑曲线。

曲面积分

第一类曲面积分

设 f(x,y,z)f(x, y, z) 是定义在有界光滑曲面 Σ\varSigma 上的有界函数,将 Σ\varSigma 分割成 nn 片小曲面 ΔS1,ΔS2,⋯ ,ΔSn\Delta S_1, \Delta S_2, \cdots, \Delta S_n,同时 ΔSi\Delta S_i 也表示第 ii 片小曲面的面积,∀(ξi,ηi,ζi)ΔSi (i=1,2,⋯ ,n)\forall(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)\Delta S_i\ (i = 1, 2, \cdots, n),作和式

∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)\Delta S_i

记 d=max⁡i≤i≤n{di}d = \max\limits_{i \leq i \leq n}\{ d_i \},其中 did_i 是 ΔSi\Delta S_i 的直径,如果极限

lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\lim_{d \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)\Delta S_i

存在,则称此极限为函数 f(x,y,z)f(x, y, z) 在曲面 Σ\varSigma 上的第一类曲面积分,记作

∬Σf(x,y,z)dS\iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S

即

∬Σf(x,y,z)dS=lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S = \lim_{d \to 0} \sum_{i = 1}^n f(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)\Delta S_i

称 f(x,y,z)f(x, y, z) 为被积函数,Σ\varSigma 为积分曲面,dS\mathrm{d}S 为面积元素。

若 f(x,y,z)f(x, y, z) 在 Σ\varSigma 内连续,则 ∬Σf(x,y,z)dS\displaystyle\iint_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S 存在,其中 Σ\varSigma 为有界光滑曲面或分片光滑曲面。

如果 Σ\varSigma 是有界分片光滑闭曲面,即存在空间有界闭区域 Ω\varOmega,使得 Σ\varSigma 恰好是 Ω\varOmega 的边界曲面,此时曲面积分 ∬Σf(x,y,z)dS\displaystyle\iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S 通常记作 ∯Σf(x,y,z)dS\displaystyle\oiint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S.

第一类曲面积分的物理意义: 物质曲面的质量可以表示为

m=∬Σρ(x,y,z)dSm = \iint\limits_\varSigma \rho(x, y, z)\mathrm{d}S

第一类曲面积分的计算:

若积分曲面 Σ\varSigma 由方程 z=z(x,y)z = z(x, y) 给出,Σ\varSigma 在 OxyOxy 面上的投影区域为 DxyD_{xy}((x,y)∈Dxy(x, y) \in D_{xy}),函数 z=z(x,y)z = z(x, y) 在 DxyD_{xy} 内具有一阶连续偏导数,被积函数 f(x,y,z)f(x, y, z) 在 Σ\varSigma 上连续,则

∬Σf(x,y,z)dS=∬Dxyf(x,y,z(x,y))1+[zx′(x,y)]2+[zy′(x,y)]2dxdy\iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S = \iint\limits_{D_{xy}} f(x, y, z(x, y))\sqrt{1 + [z_x'(x, y)]^2 + [z_y'(x, y)]^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y

类似地,当 Σ\varSigma 的方程为 x=x(y,z) ((y,z)∈Dyz)x = x(y, z)\ ((y, z) \in D_{yz}) 或 y=y(z,x) ((z,x)∈Dzx)y = y(z, x)\ ((z, x) \in D_{zx}),分别有

∬Σf(x,y,z)dS=∬Dyzf(x(y,z),y,z)1+[xy′(y,z)]2+[xz′(y,z)]2dydz∬Σf(x,y,z)dS=∬Dxzf(x,y(x,z),z)1+[yx′(x,z)]2+[yz′(x,z)]2dzdx\iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S = \iint\limits_{D_{yz}} f(x(y, z), y, z)\sqrt{1 + [x_y'(y, z)]^2 + [x_z'(y, z)]^2}\mathrm{d}y\mathrm{d}z\\ \iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S = \iint\limits_{D_{xz}} f(x, y(x, z), z)\sqrt{1 + [y_x'(x, z)]^2 + [y_z'(x, z)]^2}\mathrm{d}z\mathrm{d}x

