二重积分概念性质
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。
9-1 二重积分的概念与性质
二 二重积分的性质
性质１
当k 为常数时，
kf
D
( x , y )d k f ( x , y ) d .
D
性质２
[ f ( x , y )
D
g ( x , y )] d
D
f ( x , y )d
g ( x , y ) d .
D
性质３ 对区域具有可加性 ( D D 1 D 2 )
1, 2 , , n
f ( k , k )
以它们为底把曲顶柱体分为 n 个 小曲顶柱体 2) 近似替代 在每个
D
k
中任取一点
则
( k , k )
Vk f ( k , k ) k
( k 1 , 2 ,, n)
3)求和
f ( k , k ) k
则称 f ( x , y )在D上可积 ,
注：如果 f ( x , y )在D上可积, 则可用平行坐标轴的直线
来分区域D , 这时
也记作 f ( x , y ) d x d y .
D
因此面积元素
也常
记作 d xd y（称其为直角坐标下的面积元素）， 二重积分
实例1中曲顶柱体体积:
V
D
k 1 n
4)取极限
f ( k , k )
( k ) max P1 P2 P1 ,P2 k
令 max ( k )
1 k n
D
( k , k )
V lim f ( k , k ) k
0
k 1
n
k
（2）平面薄片的质量 有一个平面薄片, 在 xoy 平面上占有界闭区域 D , 其面 密度为连续函数 1) 分割 用任意曲线网分D 为 n 个小区域
二重积分的概念与性质
第七节 二重积分的概念与性质与定积分类似，二重积分的概念也是从实践中抽象出来的，它是定积分的推广，其中的数学思想与定积分一样，也是一种“和式的极限”. 所不同的是：定积分的被积函数是一元函数，积分范围是一个区间；而二重积分的被积函数是二元函数，积分范围是平面上的一个区域. 它们之间存在着密切的联系，二重积分可以通过定积分来计算.内容分布图示★ 曲顶柱体的体积★ 二重积分的概念★ 二重积分的性质★ 二重积分的中值定理 ★ 例1★ 例2 ★ 例3 ★ 例4★ 例5 ★ 内容小结★ 课堂练习★ 习题6-7★ 返回内容提要：一、 二重积分的概念定义1 设),(y x f 是有界闭区域D 上的有界函数. 将闭区域D 任意分成n 个小闭区域,,,,21n σσσ∆∆∆ 其中i σ∆表示第i 个小闭区域，也表示它的面积，在每个i σ∆上任取一点),(i i ηξ, 作乘积),,2,1(,),(n i f i i i =∆σηξ并作和,),(1∑=∆ni ii i f σηξ 如果当各小闭区域的直径中的最大值λ趋近于零时, 这和式的极限存在, 则称此极限为函数),(y x f 在闭区域D 上的二重积分, 记为,),(⎰⎰Dd y x f σ 即⎰⎰D d y x f σ),(∑=→∆=ni i i i f 10),(lim σηξλ (7.2) 其中),(y x f 称为被积函数,σd y x f ),(称为被积表达式, σd 称为面积微元, x 和y 称为积分变量,D 称为积分区域, 并称∑=∆n i i i i f 1),(σηξ为积分和.对二重积分定义的说明:(1) 如果二重积分⎰⎰Dd y x f σ),(存在，则称函数),(y x f 在区域D 上是可积的. 可以证明，如果函数),(y x f 区域D 上连续，则),(y x f 在区域D 上是可积的. 今后，我们总假定被积函数),(y x f 在积分区域D 上是连续的;(2) 根据定义，如果函数),(y x f 在区域D 上可积，则二重积分的值与对积分区域的分割方法无关，因此，在直角坐标系中，常用平行于x 轴和y 轴的两组直线来分割积分区域D ，则除了包含边界点的一些小闭区域外，其余的小闭区域都是矩形闭区域.设矩形闭区域i σ∆的边长为i x ∆和j y ∆，于是j i i y x ∆∆=∆σ. 故在直角坐标系中，面积微元σd 可记为dxdy . 即dxdy d =σ.进而把二重积分记为⎰⎰Ddxdy y x f ),(，这里我们把dxdy 称为直角坐标系下的面积微元.二、 二重积分的性质类似于一元函数的定积分，二重积分也有与定积分类似性质，且其证明也与定积分性质的证明类似.例题选讲：二重积分的性质例1不作计算,估计σd eI D y x ⎰⎰+=)(22的值,其中D 是椭圆闭区域:12222≤+b y a x ().0a b <<例2（讲义例1）估计二重积分⎰⎰+++=D xy y x d I 16222σ的值, 其中积分区域D 为矩形闭区域}20,10|),{(≤≤≤≤y x y x . 例3 判断dxdy y x y x r ⎰⎰≤+≤+1||||22)ln(的符号. 例4 积分dxdy y x D ⎰⎰--3221有怎样的符号, 其中.4:22≤+y x D例5（讲义例2）比较积分⎰⎰+D d y x σ)ln(与⎰⎰+D d y x σ2)][ln(的大小， 其中区域D是三角形闭区域，三顶点各为(1,0),(1,1),(2,0).课堂练习1.将二重积分定义与定积分定义进行比较, 找出它们的相同之处与不同之处.2.试用二重积分表示极限.1lim 112222∑∑==++∞→n i n j n j i n e n。
高等数学：第一讲 二重积分的定义与性质
o
x
D
•
y
(i ,i )
则称 f ( x, y) 可积 , 称 I 为 f ( x, y) 在D上的二重积分.
