7-7-1二重积分定义与性质
二重积分的概念及性质
二重积分的概念及性质前面我们已经知道了，定积分与曲边梯形的面积有关。
下面我们通过曲顶柱体的体积来引出二重积分的概念，在此我们不作详述，请大家参考有关书籍。
二重积分的定义设z=f(x,y)为有界闭区域(σ)上的有界函数：(1)把区域(σ)任意划分成n个子域(△σk)(k=1,2,3,…,n）,其面积记作△σk(k=1,2,3,…,n）；(2)在每一个子域(△σk)上任取一点，作乘积；(3)把所有这些乘积相加,即作出和数(4)记子域的最大直径d.如果不论子域怎样划分以及怎样选取,上述和数当n→＋∞且d→0时的极限存在,那末称此极限为函数f(x,y)在区域(σ)上的二重积分.记作:即：=其中x与y称为积分变量，函数f(x,y)称为被积函数,f(x,y)dσ称为被积表达式,(σ)称为积分区域.关于二重积分的问题对于二重积分的定义,我们并没有f(x,y)≥0的限.容易看出,当f(x,y)≥0时,二重积分在几何上就是以z=f(x,y)为曲顶，以(σ)为底且母线平行于z轴的曲顶柱体的体积。
上述就是二重积分的几何意义。
如果被积函数f(x,y)在积分区域(σ)上连续，那末二重积分必定存在。
二重积分的性质(1).被积函数中的常数因子可以提到二重积分符号外面去.(2).有限个函数代数和的二重积分等于各函数二重积分的代数和.(3).如果把积分区域(σ)分成两个子域(σ1)与(σ2),即(σ)=(σ1)+(σ2),那末:(4).如果在(σ)上有f(x,y)≤g(x,y),那末:≤(5).设f(x,y)在闭域(σ)上连续,则在(σ)上至少存在一点(ξ,η),使其中σ是区域(σ)的面积.二重积分的计算法直角坐标系中的计算方法这里我们采取的方法是累次积分法。
也就是先把x看成常量，对y进行积分，然后在对x进行积分，或者是先把y看成常量，对x进行积分，然后在对y进行积分。
为此我们有积分公式，如下：或在这里我们可能会有这个问题：累次积分的上下限是怎么确定的呢？累次积分上下限的确定方法我们先来对区域作些补充说明：如果经过区域(σ)内任意一点(即不是区域边界上的点)作平行于y轴(或x 轴)的直线,且此直线交(σ)的边界不超过两点，那末称(σ)为沿y轴(x轴)方向的正规区域.如果(σ)即是沿y轴方向也是沿x轴方向的正规区域,那末(σ)就称为正规区域.下图所示的即为正规区域:关于累次积分上下限的取法如下所述:(1).如果(σ)为沿y轴方向的正规区域，那末二重积分可化为先对y再对x的累次积分.其中对y的积分下限是(σ)的下部边界曲线所对应的函数y1(x)，积分上限是上部边界曲线所对应的函数y2(x).对x的积分下限与上限分别是(σ)的最左与最右点的横坐标a与b.(2).如果(σ)为沿x轴方向的正规区域,那末二重积分可化为先对x再对y的累次积分.其中对x的积分下限是(σ)的左部边界曲线所对应的函数x1(y)，积分上限是右部边界曲线所对应的函数x2(y).对y的积分下限与上限分别是(σ)的最低与最高点的横坐标c与d.(3).如果(σ)为正规区域，那末累次积分可以交换积分次序。
二重积分的概念及性质
积分对变量的可加性
定义
如果f(x,y)在平面上是可积的，那么对于任 意的a和b，有 ∫∫Df(x,y)dσ=∫a→bf(x,y)dσ+∫∫Df(x,y)dσ， 其中D是包含在区间[a,b]内的可积区域。
应用
该性质可以用于计算二重积分，特别是当被 积函数与某个变量的关系较为简单时。
04 二重积分的物理应用
个小弧段进行积分，然后将结果相加得到总长度。
平面曲线的曲率与挠率
曲率
曲率是描述曲线弯曲程度的量，可以 通过二重积分计算出曲线的曲率。
挠率
挠率是描述曲线在垂直方向上的弯曲 程度的量，也可以通过二重积分计算 出曲线的挠率。
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积分区域的可加性