如果积分曲面 Σ\varSigma 由参数方程

{x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)(u,v)∈Duv\begin{cases} x = x(u, v) \\ y = y(u, v) \\ z = z(u, v) \end{cases} \quad (u, v) \in D_{uv}

给出,其中 x(u,v),y(u,v),z(u,v)x(u, v), y(u, v), z(u, v) 在 DuvD_{uv} 内具有一阶连续导数,则

dS=[∂(x,y)∂(u,v)]2+[∂(y,z)∂(u,v)]2+[∂(z,x)∂(u,v)]2dudv∬Σf(x,y,z)dS=∬Duvf(x(u,v),y(u,v),z(u,v))⋅[∂(x,y)∂(u,v)]2+[∂(y,z)∂(u,v)]2+[∂(z,x)∂(u,v)]2dudv\mathrm{d}S = \sqrt{\left[\frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}\right]^2 + \left[\frac{\partial(y, z)}{\partial(u, v)}\right]^2 + \left[\frac{\partial(z, x)}{\partial(u, v)}\right]^2}\mathrm{d}u\mathrm{d}v\\ \begin{aligned} \iint\limits_\varSigma f(x, y, z)\mathrm{d}S &= \iint\limits_{D_{uv}} f(x(u, v), y(u, v), z(u, v))\\ &\cdot \sqrt{\left[\frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)}\right]^2 + \left[\frac{\partial(y, z)}{\partial(u, v)}\right]^2 + \left[\frac{\partial(z, x)}{\partial(u, v)}\right]^2}\mathrm{d}u\mathrm{d}v \end{aligned}

第二类曲面积分的概念与性质

曲面的侧: 设 LL 为 Σ\varSigma 上任一经过点 M0M_0 且不超过 Σ\varSigma 边界的闭曲线,当动点 MM 从点 M0M_0 出发沿 LL 连续移动,它的法线方向也连续地变动,最后当点 MM 沿 LL 回到点 M0M_0 时,若点 MM 的法线方向仍与 M0M_0 的法线方向一致,则称曲面 Σ\varSigma 为双侧曲面,否则称为单侧曲面。

取光滑曲面的法向量指向朝上的一侧为曲面的上侧,反之为曲面的下侧;取闭曲面的法向量指向朝外的一侧为曲面的外侧,反之为曲面的内侧。

设函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) 是取定了侧的光滑有向曲面 Σ\varSigma 上的有界函数,将 Σ\varSigma 任意分成 nn 片小曲面 ΔΣi\Delta\varSigma_i,将其面积记作 ΔSi\Delta S_i,ΔΣi\Delta\varSigma_i 在 OyzOyz 面,OzxOzx 面和 OxyOxy 面上的有符号的投影面积分别为 (ΔyΔz)i(\Delta y \Delta z)_i,(ΔyΔz)i(\Delta y \Delta z)_i 和 (ΔxΔy)i(\Delta x \Delta y)_i. 在 ΔΣi\Delta\varSigma_i 上任意取定一点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i, \eta_i, \zeta_i),并作和

∑i=1n[P(ξi,ηi,ζi)(ΔyΔz)i+Q(ξi,ηi,ζi)(ΔzΔx)i+R(ξi,ηi,ζi)(ΔxΔy)i]\sum_{i = 1}^n[P(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta y \Delta z)_i + Q(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta z \Delta x)_i + R(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta x \Delta y)_i]

若当各小片曲面的直径的最大值 λ→0\lambda \to 0 时,该和式的极限总存在,且与 Σ\varSigma 的分法以及点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i, \eta_i, \zeta_i) 的取法无关,则称此极限为向量值函数

A(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k\bm{A}(x, y, z) = P(x, y, z)\bm{i} + Q(x, y, z)\bm{j} + R(x, y, z)\bm{k}

