知识点

三重积分的直角坐标计算

计算方法

设 Ω\Omega 为有界空间区域,ff 在其上连续。以下公式要求所用投影与截面可积;切片不是单个区间时,可将区域分块。

直角坐标下 dv=dx dy dz\mathrm dv=\mathrm dx\,\mathrm dy\,\mathrm dz。化为三次积分时,按“先积几个变量”分成两种做法:先对一个变量积分、再对剩下两个变量积分的叫“先一后二”,反过来叫“先二后一”。选哪种,取决于区域形状和截面面积是否容易求。

投影法(先一后二)

把 Ω\Omega 投影到 xOyxOy 平面,得到投影区域 DxyD_{xy}。若对 DxyD_{xy} 内每一点 (x,y)(x,y),zz 的变化范围是

z1(x,y)≤z≤z2(x,y),z_1(x,y)\le z\le z_2(x,y),

则

∭Ωf(x,y,z) dv=∬Dxy[∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z) dz]dσ.\iiint_\Omega f(x,y,z)\,\mathrm dv=\iint_{D_{xy}}\left[\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f(x,y,z)\,\mathrm dz\right]\mathrm d\sigma .

内层是对 zz 的定积分,结果是 x,yx,y 的函数,再对 DxyD_{xy} 做二重积分。同样可以把 Ω\Omega 投影到 yOzyOz 或 zOxzOx 平面,此时内层分别先对 xx 或 yy 积分。

截面法(先二后一)

用平行于某一坐标平面的平面去截 Ω\Omega,得到一系列截面。例如用平行于 xOyxOy 平面的平面 z=z0z=z_0 截 Ω\Omega,得到截面区域 D(z)D(z);设 zz 的变化范围是 c1≤z≤c2c_1\le z\le c_2,则

∭Ωf(x,y,z) dv=∫c1c2[∬D(z)f(x,y,z) dσ]dz.\iiint_\Omega f(x,y,z)\,\mathrm dv=\int_{c_1}^{c_2}\left[\iint_{D(z)}f(x,y,z)\,\mathrm d\sigma\right]\mathrm dz .

截面法适合截面面积容易求出的情形:内层是对 x,yx,y 的二重积分,外层只对 zz 积分一次。

例子

投影法:∭[0,1]3xyz dv\displaystyle\iiint_{[0,1]^3}xyz\,\mathrm dv

取 Ω=[0,1]×[0,1]×[0,1]\Omega=[0,1]\times[0,1]\times[0,1],投影区域是单位正方形,zz 从 00 到 11,所以

∭Ωxyz dv=∬Dxy[∫01xyz dz]dσ=∬Dxyxy2 dσ=12⋅12⋅12=18.\iiint_\Omega xyz\,\mathrm dv =\iint_{D_{xy}}\left[\int_0^1xyz\,\mathrm dz\right]\mathrm d\sigma =\iint_{D_{xy}}\frac{xy}{2}\,\mathrm d\sigma =\frac12\cdot\frac12\cdot\frac12=\frac18 .

三个变量的积分限都是常数,三层定积分可以任意调换次序。

截面法:∭x2+y2+z2≤1z2 dv\displaystyle\iiint_{x^2+y^2+z^2\le1}z^2\,\mathrm dv

取 Ω\Omega 为单位球。固定 z∈[−1,1]z\in[-1,1],截面为圆域

D(z)={(x,y):x2+y2≤1−z2},D(z)=\{(x,y):x^2+y^2\le1-z^2\},

其面积为 π(1−z2)\pi(1-z^2)。被积函数 z2z^2 在截面上是常数,于是

∭Ωz2 dv=∫−11z2π(1−z2) dz=π(23−25)=4π15.\iiint_\Omega z^2\,\mathrm dv =\int_{-1}^{1}z^2\pi(1-z^2)\,\mathrm dz =\pi\left(\frac23-\frac25\right) =\frac{4\pi}{15}.

这里被积函数只含 zz、截面积又容易求,截面法比投影法省事。

探索

单位球的截面如何随高度变化?

移动水平截面,观察圆盘及其面积。

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题集

练习

  1. 用平行于 xOyxOy 平面的平面 z=z0z=z_0 截 Ω\Omega 得截面 D(z)D(z),先算 ∬D(z)f dσ\displaystyle\iint_{D(z)}f\,\mathrm d\sigma,再对 zz 积分。这种做法称为:

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    先对 x,yx,y 做二重积分、后对 zz 积分,所以是“先二后一”的截面法。投影法恰好相反,先对 zz 积分。