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在线课堂: 重积分计算的一般思路与三重积分计算常用方法适用题型与典型例题分析

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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

其中 前 由 , , , 围成.

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