在有向曲面 Σ\varSigma 上的第二类曲面积分,也称为对坐标的曲面积分,记作

∬ΣP(x,y,z)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy=lim⁡λ→0∑i=1n[P(ξi,ηi,ζi)(ΔyΔz)i+Q(ξi,ηi,ζi)(ΔzΔx)i+R(ξi,ηi,ζi)(ΔxΔy)i]\begin{aligned} & \iint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ = & \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i = 1}^n[P(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta y \Delta z)_i + Q(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta z \Delta x)_i + R(\xi_i, \eta_i, \zeta_i)(\Delta x \Delta y)_i] \end{aligned}

称 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) 为被积函数,Σ\varSigma 为积分曲面。

函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) 在 Σ\varSigma 上对坐标 y,zy, z,对坐标 z,xz, x,对坐标 x,yx, y 的曲面积分分别可以写成

∬ΣP(x,y,z)dydz,∬ΣQ(x,y,z)dzdx,∬ΣR(x,y,z)dxdy\iint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z, \quad \iint\limits_\varSigma Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x, \quad \iint\limits_\varSigma R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y

如果 Σ\varSigma 是闭曲面,则第二类曲面积分通常记作

∯ΣP(x,y,z)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy\oiint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y

第二类曲面积分的性质:

  1. 积分曲面的可加性:设 Σ\varSigma 可分成 Σ1\varSigma_1 和 Σ2\varSigma_2,则

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬Σ1Pdydz+Qdzdx+Rdxdy+∬Σ2Pdydz+Qdzdx+Rdxdy\begin{aligned} & \iint\limits_\varSigma P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ = & \iint\limits_{\varSigma_1} P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y + \iint\limits_{\varSigma_2} P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

  1. 设 −Σ-\varSigma 表示与 Σ\varSigma 取相反侧的有向曲面,则

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=−∬−ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint\limits_\varSigma P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y = -\iint\limits_{-\varSigma} P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y

两类曲面积分之间的关系: 设 cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma 是曲面 Σ\varSigma 在点 M(x,y,z)M(x, y, z) 处指定侧的法向量的方向余弦,则有

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬Σ(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)dS\iint\limits_\varSigma P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \iint\limits_\varSigma (P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma)\mathrm{d}S

第二类曲面积分的计算

分面投影法:

设函数 R(x,y,z)R(x, y, z) 在取定侧的光滑有向曲面 Σ\varSigma 内连续,其方程为 z=z(x,y), (x,y)∈Dxyz = z(x, y),\ (x, y) \in D_{xy},其中 DxyD_{xy} 是 Σ\varSigma 在 OxyOxy 面上的投影域,则

∬ΣR(x,y,z)dxdy=±∬DxyR(x,y,z(x,y))dxdy\iint\limits_\varSigma R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \pm\iint\limits_{D_{xy}} R(x, y, z(x, y))\mathrm{d}x\mathrm{d}y

其中当 Σ\varSigma 为上侧时 cos⁡γ>0\cos\gamma > 0,取正号;当当 Σ\varSigma 为下侧时 cos⁡γ<0\cos\gamma < 0,取负号。

类似地,当 Σ\varSigma 的方程为 x=x(y,z) ((y,z)∈Dyz)x = x(y, z)\ ((y, z) \in D_{yz}) 或 y=y(z,x) ((z,x)∈Dzx)y = y(z, x)\ ((z, x) \in D_{zx}) 时,DyzD_{yz} 和 DzxD_{zx} 分别是 Σ\varSigma 在 OyzOyz 面和 OzxOzx 面上的投影域,则

∬ΣP(x,y,z)dydz=±∬DyzP(x(y,z),y,z)dydz∬ΣQ(x,y,z)dzdx=±∬DzxQ(x,y(z,x),)dzdx\iint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z = \pm\iint\limits_{D_{yz}} P(x(y, z), y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z\\ \iint\limits_\varSigma Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x = \pm\iint\limits_{D_{zx}} Q(x, y(z, x), )\mathrm{d}z\mathrm{d}x

第二类曲面积分为 0 的三种特殊情况:

  • 当曲面 Σ\varSigma 垂直于 OxyOxy 面时,∬ΣR(x,y,z)dxdy=0\displaystyle\iint\limits_\varSigma R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y = 0;
  • 当曲面 Σ\varSigma 垂直于 OyzOyz 面时,∬ΣP(x,y,z)dydz=0\displaystyle\iint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z = 0;
  • 当曲面 Σ\varSigma 垂直于 OzxOzx 面时,∬ΣQ(x,y,z)dzdx=0\displaystyle\iint\limits_\varSigma Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x = 0.