定义
如果D1和D2是平面上互不相交的可积区域，则它们分别上的二重积分之和等于它们并集上的二重积分。 即，如果D=D1∪D2，则∫∫Df(x,y)dσ=∫∫D1f(x,y)dσ+∫∫D2f(x,y)dσ。
应用
该性质可以用于简化复杂的积分区域，将复杂区域分解为简单区域进行计算。
积分对区域的可加性
转换坐标
将被积函数从直角坐标转换为极坐标形式，即$x = rhocostheta$，$y = rhosintheta$。
分层积分
将极坐标下的二重积分拆分成两个累次积分，即先对角度积分再对极径积分。
逐个计算
对每个角度范围，计算其在极径上的积分值，并求和。
得出结果
将所有角度范围的积分结果相加，得到整个极坐标区域上的二重积分值。
二重积分的概念及性质
目录
• 二重积分的定义 • 二重积分的计算方法 • 二重积分的性质和定理 • 二重积分的物理应用 • 二重积分的数学应用
二重积分的几何意义上下限
二重积分的几何意义上下限摘要：一、二重积分的概念1.二重积分的定义2.二重积分的性质二、二重积分的几何意义1.坐标系中的二重积分2.极坐标系中的二重积分3.柱面坐标系中的二重积分4.球面坐标系中的二重积分三、二重积分的上下限1.上下限的确定2.上下限对结果的影响正文：二重积分是数学中的一种积分方法，用于求解多元函数的定积分。
在二重积分中，我们需要对一个二元函数在某个区域内的值进行积分。
为了更好地理解二重积分，我们首先需要了解它的几何意义以及上下限的概念。
一、二重积分的概念1.二重积分的定义：给定一个二元函数f(x, y)，在定义域D = {(x, y) | 约束条件}内，求解以下积分：∫∫_D f(x, y) dx dy2.二重积分的性质：二重积分满足交换律、结合律、分配律等性质，与一元积分类似。
二、二重积分的几何意义1.坐标系中的二重积分：在直角坐标系中，二重积分表示区域D内的函数f(x, y)与x轴、y轴所围成的曲面的有向面积。
2.极坐标系中的二重积分：在极坐标系中，二重积分表示以极径r和极角θ为变量，区域D在极坐标系中的有向面积。
3.柱面坐标系中的二重积分：在柱面坐标系中，二重积分表示以柱面半径r 和柱面角θ为变量，区域D在柱面坐标系中的有向面积。
4.球面坐标系中的二重积分：在球面坐标系中，二重积分表示以球面半径r 和球面角θ为变量，区域D在球面坐标系中的有向面积。
三、二重积分的上下限1.上下限的确定：在求解二重积分时，我们需要确定积分区域的上下限。
通常情况下，我们可以根据区域的边界来确定上下限。
例如，在直角坐标系中，我们可以根据x轴和y轴的截距来确定上下限。
2.上下限对结果的影响：二重积分的上下限对积分结果有直接影响。
当上下限发生变化时，积分结果也会相应地发生变化。
因此，在求解二重积分时，我们需要仔细确定上下限，以保证结果的准确性。
总之，二重积分是一种重要的积分方法，它具有丰富的几何意义。
二重积分的概念与性质
b
n
f (i )xi ———积分和.
i 1
n
下页
二、定积分定义
定积分的定义
lim f (i )xi . a f (x)dx 0
i1
b
n
根据定积分的定义, 曲边梯形的面积为 A f (x)dx . a 变速直线运动的路程为 S T v(t)dt .
i 1 i 1 b n n b
下页
•定积分的几何意义 当f(x)0时, f(x)在[a, b]上的定积分表示由曲线yf(x)、直 线xa、xb与x轴所围成的曲边梯形的面积.
一般地, f(x)在[a, b]上的定积分表示介于x轴、曲线yf(x) 及直线xa、xb之间的各部分面积的代数和.
0 i 1
n
A lim f ( i )xi .
0 i 1
n
下页
2.变速直线运动的路程
已知物体直线运动的速度vv(t)是时间 t 的连续函数, 且 v(t)0, 计算物体在时间段[T1, T2]内所经过的路程S.
