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微积分/多元积分

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多元积分

二重积分

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区间划分图示

对于(黎曼)积分,我们考虑黎曼和。回想一下,在单变量情况下,我们将区间分成越来越多的子区间,它们的宽度越来越小,我们通过对每个子区间对应矩形的面积求和来对区间进行积分。对于多元变量情况,我们需要做类似的事情,但问题在于我们需要在 或更一般地 中划分'区间'。 (实际上,我们只在 中有 区间 这个术语。)

在多元变量情况下,我们需要考虑的不只是'区间'本身(在多元变量情况下没有定义),而是 中区间的 笛卡尔积,以及更一般地 中区间的 n 元笛卡尔积

笛卡尔积示例图示。

定义。n 元笛卡尔积) 在 个集合 上的 n 元笛卡尔积 元组(或向量)的集合。

备注。

  • 回想一下 区间 本质上是一个集合,例如
  • 二元笛卡尔积简称为笛卡尔积,例如 笛卡尔积,在几何上它也是一个边长为 1 和 2 的 矩形
  • 特殊情况: 被称为 n 阶笛卡尔幂,用 表示,例如 .

面积(对于 ),体积(对于 )或度量(对于每个正数 )的几何对象(例如, 中的矩形和 中的立方体)在 中是所有边长(在不同维度上)的乘积。

示例。

  • 是两个区间上的笛卡尔积(在 中几何意义上是一个边长为 的正方形)。
  • 是三个区间上的 3 阶笛卡尔积(在 中几何意义上是一个长方体)。
  • 是四个区间的四元笛卡尔积,或者说四元笛卡尔幂(表示为 )。(从几何角度来看,它是一个 四维立方体,位于 中)

现在,我们准备用与单积分类似的方式定义多重积分。为简便起见,我们先讨论二重积分,然后以类似的方式推广到多重积分。

将矩形划分为 中的示意图。

定义。(二重积分)设 是定义在 中矩形 上的函数。考虑将 分割成面积分别为 的小矩形。在第 个矩形中任选一个点。如果极限 存在,则函数 上是可积的,这时我们用 是面积的助记符号)表示这个极限,并称之为函数 上的二重积分

备注。

  • 极限 上的黎曼和,其中将 分割成小矩形。
  • 当我们从矩形 中分割出越来越多的、面积越来越小的矩形时,我们在每个矩形中任选 的点的具体位置就变得越来越不重要了,因为每个小矩形中的不同点变得越来越“靠近”,因此不同点的位置也变得越来越“相似”。
  • 我们可以假设良好函数(本题中给出的函数都是良好的,除非另有说明)是可积的,因此我们不需要检查我们遇到的每个函数的可积性(可积性的检查涉及极限的正式定义,这里不讨论)。
  • 计算二重积分的过程称为二重积分

二重积分的物理意义是计算体积。

命题。(二重积分给出的体积)设 是定义在 中的矩形 上的一个可积函数。假设对每个 都有。那么, 上的图形下方体积为

备注。

  • 如果 不总是 ,则 平面下方的区域具有负体积,因此该负体积将抵消正体积,这可能是也可能不是想要的。
  • 如果 始终为负,则该公式计算的体积为负,我们通常取其绝对值以得到体积,因为体积通常定义为非负的。

我们还介绍一些二重积分的性质,以简化二重积分的计算。

命题。(二重积分的性质)设 是定义在 中的矩形 上的可积函数。那么,以下性质成立。

  • (线性) 上可积,对于任何实数 ,并且
  • (单调性) 如果对于每个 ,有 ,那么
  • (三角不等式) 上可积,并且

命题. (连续性蕴含可积性) 令 为定义在 中的矩形 上的 连续 函数。那么,函数 可积。

注. 由于许多好的函数通常是连续的,因此大多数好的函数都是可积的。

重复积分

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值得庆幸的是,我们并不总是需要使用黎曼和来计算多变量积分。有一些结果可以使我们的生活更轻松。在陈述结果之前,我们需要定义 重复积分,它在结果中使用。

