7.2 知识点复习

7.2.1 一元定积分回顾

重要概念回顾

(1)

Riemann和:设P:a=x0<x1<⋯<xn−1<xn=b为[a,b]的一个划分,选定区间的代表元ξk∈Ik=[xk−1,xk],则f在[a,b]上的Riemann和为(1)S(f,P,ξ)=∑k=1nf(ξk)(xk−xk−1)⏟=Δxk=|Ik|

(2)

Riemann可积:设f:[a,b]→R,若∃I∈R,使得∀ε>0,∃δε>0,使得对任意划分P,(2)∥P∥:=max1≤k≤n|xk−xk−1|<δε⟹∀ξ={ξk∣ξk∈Ik},|S(f,P,ξ)−I|<ε 则称f在[a,b]上Riemann可积,I为f在[a,b]上的Riemann积分(定积分),记作(3)I=∫abf(x)dx

(3)

Darboux上下和:设f:[a,b]→R有界,给定划分P,定义(4)S―(f,P)=∑k=1nsupx∈Ikf(x)|Ik|,S―(f,P)=∑k=1ninfx∈Ikf(x)|Ik| 则显然有(5)S―(f,P)≤S(f,P,ξ)≤S―(f,P)

(4)

Darboux可积:设f:[a,b]→R,若∃I∈R,使得∀ε>0,存在划分P,使得(6)I−ε<S―(f,P)≤I≤S―(f,P)<I+ε⟺S―(f,P)−S―(f,P)<2ε 则称f在[a,b]上Darboux可积。

(5)

零测集:设D⊆R,若∀ε>0,∃可数个区间{Ik},使得(7)D⊆⋃k=1+∞Ik∧∑k=1+∞|Ik|<ε 则称D为零测集。

重要定理回顾

(1)

以下三个命题等价:

  • (Riemann)f在[a,b]上Riemann可积;
  • (Darboux)f在[a,b]上Darboux可积;
  • (Lebesgue)f在[a,b]上有界,且f的间断点集是零测集。
(2)

[a,b]上的所有连续函数可积,[a,b]上的所有单调函数可积。

7.2.2 重积分的概念

重要概念回顾

(1)

矩形:称(8)R=[a1,b1]×⋯×[an,bn]={(x1,⋯,xn)∣ai≤xi≤bi, 1≤i≤n} 为Rn中的一个矩形,则μ(R)=|R|:=(b1−a1)⋯(bn−an)为R的n维体积。

(2)

划分:称P:R1,⋯,RN为R的一个划分,若

  • R=⋃k=1NRk,其中Rk均为矩形;
  • Ri∩Rj⊆∂Ri∩∂Rj,即两两矩形之间的交集是它们的公共边界。
(3)

Riemann和:设f:R→R,选定Rk的代表元ξk∈Rk,则f在R上的Riemann和为(9)S(f,P,ξ)=∑k=1Nf(ξk)μ(Rk) 称f在R上Riemann可积,若∃I∈R,使得∀ε>0,∃δε>0,使得对任意划分P={Rk∣1≤k≤N},(10)max1≤k≤nsupx,y∈Rk∥x−y∥<δε⟹∀ξ={ξk∣ξk∈Rk},|S(f,P,ξ)−I|<ε f在R上的Riemann积分记作(11)I=∫Rf(x)dμ(x) 当n>1时,该Riemann积分又称为(n)重积分。

(4)

Darboux和:设f:R→R,定义(12)S―(f,P)=∑k=1Nsupx∈Rkf(x)μ(Rk),S―(f,P)=∑k=1Ninfx∈Rkf(x)μ(Rk) f在R上Darboux可积若……。

(5)

Jordan可测:称D⊆Rn为Jordan可测集,若∂D为零测集,即∀ε>0,∃可数个矩形{Rk},使得(13)∂D⊆⋃k=1+∞Rk∧∑k=1+∞μ(Rk)<ε

(6)

Jordan可测集上的积分:设D为有界闭的Jordan可测集,f:D→R。令矩形R⊆Rn满足D⊆R,定义函数(14)fR={f(x),x∈D0,x∈R∖D 若fR在R上可积,则称f在D上可积,且(15)∫Df(x)dμ(x)=∫RfR(x)dμ(x)

重要定理回顾

(1)

以下三个命题等价:

  • (Riemann)f在R上Riemann可积;
  • (Darboux)f在R上Darboux可积;
  • (Lebesgue)f在R上有界,且f的间断点集是零测集。
(2)

R上的所有连续函数可积。

(3)

若D为有界闭集且∂D为零测集,则D上的所有连续函数可积。

(4)