(1)分割: T1t0<t1<t2< <tn1<tnT2, tititi1; (2)近似代替: 物体在时间段[ti1, ti]内所经过的路程近似为 Siv(i)ti ( ti1< i<ti ); (3)求和: 物体在时间段[T1, T2]内所经过的路程近似为
b
a f (x)dx a g(x)dx (a<b).
•推论2 | f (x)dx | | f (x) | dx (a<b). a a •性质6 设M及m分别是函数f(x)在区间[a, b]上的最大值及最 小值, 则
b b
b
b
第一节二重积分的概念与性质
∫∫ D
f ( x , y )d σ
∫∫
D
f (x, y)dσ
才是该曲顶柱体 则
的体积； 的体积； f (x , y)在 定义区域 D 上有正有负时 上有正有负时, 当 )
二重积分 ∫∫ f ( x , y )d σ 的值为 xy 平面上方柱体体 积之和减去下方柱体体积之差. 积之和减去下方柱体体积之差
∫∫[ f (x, y)± g(x, y)] dσ =∫∫ f (x, y)dσ ±∫∫ g(x, y)dσ. D D D
性质 3 积分之和， 积分之和， 即
如果区域 D 被分成两个子区域 D1 与 D2，
则在 D 上的二重积分 等于各子区域 D1、D2 上的二重
∫∫ f (x, y)dσ =∫∫ f (x, y)dσ +∫∫ f (x, y)dσ.
D
二、二重积分的性质
性质 1 被积函数中的常数因子 可以提到二重积 分号的外面， 分号的外面， 即
∫∫ kf ( x , y )dσ = k ∫∫ f ( x , y )dσ (k为常数 ).
D D
函数的和(或差) 性质 2 函数的和(或差)的二重积分 等于各个函 数的二重积分的和(或差) 数的二重积分的和(或差)， 即
D D 1 D 2
这个性质表明二重积分对于积分区域具有可加性 . 性质4 性质 如果在 D 上， f(x, y) = 1，且 D 的面积为 ，
σ，则
∫∫ d σ D
=σ.
性质 5 如果在 D 上， f ( x, y)≤ g( x, y), 则
∫∫ f ( x, y)dσ ≤ ∫∫ g( x, y)dσ . D D
mσ ≤
∫∫ D
f ( x, y)dσ ≤ Mσ .
二重积分的概念与性质
2.二重积分的概念
定义 设函数 f (x, y) 是有界闭区域 D上的有界函数，
用任意一组曲线网分割D成
n
个小区域
Δσ1
,
Δσ
2
,,
Δσ
，
n
Δσi 既表示第i小块, 也表示第i 任取一点 (ξi , ηi ) Δσi , 作和式
小区域的面积.
n
f (ξi , ηi )Δσ
i
在
.
Δσ
i
上
记
D
D
(2) (数乘性) kf (x, y)dσ k f (x, y)d
D
(k为常数).
D
D
(3) (区域可加性) f ( x, y)dσ f (x, y)dσ f (x, y)dσ.
D1 D2
D1
D2
(4) (单调性) 若在D上处处有f (x,y)≤g(x,y)， 则有
思考题解答
定积分与二重积分都表示某个和式的极限 值，且此值只与被积函数及积分区域有关．不 同的是定积分的积分区域为区间，被积函数为 定义在区间上的一元函数，而二重积分的积分 区域为平面区域，被积函数为定义在平面区域 上的二元函数．
练习题
一、 填空题: 1. 当函数 f ( x, y)在闭区域 D 上______________时, 则其在 D 上的二重积分必定存在 .
y y0 )2 2
,
其中f ( x, y)为连续函数.
Solution.