定义. (逐次积分) 令 是在矩形 上定义的连续函数,其中 中的矩形。 逐次积分定义为

备注. 例如,对于积分 ,我们首先计算定积分 关于 ,将 视为 常数。 然后,我们计算关于 的剩余积分。

计算逐次积分通常比使用黎曼和直接计算二重积分容易得多。 所以,如果我们能找到逐次积分和二重积分之间的关系,以便借助逐次积分来计算二重积分,那就太好了。 事实上,确实如此,以下定理是逐次积分和二重积分之间的桥梁。

定理. (富比尼定理) 设 是在矩形 上定义的连续函数,其中 中的矩形。那么,

备注。

  • 也就是说,我们可以使用 任何 顺序的累次积分来计算相应的二重积分
  • 需要注意的是,在改变积分顺序后,每个积分的积分限也会发生变化

示例。

1 选择以下表达式中,哪些是积分 的正确表达式。

2 选择以下表达式中,哪些是积分 的正确表达式。


示例。 (长方体体积)

(i) 证明函数 在矩形 上的图形下方的体积是 .

(ii) 因此,证明长为 ,宽为 ,高为 的长方体的体积是 .

证明。

(i) 因为对于每个 ,都有 ,根据二重积分给出的体积定义,体积为 。根据富比尼定理,这等于

备注。 从几何上看,该图形是一个长方体,其体积由各边长的乘积给出,即 ,与我们的答案一致。

(ii) 所需体积由 (常数函数 在矩形 上的二重积分,该矩形的长为 ,宽为 )。(我们也可以将积分表示为 而不影响结果。)然后,根据富比尼定理,

R2 中更一般区域上的二重积分

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我们已经定义了 中的矩形上的二重积分。但是,我们经常想要计算在除了矩形之外形状的区域上的二重积分,例如圆形、三角形等等。因此,我们将讨论一种方法,在不改变二重积分定义的情况下,对更一般的区域进行二重积分计算。

考虑一个函数 ,其中 是一个一般区域。为了应用二重积分的定义,我们需要将一般区域 转换为一个矩形(例如 )。一种方法是找到一个 包含 的矩形 (即 ),并设 对于每个 位于 外部 (即对于每个 )。由于函数在积分区域之外的值为零,因此这 不会 改变 上的图形下的体积,因此这种方法是定义此类二重积分的好方法。我们将在下面正式定义此类二重积分。

定义.(一般区域上的二重积分)令 是定义在(任意形状)区域 上的函数。然后,我们定义 对于每个在 外部的 (即对于每个 ),并定义函数 在区域 上的 二重积分,如果后一个积分存在。

注. 然后,我们可以通过计算后一个积分的相应黎曼和来计算一般区域上的二重积分。

然而,这种计算方法(通过计算黎曼和)通常非常困难,我们通常使用傅比尼定理的推广版本来计算这些积分。这将在下面讨论。

定理.(傅比尼定理的推广)令 是定义在(任意形状)区域 上的连续函数。则以下结论成立。

(i) 如果 ,其中函数 是连续函数,那么 (ii) 如果 ,其中函数 是连续函数,那么 ,其中 是满足上述条件的实数。

证明。 我们可以通过 Fubini 定理(非泛化版本) 和应用 一般区域上的二重积分定义 来证明这个定理。(我们可以使用 Fubini 定理,因为我们假设函数 是连续函数。)

部分 (i):()

取任意矩形 包含 (即 )。然后,定义 如果 。之后, 结果随之得出。(我们说上述不等式中是否取等号并不重要,因为点上的定积分无论如何都等于零,所以它不影响结果。)

部分 (ii):()

类似地,取任意矩形 包含 (即 )。然后,定义 如果 。之后, 结果随之而来。

备注。 通常,找到 的界限是我们计算这种二重积分时最困难的一步。

示例。 中顶点为 的三角形。证明

证明。
方法 1 的示意图
方法 2 的示意图

Approach 1: The bound for is . Given a fixed , the bound for is . Thus, the integral is Approach 2: The bound for is . Given a fixed , the bound for is . Thus, the integral is

示例。(四面体的体积)考虑一个四面体,它位于 中,顶点为 ,其中 是正数。定义向量 。证明该四面体的体积为 。(即, 由向量 张成的平行六面体的体积。)

证明。
用二重积分求四面体体积的示意图

Let the plane containing and be . To find the equation of , consider its normal vector. A normal vector of is Therefore, the equation of is The desired volume is the volume under the graph of over a region , and the region is the projection of the tetrahedron on the xy-plane, which is the triangle with vertices in . Because the line passing through and has equation , the bound for is , and the bound for is given a fixed . Thus, the desired volume is On the other hand, which equals the desired volume.