示性函数(16)1D(x)={1,x∈D0,x∉D 在D上可积,且(17)∫D1D(x)dμ(x)=μ(D)

(5)

重积分的性质:令R(D)表示D上所有Riemann可积函数的集合,则

  • 线性:R(D)是一个线性空间,即∀f,g∈R(D),∀α,β∈R,都有αf+βg∈R(D),且成立(18)∫D(αf+βg)(x)dμ(x)=α∫Df(x)dμ(x)+β∫Dg(x)dμ(x)
  • 保号性:设f,g∈R(D),若f(x)≤g(x),则(19)∫Df(x)dμ(x)≤∫Dg(x)dμ(x)
  • 区域可加性:设D1,D2⊆Rn,D=D1∪D2,且D1∩D2=∅,则(20)∫Df(x)dμ(x)=∫D1f(x)dμ(x)+∫D2f(x)dμ(x)
  • 三角不等式:f∈R(D)⟺|f|∈R(D),且成立−|f|≤f≤|f|,故(21)|∫Df(x)dμ(x)|≤∫D|f(x)|dμ(x)
  • Cauchy-Schwarz不等式:设f,g∈R(D),则fg∈R(D),且成立(22)|∫Df(x)g(x)dμ(x)|≤(∫D|f(x)|2dμ(x))1/2(∫D|g(x)|2dμ(x))1/2
  • 积分中值定理:设D为连通集,g∈R(D)且g(x)≥0,f∈C(D),则∃ξ∈D,使得(23)∫Df(x)g(x)dμ(x)=f(ξ)∫Dg(x)dμ(x) 若下式中分母不为零,则有(24)f(ξ)=∫Df(x)g(x)dμ(x)∫Dg(x)dμ(x) 称为f在D上关于g的(加权)平均值。

7.2.3 重积分的计算

计算重积分的基本方法:

重要定理回顾 (Fubini)若D为有界闭的Jordan可测集,f∈R(D),D⊆[a,b]×Rn−1,则∀x∈[a,b],∫Ixf(x,y)dy存在,其中Ix={y∈Rn−1∣(x,y)∈D},且(25)∫Dfdμ=∫abdx∫Ixf(x,y)dy

应用

(1)

证明:(26)∫01dx∫x1e−y2dy=12(1−e−1)

(2)

设D为三个圆柱x2+y2=1、y2+z2=1、z2+x2=1所围成的有界闭区域,证明:(27)∫Ddμ=16−82

(3)

积分换序练习。设D={(x,y)∣x+y≤1, y−x≤1, y≥0},证明:(28)∫Df(x,y)dxdy=∫01dy∫y−11−yf(x,y)dx=∫−11dx∫01−|x|f(x,y)dy 设D={(x,y)∣|x|≤1, 0≤y≤2},证明:(29) ∫D|y−x2|dxdy=∫−11dx[∫0x2(x2−y)dy+∫x22(y−x2)dy]=∫02dy∫max{−1,−y}min{1,y}(y−x2)dx+∫01dy∫−1−y(x2−y)dx+∫01dy∫y1(x2−y)dx 证明:(30)∫02πdx∫0sin⁡xf(x,y)dy=∫01dy∫arcsin⁡yπ−arcsin⁡yf(x,y)dx−∫−10dy∫π−arcsin⁡y2π+arcsin⁡yf(x,y)dx

(4)

设D1,D2是由z=x+1、z=0、x2+y2=4围成的两个有界闭区域,证明:(31)D1:{x2+y2≤40≤z≤x+1,∫D1dμ=33+8π3D2:{x2+y2≤4x+1≤z≤0,∫D2dμ=33−4π3

注 积分是从右向左计算的!例如(32)∫abdx∫c(x)d(x)f(x,y)dy=∫abg(x)dx,g(x)=∫c(x)d(x)f(x,y)dy

7.2.4 重积分的换元

重要定理回顾 设Ω为有界闭的Jordan可测集,f:Ω→R;D为有界闭的Jordan可测集,φ:D→Ω是C1的微分同胚(C1的可逆坐标变换),则在点P0附近有(33)μ(Rk)μ(Dk)=|det∂φ(P0)| 因此(34)∫Ωf(y)dμ(y)=∫Df(φ(x))|det∂φ(x)|dμ(x)

应用

(1)

常用坐标系的体积元:

  • 极坐标系:dxdy=rdrdθ;
  • 柱坐标系:dxdydz=rdrdθdz;
  • 球坐标系:dxdydz=r2sin⁡φdrdφdθ。
(2)