原式
lim
ρ0
1 πρ
2
f (ξ, η) πρ2（积分中值定理）
lim f ( ,)
0
lim f ( ,)
二重积分的概念与性质
(2)二重积分与被积函数和积分区域有关，与积分变量 的表示无关。即
f x, ydxdy f u,vdudv
D
D
(3)二重积分的几何意义：若f(x, y)0,二重积分表示以 f(x, y)为曲顶，以Байду номын сангаас为底的曲顶柱体的体积；若f(x, y)0,二 重积分表示曲顶柱体的体积的负值；当f(x, y)有正、有负时， 二重积分就等于这些区域上柱体体积的代数和。
存在，则称此极限为函数f(x, y)在区域D上的二重积分，记作
f x, yd ，即
D
n
D
f x, yd
lim 0 i1
f
i ,i k
关于二重积分的几点说明: (1)当f(x, y)在闭区域D上连续时， f(x, y) 在D上的二重积 分必定存在。以后总假定f(x, y)在D上连续。
高等数学
二重积分的概念与性质
一、二重积分的定义
定义 设f(x, y)是有界闭区域D上的有界函数．将D任意分成 n个小区域Δσ1，Δσ2，…，Δσn，小区域Δσi的面积仍记为
n
Δσi．在Δσi内任取一点(ξi, ηi)，作和式 f (i ，i )i 。 i 1
如果当各小区域中的最大直径λ趋于零时，若此和式的极限
f x, yd f x, yd f x, yd
D
D1
D2
性质4 若在D上，f(x, y)=1，σ为区域D的面积，则
1d = d
D
D
性质5 若在D上，f(x, y) σ(x, y)，则有不等式
f x, yd x, yd
D
D
特殊地,由于-|f(x, y)| f(x, y) |-f(x, y)| ， 又有
二、二重积分的性质
二重积分的概念及性质
∬_D [af(x,y)+bg(x,y)]dxdy = a∬_D f(x,y)dxdy + b∬_D g(x,y)dxdy
2
面积加法
∬_D [f(x,y)+g(x,y)]dxdy = ∬_D f(x,y)dxdy+∬_D g(x,y)dxdy
3
积分可交换
与积分上下限无关：
∬_D[f(x,y)+g(x,y)]dxdy = ∬_D f(x,y)dxdy + ∬_D g(x,y)dxdy
极坐标下的二重积分
轮换对称性
交换二重积分中的积分极限 和被积函数中的变量，可得 到相同的结果。
转化公式
从直角坐标系转化为极坐标 系的公式为：
∬_D f(x,y)dxdy = ∬_D f(r*co sθ, r*sinθ)rd rd θ
相关例题
可以将某个区域在直角坐标 系中的极坐标方程转换成在 极坐标系下的积分形式。
对二重积分的符号化表示
累加表示
二重积分可以通过累加的方式求 解即：
∬_D f(x,y)dxdy = ∆ x ∆ y Σ f(x_i, y_j)
积分表示
二重积分可以用积分符号表示如 下：
∬_D f(x,y)dxdy = ∫ ∫ _D f(x,y)d A
计算方法
按照累加或积分的方式计算。
基本性质
1
线性性
总结
本次讲座全面介绍了二重积分的定义及性质、极坐标下的二重积分，坐标变 换下的二重积分，以及应用。相信我们的学生已经得到了充分的掌握。
极坐标与直角坐标之间的 转换
常用在圆、椭圆、其他轮换面 上等的二重积分中转换。
弧坐标与直角坐标之间的 转换
用于圆周上对于弧长的积分的 计算及二重积分的变换。
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D
S
0
y D
d dxdy
D D
x
kdxdy kSD1(3).设f ( x , y ), g ( x , y )在有界闭区域D上可积，则对任何
实数 , , f ( x , y ) g ( x , y )在D上可积，且
f ( x , y ) g( x , y ) dxdy
i 1
(2). 积分值(极限值)与区域D的分法及( xi, yi )的取法 无关.
(3).二重积分是个数，与积分变量用什么字母无关
f ( x, y)d f (u, v)d
D D
(4).二重积分的几何意义
设 z=f( x, y ) 在 D上可积, 则
(i) 当z=f (x, y)0时,
D
f ( x , y )dxdy g ( x , y )dxdy
D D
这个性质称二重积分的线性性质。
(4).二重积分对积分区域具有可加性.
