相关知识点
本文涉及的重积分计算方法与相关性质包括:
先一后二的“投影法”
先二后一的“截面法”
柱坐标方法
球坐标方法
形心计算公式
换元法
偶倍奇零计算性质
部分轮换对称性
重积分计算的一般步骤:
第一步:画图,绘制边界曲线或边界曲面图形;
第二步:考察图形的对称性与被积函数的奇偶性,注意应用积分的线性运算性质与积分对积分区域的可加性,通过拆分被积函数,或分割积分区域来应用偶倍奇零的计算性质,或者轮换对称性简化,转换最终需要计算的积分模型;
第三步:确定坐标系与区域类型,根据选择的坐标系转换方程描述,将边界方程转换为选择的坐标系的坐标变量方程;
第四步:根据选择的坐标系、区域的图形特征、被积函数的结构特点,选择合适的方法构建累次积分表达式,由于累次积分的构建只适用于简单类型的区域,在计算过程中可能还会基于积分对积分区域的可加性,将积分分为几个子区域上的积分来计算. 该步骤又可分为五步:画图定域型(最终需要计算的积分的区域图形,如果没有讨论第二步,则直接就是原积分区域,确定类型后,将积分区域边界描述为型变量的函数表达式);投影(扫描)得型限(如果是三重积分,对投影区域需要重复一次这里的步骤);画线定余限;余限先积分,最后积分型变.
第五步:计算累次积分,得到积分结果。
【注1】如果问题不是在直角坐标系中给出的,要讨论第二步,需要将问题转化到直角坐标系中来讨论。当然,第二步不是必须的,可以跳过直接进入第三步。如果发现后面步骤不能有效完成,则可以回过来重新讨论第二步。
【注2】注意被积函数为单变量1次项,积分区域为规则的几何形状时,可以借助物体的形心的计算公式,即密度均匀的物体的质心的计算公式来直接得到积分值. 如
视频解析
例题及参考解答
【注】没显示完整的公式请在公式上滑动显示!
例:计算被积函数 ,积分区域 由 , 所围成的三重积分值 .
【参考解答】:【法一】:先一后二的“投影法”
【法二】:先二后一的“截面法”
【法三】:柱坐标方法
令 , , ,则曲面的柱坐标方程为
所以
【法四】:球坐标方法
令 , , ,则曲面的球坐标方程为
球坐标变量范围为
所以
【法五】:质心公式法
积分区域为一个倒立的,底面半径为 ,高为 的圆锥体,并且中心轴在 轴上,所以它的形心坐标为 ,由圆锥体的体积计算公式,可得 ,所以
【法六】:换元法
定积分、重积分,具有统一的换元公式,即
其中 为一一映射:
其中 .
比如令 , , ,则 ,(把圆锥倒过来)则积分为
【法七】:应用对称性转换积分模型
积分区域关于 面对称,被积函数关于 变量,关于 变量都为偶函数,所以
积分区域 , 都关于 变量具有轮换对称性,而被积函数也关于两个变量具有轮换对称性,所以
前
其中 前 由 , , , 围成.
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