设D⊆R2为有界闭的Jordan可测集,满足(x,y)∈D⟹(x,−y)∈D;函数f:D→R2满足f(x,−y)=f(x,y)。记D1={(x,y)∈D∣y≥0}、D2={(x,y)∈D∣y≤0},证明:(35)∫D1f(x,y)dxdy=∫D2f(x,y)dxdy

(3)

设D={(x1,x2)∣1≤x12−x22≤3, 1≤x1x2≤2, x1≥0, x2≥0},利用换元{y1=x12−x22y2=x1x2证明:(36)∫D(x12+x22)dx1dx2=1

(4)

设D={(x,y)∣x2+y2≤x+y},利用极坐标换元证明1:(37)∫Dx+yx2+y2dxdy=π

(5)

设D={(x1,⋯,xm)∣x1+⋯+xm≤a, xi≥0},利用换元yk=∑i=1kxi证明:(38)I=∫Df(x1+⋯+xm)dx1⋯dxm=1(m−1)!∫0af(y)ym−1dy

(6)

设μ∈Rm,Σ为m阶实对称正定矩阵,利用谱分解换元证明:(39)∫Rm1(2π)mdetΣexp⁡[−12(x−μ)TΣ−1(x−μ)]dx1⋯dxm=1

(7)

质心:设Ω⊆Rm,其密度分布函数为ρ:Ω→[0,+∞),则其质心x―满足(40)x―=∫Ωxρ(x)dμ(x)∫Ωρ(x)dμ(x)

(8)

设Ω={(x1,⋯,xm)∈Rm∣xm≥0, x12+⋯+xm2≤R2},其质量均匀分布,则Ω的质心x―满足:(41)x―m=∫Ωxρ(x)dμ(x)∫Ωρ(x)dμ(x)=Γ(m+22)(m+1)Γ(12)Γ(m+12)R

(9)

期望:设(Ω,F,P)为概率空间,X:Ω→R为随机变量,则其概率密度函数的定义为(42)f(x)=limr→0+P(X∈Ω∩B(x,r))μ(Ω∩B(x,r)) 其期望为(43)E[X]=∫ΩXdP=∫Rxf(x)dμ(x)⏟dP(x)

(10)

在U(0,1)([0,1]均匀分布)上取n个独立随机变量X1,⋯,Xn,则其最小值的期望为x―min=1n+1。

(11)

证明万有引力定律对质量均匀分布的球体同样适用,即证明:(44)F=∫x2+y2+z2≤R2GMρdxdydz[x2+y2+(z−a)2]3/2(x,y,z−a)T=−GMρa24π3R3e3

(12)

证明有心力场的(广义)Kepler第二定律。设质点在平面上的运动轨迹为u:[a,b]→R2,其中u(t)=(x1(t),x2(t))。设Ω为行星与恒星连线在t∈[a,b]内扫过的面积,令(x1,x2)=su(t),则有(45)det∂(x1,x2)∂(s,t)=det(su′(t),u(t))=sdet(u′(t),u(t)) 因此Ω的面积为(46)A=∫Ωdx1dx2=∫[a,b]×[0,1]|det∂(x1,x2)∂(s,t)|dsdt=12∫ab|det(u′(t),u(t))|dt 由[a,b]的任意性可得(47)A=const⟺det(u′(t),u(t))=0 因此(48)ddt[det(u′(t),u(t))]=det(u″(t),u(t))=0 故u″(t)与u(t)共线,即为有心力场。

7.2.5 补充:利用不等式方法确定积分域和积分限

许多重积分的区域是由n个曲面(包括平面)所围成的有界区域表示的,我们首先需要确定该区域对应的不等式表示。理论上,我们需要依次分析2n个不等式组的解集是否有界,但可以通过观察减少搜索范围。以R3为例,常见的剪枝方法为:

命题 7.2.1 若区域D中与x有关的所有显式不等式的符号全部相同,即x≥f1(y,z),⋯,x≥fk(y,z)(或x≤⋯),则D必定无界。

推论 7.2.2 若与x有关的等式仅有2个,亦即x=f(y,z)、x=g(y,z),则必有f(y,z)≤x≤g(y,z)或g(y,z)≤x≤f(y,z)之一成立。这类自变量通常是我们突破的重点。

得到不等式给出的积分区域后,我们还需要将积分域表示为积分限的形式,实质就是解不等式。设积分顺序为x1→x2→⋯→xm。

(1)

用不等式表示有界区域D。

(2)

