沙子
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发布于 2024-03-31 / 2 阅读
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一些定积分的几何意义及计算

定积分

一重积分

\int_{a}^{b}f(x)dx

几何意义:曲线 ​f(x)​x 轴围成的曲边梯形的有向面积
物理意义:以 ​f(x) 为线密度函数的曲线在 ​[a,b] 上的质量

计算时可使用牛顿-莱布尼茨公式

\int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a)

其中 ​F(x)​f(x) 的原函数,即 ​F'(x)=f(x)

二重积分

\iint_{D}f(x,y)d\sigma

几何意义:曲面 ​f(x,y)​xy 平面围成的柱体的有向面积
物理意义:

  • ​f(x,y) 为面密度函数的平面在区域 ​D 上的质量
  • ​f(x,y) 为压强函数的平面在区域 ​D 上受到的压力

计算时可在平面直角坐标系中画出 ​D ,确定 ​x​y 的范围(根据实际情况选定一个量表示另一个量的范围),将二重积分化为两个嵌套的一重积分,即

\iint_{D}f(x,y)d\sigma=\int_{a}^{b}\int_{\phi(x)}^{\psi(x)}f(x,y)dydx

\iint_{D}f(x,y)d\sigma=\int_{a}^{b}\int_{\phi(y)}^{\psi(y)}f(x,y)dxdy

然后从内向外依次求解

也可以化为极坐标形式进行计算,即换元 ​(x,y)\to (r\cos\theta,r\sin\theta) (注意此时 ​dxdy\to \boldsymbol{r}drd\theta ),在平面极坐标系中画出 ​D ,确定 ​r​\theta 的范围,于是有

\iint_{D}f(x,y)d\sigma=\iint_{D}g(r,\theta)d\sigma=\int_{a}^{b}\int_{\phi(\theta)}^{\psi(\theta)}g(r,\theta)rdrd\theta

三重积分

\iiint_{\Omega}f(x,y,z)

几何意义:曲体 ​f(x,y,z)​xyz 三维体围成的四维体的“体积”
物理意义:以 ​f(x,y,z) 为体密度函数的物体在 ​\Omega 上的质量

计算方法可以类比二重积分,这里不再赘述(其实是因为我不会:-)

曲线积分

第一类曲线积分(对弧长)

\int_{L}f(x,y)ds

根据几何关系,有

ds=\sqrt{(dx)^2+(dy)^2}

对于一般的曲线,由参数方程 ​x=\phi(t),y=\psi(t) 给出(其中 ​t \in [a,b] ),则有

ds=\sqrt{(\phi'(t)dt)^2+(\psi'(t)dt)^2}=\sqrt{(\phi'(t))^2+(\psi'(t))^2}\space dt

于是可化为一般的定积分

\int_{L}f(x,y)ds=\int_{a}^{b}f(\phi(t),\psi(t))\sqrt{(\phi'(t))^2+(\psi'(t))^2}\space dt

对于由函数 ​y=y(x) 给出的曲线(其中 ​x \in [a,b] ),则有

ds=\sqrt{(dx)^2+(dy)^2}=\sqrt{1+(\frac{dy}{dx})^2}\space dx=\sqrt{1+(y'(x))^2}\space dx

也可化为一般的定积分

\int_{L}f(x,y)ds=\int_{a}^{b}f(x,y(x))\sqrt{1+(y'(x))^2}\space dx

特别地,若令 ​f(x,y)=1 ,则得到弧长公式

l=\int_{L}dx=\int_{a}^{b}\sqrt{1+(y'(x))^2}\space dx

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