一些定积分的几何意义及计算

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一些定积分的几何意义及计算

定积分#

一重积分#

∫abf(x)dx\int_{a}^{b}f(x)dx
几何意义:曲线 f(x)f(x) 与 xx 轴围成的曲边梯形的有向面积
物理意义:以 f(x)f(x) 为线密度函数的曲线在 [a,b][a,b] 上的质量

计算时可使用牛顿-莱布尼茨公式
∫abf(x)dx=F(b)−F(a)\int_{a}^{b}f(x)dx=F(b)-F(a)
其中 F(x)F(x) 为 f(x)f(x) 的原函数,即 F′(x)=f(x)F'(x)=f(x)

二重积分#

∬Df(x,y)dσ\iint_{D}f(x,y)d\sigma
几何意义:曲面 f(x,y)f(x,y) 与 xyxy 平面围成的柱体的有向面积
物理意义:

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

计算时可在平面直角坐标系中画出 DD ,确定 xx 和 yy 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
∬Df(x,y)dσ=∫ab∫ϕ(x)ψ(x)f(x,y)dydx\iint_{D}f(x,y)d\sigma=\int_{a}^{b}\int_{\phi(x)}^{\psi(x)}f(x,y)dydx
或
∬Df(x,y)dσ=∫ab∫ϕ(y)ψ(y)f(x,y)dxdy\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)→(rcos⁡θ,rsin⁡θ)(x,y)\to (r\cos\theta,r\sin\theta) (注意此时 dxdy→rdrdθdxdy\to \boldsymbol{r}drd\theta ),在平面极坐标系中画出 DD ,确定 rr 和 θ\theta 的范围,于是有
∬Df(x,y)dσ=∬Dg(r,θ)dσ=∫ab∫ϕ(θ)ψ(θ)g(r,θ)rdrdθ\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#

∭Ωf(x,y,z)\iiint_{\Omega}f(x,y,z)
几何意义:曲体 f(x,y,z)f(x,y,z) 与 xyzxyz 三维体围成的四维体的“体积”
物理意义:以 f(x,y,z)f(x,y,z) 为体密度函数的物体在 Ω\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)#

∫Lf(x,y)ds\int_{L}f(x,y)ds
根据几何关系,有
ds=(dx)2+(dy)2ds=\sqrt{(dx)^2+(dy)^2}
对于一般的曲线,由参数方程 x=ϕ(t),y=ψ(t)x=\phi(t),y=\psi(t) 给出(其中 t∈[a,b]t \in [a,b] ),则有
ds=(ϕ′(t)dt)2+(ψ′(t)dt)2=(ϕ′(t))2+(ψ′(t))2 dtds=\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
∫Lf(x,y)ds=∫abf(ϕ(t),ψ(t))(ϕ′(t))2+(ψ′(t))2 dt\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)y=y(x) 给出的曲线(其中 x∈[a,b]x \in [a,b] ),则有
ds=(dx)2+(dy)2=1+(dydx)2 dx=1+(y′(x))2 dxds=\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
∫Lf(x,y)ds=∫abf(x,y(x))1+(y′(x))2 dx\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)=1f(x,y)=1 ,则得到弧长公式
l=∫Ldx=∫ab1+(y′(x))2 dxl=\int_{L}dx=\int_{a}^{b}\sqrt{1+(y'(x))^2}\space dx

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一些定积分的几何意义及计算
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作者
真-大沙子
发布于
2024-03-31
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CC BY-NC-SA 4.0

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