对于自变量xi满足的ki个不等式,依次解出它们的显式形式,即(49)fij(xi∗)≤xi≤gij(xi∗),i=1,2,⋯,m,j=1,2,⋯,ki 其中xi∗=(x1,⋯,xi−1,xi+1,⋯,xm)T表示去掉xi的自变量向量。如果解出来的不等式不能表示为上面的“类区间形式”,意味着积分区域需要分块。

(3)

由此得到所有自变量满足的显式不等式,亦即(50)max{fi1(xi∗),⋯,fiki(xi∗)}≤xi≤min{gi1(xi∗),⋯,giki(xi∗)},i=1,2,⋯,m 方便起见,将上式改写为(51)fi(xi∗)≤xi≤gi(xi∗),i=1,2,⋯,m

(4)

若i=1,则x1的积分区域为U1(x1+)=[f1(x1∗),g1(x1∗)],其中xi+=(xi+1,⋯,xm)T表示去掉在xi之前(含自身)积分的自变量向量,因为后积分的自变量区域不能与先积分的自变量有关。

(5)

若1<i≤m,记前i−1个自变量的积分区域为(52)xi−1∈{(x1,⋯,xi−1)T | xj∈Uj(xj+), j=1,2,⋯,i−1}=Di−1 则xi的积分区域Ui为在原有不等式fi(xi∗)≤xi≤gi(xi∗)的基础上,消去xi−1后得到的新不等式(53)xi∈Ui(xi+):minxi−1∈Di−1fi(xi∗)≤xi≤maxxi−1∈Di−1gi(xi∗)

(6)

最终的积分限可表示为(54)∫xm∈Umdxm∫xm−1∈Um−1(xm)dxm−1⋯∫x2∈U2(x3,x4,⋯,xm)dx2∫x1∈U1(x2,x3,⋯,xm)dx1

例 7.2.3 (例1改) 改变区域D的积分次序:(55)D=D1∪D2,D1:{0≤x≤10≤y≤x2,D2:{1≤x≤30≤y≤3−x2

解 对于D1,先对x积分可得(56)D1:{max{0,y}≤x≤10≤y≤x2⟹{0≤y≤1y≤x≤1 对于D2,先对x积分可得(57)D2:{1≤x≤min{3,3−2y}0≤y≤3−x2⟹{0≤y≤11≤x≤3−2y 因此(58)D=D1∪D2:{0≤y≤1y≤x≤3−2y ◻

例 7.2.4 (例2改) 设有界区域D由z=1+x+y、z=0、x+y=1、x=0、y=0围成,按以下次序确定积分上下限:

(1)

先对x积分,再对y积分,最后对z积分。

(2)

形式最简单的积分次序。

解 首先确定各不等式的符号(≥还是≤)。我们从z入手,必有0≤z≤1+x+y或1+x+y≤z≤0之一成立。

对于1+x+y≤z≤0,此时有x+y≤−1≤1(已确定3个符号)。

故这种情况不成立。

对于0≤z≤1+x+y,有x+y≥−1,结合x+y=1可得−1≤x+y≤1(已确定3个符号)。

由此我们定出了所有不等式的符号:0≤z≤1+x+y、x+y≤1、x≥0、y≥0。

(2) 显然,形式最简单的积分次序为:(59)D:{0≤x≤10≤y≤1−x0≤z≤1+x+y={0≤y≤10≤x≤1−y0≤z≤1+x+y 即先对z积分,再对y(或x)积分,最后对x(或y)积分。

(1) 如先对x积分,则有max{0,z−1−y}≤x≤1−y,此时y满足(60)max{0,y+z−2}≤max{0,z−1−x}≤y≤1−x≤1+min{0,y−z+1} 解得(61){0≤y≤1y+z−2≤y≤y−z+2⟹{0≤y≤1z≤2 因此(62)D:{0≤z≤20≤y≤1max{0,z−1−y}≤x≤1−y 如需去掉max,还需要分0≤y≤z−1和z−1≤y≤1两种情况讨论,前者需要z≥1成立,故需要分为3个区域:(63)D:{0≤z≤10≤y≤10≤x≤1−y∪{1≤z≤20≤y≤z−1z−1−y≤x≤1−y∪{1≤z≤2z−1≤y≤10≤x≤1−y ◻

例 7.2.5 (例3改) 设有界区域D由x+y+z=a≥2R、x2+y2=R2、x=0、y=0、z=0围成,选择合适的坐标系和积分次序确定积分上下限。

解 类似例 7.2.4,我们从z入手,得到0≤z≤a−x−y。

因此x≥0且y≥0。

若x2+y2≤R2,则a−x−y≥a−2(x2+y2)≥a−2R>0,故有0≤y≤R2−x2、0≤x≤R2−y2≤R,因此(64)D:{0≤x≤R0≤y≤R2−x20≤z≤a−x−y 如使用柱坐标系,则有x=rcos⁡θ≥0∧y=rsin⁡θ≥0⟹0≤θ≤π2,r2=x2+y2≤R2⟹r≤R。因此(65)D:{0≤θ≤π20≤r≤R0≤z≤a−r(cos⁡θ+sin⁡θ)