i
积分和
二重积分的定义
被积函数 积分区域
积分表达式
x , y 称为积分变量
面积元素
二重积分的定义
注1： 若用平行坐标轴的直线来划分区域 D ，则有 y
因此，面积元素 常记作 d x d y, 二重积分记作
D f ( x, y)dxd y.
O
注2： 对比曲顶柱体体积的求法和二重积分的定义可知
V D f ( x, y)d D f ( x, y)d x d y
D i
x
二、二重积分的性质
性质1
k f (x, y)d k f (x, y) d ( k 为常数)．
D
D
性质2
[ f (x, y) g(x, y)]d
例1
利用二重积分的性质，比较下列二重积分的大小：
I1 x y2 d x d y, I2 x y3 d x d y
D
D
其中D是由 x 轴，y 轴以及直线 x y 1 围成，
则 I1 _____ I2 . y 1 x y 1
D
O
1x
二重积分的保号性
0 x y1
( x y)2 ( x y)3
二重积分的 定义与性质
一、二重积分的定义
定义: z f ( x, y)是定义在有界闭区域 D上的有界函数 ，将区域 D 任意
z
分成 n 个小闭区域
f (i ,i ) •
z f (x, y)
任取一点 (i ,i ) i
记
ห้องสมุดไป่ตู้
第九讲 二重积分的概念与计算
D
2.二重积分的性质
（二重积分与定积分有类似的性质）
性质１
D
当k为常数时，
k f ( x , y )d .
D
kf ( x , y )d
性质２
D
[ f ( x, y ) g( x, y )]d
f ( x , y )d g( x , y )d .
D D
1
1 1
8
例2
ex y dxdy ,其中区域 D 为矩形： 计算二重积分
D : 0 x 1, 1 y 2
解
x y e x e y,所以 因为 e
D
e
D
x y
dxdy ( e dx)( e dy ) e
x y 0 1
1
2
x 1 0
e
y 2 1
y 1 ( x)
o a
x
b
x
o a
x
b
x
o a x
b
x
由二重积分的几何意义知:
z
A( x)
f ( x, y)d 是区域 D 上以曲面
z f ( x, y) 为顶的曲顶柱体的
D
y
体积.
为确定曲顶柱体的体积,可在
x 处用垂直 x 轴的平面去截曲
顶柱体,设其截面面积为 A( x)
o
a
x
例3
计算二重积分 xydxdy .其中积分区域 D 分
D
别如下图所示： ⑴ 三角形；⑵ 四分之一椭圆。 解 ⑴因为下图所示的三角形 区域的斜边方程是 x y 1 所以 D 可表示为
a b
y
b
x o a D : 0 x a, 0 y b(1 ) a 2 x x b (1 ) a b (1 ) a xy xydxdy dx a xydy ( ) 0 a dx 0 0 0 2 D 2 ab x 2 1 2 a 2 x 2 x3 (1 ) xdx b ( x 2 )dx 0 2 0 a 2 a a 1 2 x 2 2 x3 x 4 a 1 2 2 b ( 2) 0 a b 2 2 3 a 4a 24
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。