合一投影法:

如果 Σ\varSigma 的方程为 z=z(x,y), (x,y)∈Dxyz = z(x, y),\ (x, y) \in D_{xy},其中 DxyD_{xy} 是 Σ\varSigma 在 OxyOxy 面上的投影域,函数 P,Q,RP, Q, R 在 Σ\varSigma 上连续,则

∬ΣP(x,y,z)dydz+Q(x,y,z)dzdx+R(x,y,z)dxdy=±∬Dxy{P[x,y,z(x,y)][−zx(x,y)]+Q[x,y,z(x,y)][−zy(x,y)]+R[x,y,z(x,y)]⋅1}dxdy\begin{aligned} & \iint\limits_\varSigma P(x, y, z)\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q(x, y, z)\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R(x, y, z)\mathrm{d}x\mathrm{d}y\\ = & \pm\iint\limits_{D_{xy}} \{ P[x, y, z(x, y)][-z_x(x, y)] + Q[x, y, z(x, y)][-z_y(x, y)]\\ &+ R[x, y, z(x, y)] \cdot 1 \}\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

当 Σ\varSigma 取上侧时,积分取正号;当 Σ\varSigma 取下侧时,积分取符号。

高斯公式与散度

高斯(Gauss)公式: 设空间闭区域 Ω\varOmega 由分片光滑的曲面 Σ\varSigma 所围成,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) 在 Ω\varOmega 上具有一阶连续偏导数,则有

∭Ω(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dV=∯ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iiint\limits_\varOmega \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right)\mathrm{d}V = \oiint\limits_\varSigma P\mathrm{d}y\mathrm{d}z + Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x + R\mathrm{d}x\mathrm{d}y

或

∭Ω(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dV=∯Σ(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)dS\iiint\limits_\varOmega \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right)\mathrm{d}V = \oiint\limits_\varSigma (P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma)\mathrm{d}S

其中 Σ\varSigma 是 Ω\varOmega 的整个边界曲面的外侧,cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma 是 Σ\varSigma 在点 (x,y,z)(x, y, z) 处的法向量的方向余弦。

散度(divergence): 设向量场

A(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k\bm{A}(x, y, z) = \bm{P}(x, y, z)\bm{i} + \bm{Q}(x, y, z)\bm{j} + \bm{R}(x, y, z)\bm{k}

其中函数 P,Q,RP, Q, R 都具有一阶连续偏导数,Σ\varSigma 是场内一有向曲面,n\bm{n} 是 ∑\sum 在点 (x,y,z)(x, y, z) 处的单位法向量,则积分

∬ΣA⋅ndS\iint\limits_\varSigma \bm{A} \cdot \bm{n}\mathrm{d}S

称为向量场 A\bm{A} 通过曲面 Σ\varSigma 向着指定侧的通量(flux)。向量场 A\bm{A} 的散度为

∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z\frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}

记作 divA\mathrm{div}\bm{A},利用向量微分算子 ∇=(∂∂x+∂∂y+∂∂z)\nabla = (\dfrac{\partial}{\partial x} + \dfrac{\partial}{\partial y} + \dfrac{\partial}{\partial z}),A\bm{A} 的散度也可以被表示为

divA=∇⋅A\mathrm{div}\bm{A} = \nabla\cdot\bm{A}

高斯公式可以用散度来定义:

∯ΣA⋅dS=∭ΩdivAdV\oiint\limits_\varSigma \bm{A} \cdot \mathrm{d}\bm{S} = \iiint\limits_\varOmega \mathrm{div}\bm{A}\mathrm{d}V

斯托克斯公式与旋度

斯托克斯公式可以用于转换第二类曲线积分和第二类曲面积分。

斯托克斯(Stokes)公式: 设 Γ\varGamma 为分段光滑的空间有向闭曲线,Σ\varSigma 是以 Γ\varGamma 为边界的分片光滑的有向曲面,Γ\varGamma 的正向与 Σ\varSigma 的侧符合右手法则,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) 在包含曲面 Σ\varSigma 上(连同边界 Γ\varGamma)具有一阶连续偏导数,则

∮ΓPdx+Qdy+Rdz=∬Σ(∂R∂y−∂Q∂z)dydz+(∂P∂z−∂R∂x)dzdx+(∂Q∂x−∂P∂y)dxdy\begin{aligned} & \oint_\varGamma P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y + R\mathrm{d}z\\ = & \iint\limits_\varSigma \left( \frac{\partial R}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial z} \right)\mathrm{d}y\mathrm{d}z + \left( \frac{\partial P}{\partial z} - \frac{\partial R}{\partial x} \right)\mathrm{d}z\mathrm{d}x + \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right)\mathrm{d}x\mathrm{d}y \end{aligned}

右手法则:当右手除拇指外的四指沿 Γ\varGamma 的绕行方向时,拇指所指向的方向与 Σ\varSigma 上法向量的指向相同,此时称 Γ\varGamma 是有向曲面 Σ\varSigma 的正向边界曲线。

斯托克斯公式可以被表示为行列式的形式:

∮ΓPdx+Qdy+Rdz=∬Σ∣dydzdzdxdxdy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣=∬Σ∣cos⁡αcos⁡βcos⁡γ∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣dS\begin{aligned} & \oint_\varGamma P\mathrm{d}x + Q\mathrm{d}y + R\mathrm{d}z\\ = & \iint\limits_\varSigma \begin{vmatrix} \mathrm{d}y\mathrm{d}z & \mathrm{d}z\mathrm{d}x & \mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ \dfrac{\partial}{\partial x} & \dfrac{\partial}{\partial y} & \dfrac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}\\ = & \iint\limits_\varSigma \begin{vmatrix} \cos\alpha & \cos\beta & \cos\gamma \\ \dfrac{\partial}{\partial x} & \dfrac{\partial}{\partial y} & \dfrac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}\mathrm{d}S \end{aligned}

其中 n=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)\bm{n} = (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma) 为有向曲面 Σ\varSigma 的单位法向量。

旋度(rotation): 设向量场

A(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k\bm{A}(x, y, z) = \bm{P}(x, y, z)\bm{i} + \bm{Q}(x, y, z)\bm{j} + \bm{R}(x, y, z)\bm{k}

其中函数 P,Q,RP, Q, R 都具有一阶连续偏导数,向量

(∂R∂y−∂Q∂z)i+(∂P∂z−∂R∂x)j+(∂Q∂x−∂P∂y)k\left( \frac{\partial R}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial z} \right)\bm{i} + \left( \frac{\partial P}{\partial z} - \frac{\partial R}{\partial x} \right)\bm{j} + \left( \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} \right)\bm{k}

称为向量场 A\bm{A} 的旋度,记作 rotA\mathrm{rot}\bm{A}. 旋度也可以用行列式表示:

rotA=∣ijk∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣\mathrm{rot}\bm{A} = \begin{vmatrix} \bm{i} & \bm{j} & \bm{k} \\ \dfrac{\partial}{\partial x} & \dfrac{\partial}{\partial y} & \dfrac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}

斯托克斯公式可以用旋度来定义:

∮ΓA⋅ds=∬ΣrotA⋅dS\oint_\varGamma \bm{A} \cdot \mathrm{d}\bm{s} = \iint\limits_\varSigma \mathrm{rot}\bm{A} \cdot \mathrm{d}\bm{S}