若x2+y2≥R2,则当0≤x≤R时有0≤R2−x2≤y≤a−x−z≤a−x,当R≤x≤a时有0≤y≤a−x−z≤a−x,故需要分为2个区域:(66)D:{0≤x≤RR2−x2≤y≤a−x0≤z≤a−x−y∪{R≤x≤a0≤y≤a−x0≤z≤a−x−y 如使用柱坐标系,则仍有0≤θ≤π2,r2=x2+y2≥R2∧x+y=r(cos⁡θ+sin⁡θ)≤a−z≤a⟹R≤r≤acos⁡θ+sin⁡θ。因此(67)D:{0≤θ≤π2R≤r≤acos⁡θ+sin⁡θ0≤z≤a−r(cos⁡θ+sin⁡θ) ◻

例 7.2.6 (例4改) 改变区域D的积分次序:(68)D:{0≤x≤10≤y≤1−x0≤z≤x+y

解 最简单的改变方式是对换x,y,此处从略。将D改写为(69)D:{max{0,z−y}≤x≤min{1,1−y}=1−ymax{0,z−x}≤y≤1−x0≤z≤x+y 先对x积分:max{0,z−y}≤x≤1−y,此时y满足(70)max{0,y+z−1}≤max{0,z−x}≤y≤1−x≤1+min{0,y−z} 解得(71){0≤y≤1y+z−1≤y≤y−z+1⟹{0≤y≤1z≤1 因此(72)D:{0≤z≤10≤y≤1max{0,z−y}≤x≤1−y 如需去掉max,还需要分0≤y≤z和z≤y≤1两种情况讨论,故需要分为2个区域:(73)D:{0≤z≤10≤y≤zz−y≤x≤1−y∪{0≤z≤1z≤y≤10≤x≤1−y ◻

7.2.6 补充:三维空间中的重积分计算

二重积分:画线法

Oxyy2y1yx1(x2(DOxyD1x1x2xD2y1(y2(y3(y4(y1≤x1(x1y1(y3(x1∪yyxxxxy≤xx≤)))))))))y ≤x ≤ ≤x ≤ ≤ ≤xyyyxx2≤2≤≤2 xyy224(((yxx)))

图 7.2.1: 二重积分的画线法

二重积分的积分区域可以很方便地画出来,此时可借助画线法来确定积分限。如图 7.2.1(左)所示,我们可以

同理,我们也可以

有时,画的线与区域的交线并不是连续的,则积分区域需要分块,如图 7.2.1(右)所示。此时D1的积分限为x∈[x1,x2],y∈[y1(x),y2(x)],D2的积分限为x∈[x1,x2],y∈[y3(x),y4(x)]。

OxyDOxyD𝜃1≤ρ1(ρ1≤𝜃1(𝜃ρ1(ρ2(𝜃1𝜃2ρ1ρ2𝜃1(ρ𝜃2(𝜃ρ𝜃𝜃ρρ𝜃)))))) ≤ρ ≤≤ ≤ρ𝜃𝜃ρ2≤2≤ ρ𝜃22((ρ𝜃))

图 7.2.2: 二重积分的极坐标画线法

除了对x,y的画线法以外,我们还可以利用极坐标来确定积分限。如图 7.2.2 所示,我们可以

或者

三重积分:先一后二投影法

PIC

图 7.2.3: 三重积分的先一后二投影法

与二重积分类似,三重积分也可以借助划线法来确定积分限;如图 7.2.3 所示。

其他坐标平面也是类似的。

三重积分:先二后一截面法

PIC

图 7.2.4: 三重积分的先二后一截面法

除了先一后二投影法以外,我们还可以利用先二后一截面法来确定积分限;如图 7.2.4 所示。

三重积分:柱坐标系、球坐标系

PIC

图 7.2.5: 三重积分在柱坐标系下的截面法

除了在直角坐标系中积分以外,三重积分也可以在柱坐标系、球坐标系中进行。以图 7.2.5 为例,我们可以

其他情况也是类似的。

总结

尽管利用解不等式组来确定积分限的方法适用于任意空间,但在三维空间中,我们仍然可以通过画图来直观地理解积分区域的形状,从而更好地确定积分限。

1本题实为多重瑕积分。