示例。(交换积分顺序)证明 大约等于 。(保留两位小数)

证明。
该积分区域边界示意图(区域 *ABC*)。

如果我们按照这个顺序积分,计算将非常繁琐。因此,我们将使用广义的富比尼定理交换积分顺序,以简化计算。最初,边界是(给定一个固定的 )。如果我们首先对 积分,则边界适当的表达式为(给定一个固定的 )。因此,

命题。(二重积分的区域并集)设 是定义在 上的有界连续函数, 中的集合。如果 的并集,其中重叠集合(在 中)具有零面积,那么,只要积分存在。

备注。

  • 中类似情况的例子: 的重叠集合具有零长度)。
  • 曲线 中具有零面积。

推论。 (二重积分区域的减法) 设 是在 中有界集 上定义的连续函数。如果 的并集,其中 ,那么 ,如果这些积分存在。

证明。 首先, 的重叠部分是 ,面积为零。接下来,因为 结论得证。

命题。 (二重积分求面积)令 中的有界区域。则 的面积为

证明。 常数函数 上的图形下的体积等于底面积(即 的面积)乘以高度(高度在本例中为 1)。因此, 的面积等于 上的图形下的体积,即 ,根据 关于体积的二重积分命题(因为对于每个 )。

备注。 回想一下,有界区域的面积也可以通过单重积分求得。在某些情况下,使用这个命题会更方便。

例子。 是由曲线 所包围的区域,其中 是一个正数。证明有界区域 的面积是

证明。

Solving and , we get . Because , intersection points of these two curves are and . Therefore, the bound for is , and given a fixed , the bound for is . Thus, the desired area is Remark. Geometrically, the bounded region is a disk (region in a plane bounded by a circle) of radius .

三重积分

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二重积分部分中的概念可以类推应用到 三重积分(以及一般多重积分)中。在本部分,我们将给出一些关于三重积分的例子。

定义。 (三重积分)设 是定义在 中的矩形盒(或矩形长方体) 上的函数。考虑将 分割成体积分别为 的小盒。在第 个盒中选择一个任意。函数可积,如果 存在。在这种情况下,我们将此极限记为 是体积的助记符),并称之为三重积分 上的

备注。

  • 计算三重积分 的过程被称为三重积分

定理。 (广义傅比尼定理(三重积分版本))设 是定义在(形状任意)区域 上的连续函数。那么,以下成立。

(i) if , then (ii) if , then (iii) if , then (iv) if , then (v) if , then (vi) if , then in which each function involved is continuous. That is, we can use either one of all possible integration orders for iterated integrals to compute triple integrals, with suitable bounds.

命题。(三重积分给出的四维体积)设 是定义在 中的矩形盒 上的一个 可积 函数。假设对于每个 都有 。那么, 上的图形下的 四维体积

备注。 这只是一个理论结果,很难直观地理解。

命题。(三重积分给出的体积)设 中的有界区域。那么,体积

例题。 考虑一个由球体(半径为 ,为正数) 围成的区域 ,该区域位于八分之一空间 (+,+,+)(即 均为正数)内。

(i) 证明 的体积为

(ii) 由此证明,由球体(在 中)围成的区域的体积为

证明。

(i) 给定 的边界为 以及 。我们可以将这些边界表示如下:

  • 给定一个固定的 ,目标是找到 的边界,形式为
  • 步骤:
  • 给定固定的 从其边界中选取,即 ,而 从其边界中选取,该边界取决于固定的 ),目标是找到 的边界,形式为
  • 步骤:

Therefore, by generalized Fubini's theorem (triple integrals version) (i) and proposition about volume given by triple integration, the desired volume is

(ii) 由于有八个八分圆(在中),并且每个八分圆彼此对称。还有七个区域与在除 (+,+,+) 八分圆以外的八分圆中对称。因此,所需的体积是 备注: (ii) 中提到的区域是半径为球体(由球面包围的立体图形)。


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