设f ( x , y )在有界闭区域D上可积，若闭区域D分成 两个区域D1 , D2 , 且除边界点外，D1 , D2无公共内点，则f ( x , y ) 在D1 , D2上可积;反之，若f ( x , y )在D1 , D2上都可积，则f ( x , y )
步骤如下：
⑴.分割：曲顶柱体的底
z
z f ( x, y)
⑵.近似替换：用小长方 体体积近似替换小曲顶 柱体体积。 ⑶.求和
⑷.取极限
x
n
o
D
y
(i ,i )
i
V
lim f (i ,i ) i
0
i 1
V lim f ( i , i ) i .
0
于是 d = dx dy 故也将二重积分写成 Di
f ( x, y)d f ( x, y)dxdy
D D
D
2.二重积分的性质
(1). 二元函数可积性
f( x, y )有界
f( x, y )可积 f( x, y )在有界闭 区域D连续
(2).若区域D的面积为，则
z 1dxdy O 0dxdy
(ii) 当z= f (x, y)<0时,
f ( x, y)d
D D
V
f ( x, y)d -V
(iii) 若z=f( x, y )在D内有正有负时
f ( x, y)d 曲顶柱体体积的代数和
D
(5).若将D用平行于x轴和y轴的直线分割.(如图)
则除边界上区域外, Di的面积i = xi yi,
D
(6).(二重积分中值定理 )设f ( x , y )在有界闭区域D上
连续, 则存在一点( , ) D, 使得
f ( x, y )dxdy f ( , )
D
其中 为区域D的面积。
f ( x , y )d 称为函数f ( x , y )在区域D上的平均值。
D
1
lim f ( xi , yi ) i .
d 0 i 1
n
存在，则称此极限值为函数f (x, y)在区域D上的二重积分， 记为
D
f ( x, y)d
f ( x, y )d
D
lim f ( i , i ) i
0 i 1
n
.
积 分 区 域
被 积 函 数
( x, y ) D
则
f ( x, y )dxdy g( x, y )dxdy
D D
推论：① 若f ( x, y)在有界闭区域D上可积, 且 f ( x, y ) 0 ( f ( x, y ) 0), ( x, y ) D
则
f ( x, y )dxdy 0 ( f ( x, y)dxdy 0)
积 分 变 量
被 积 表 达 式
面 积 元 素
积 分 和
对二重积分定义的说明：
(1). 二重积分是定积分的推广
定积分：
二重积分：
D
b
a
f ( x)dx lim f ( i )xi
0
i 1
n 0 i i i
n
f ( , ) f ( x, y)d lim
§7.7 二重积分
一. 二重积分的定义和性质 二. 二重积分的计算
一. 二重积分的定义和性质
回忆一元函数定积分的定义： 求曲边梯形面积。
y y = f ( x)
f ( i) 1.分割 2.近似计算 3.求和 4.取极限
lim f (i ) xi
0 i 1
n
0
a
xi i xi+1
i 1
n
D
f ( x, y) d
二重积分定义
设二元函数z=f (x, y)定义在有界闭区域D上，将D任意分割 n个无公共内点的小区域Di (i=1, 2, …, n), 并以i和di分别 表示第i个小区域的面积和直径，d=max{d1,d2, …,dn}. 在每个小区域上任取一点(xi, yi)，当d 0时，如果极限
在D上可积，且有
f ( x, y )d f ( x, y )d f ( x, y )d
D D1 D2
即二重积分对积分区域具有可加性.
D2
D1 D
(5).若函数f ( x , y ), g ( x , y )在有界闭区域D上可积, 且
f ( x , y ) g( x , y )
b
x
f ( x)dx
a
b
1.二重积分的定义 求曲顶柱体的体积
柱体体积=底面积× 高 特点：平顶.
z f ( x, y)
D
底面：xOy 面上的区域D 侧面：柱面 顶面：曲面 z= f (x, y)0 称为曲顶柱体. 特点：曲顶.
求曲顶柱体的体积采用 “分割、近似计算 、求和、取极限”的微元法
D D
② 若f ( x , y )在有界闭区域D上可积, 则 f ( x , y ) 在D上可积且
f ( x , y )dxdy
D D
f ( x , y ) dxdy
③ 若f ( x, y)在有界闭区域D上可积, 且有最大值M 和最小值m,
为D的面积, 则
m f ( x , y )dxdy M