2023年考研二重積分經典例題 經濟數學

2022-06-19 23:36:04 字數 3265 閱讀 2397

經典二重積分計算:

一、二重積分的概念與性質

1. 定義

設是定義在有界閉區域上的有界函式,如果對任意分割為個小區域,對小區域上任意取一點都有

存在,(其中又表示為小區域的面積,為小區域的直徑,而),則稱這個極限值為在區域上的二重積分,記以

這時就稱在上可積,如果在上是有限片上的連續函式,則在上是可積的。

2. 幾何意義

當為閉區域上的連續函式,且,則二重積分表示以曲面為頂,側面以的邊界曲線為準線,母線平行於軸的曲頂柱體的體積。

當封閉曲面它在平面上的投影區域為,上半曲面方程為,下半曲面方程為,則封閉曲面圍成空間區域的體積為

3. 基本性質

(1)(2)

(3)其中。除公共邊界外,與不重疊。

(4)若,則

(5)若,則

其中為區域的面積

(6)(7)積分中值定理,設在有界閉區域上連續,為的面積,則存在,使得

我們也把稱為在上的積分平均值。

4.對稱區域上奇偶函式的積分性質

定理1 設在有界閉區域上連續,若關於軸對稱,則

其中為在軸上半平面部分

定理2 設在有界閉區域上連續,若關於軸對稱,則

其中為在軸的右半平面部分

定理3 設在有界閉區域上連續,若關於原點對稱,則

其中為的上半平面部分或右半平面部分

定理4 設在有界閉區域上連續,若關於直線對稱,則

若分別為在的上方與下方部分,則

二、在直角座標系中化二重積分為累次積分以及交換積分順序問題

模型ⅰ:設有界閉區域

其中在上連續,在上連續

則模型ⅱ:設有界閉區域

其中在上連續,在上連續

則  二計算

1.(1),其中為所圍成的平面區域。

(2),其中為拋物線和直線所圍成的平面區域。

計算直角座標系的二重積分步驟是:

1)畫出區域的草圖,根據圖形的情況確定積分次序;

2)聯立方程求交點,按積分的順序確定積分上、下限;

3)代入公式計算積分值。

解:(1)區域如右圖所示。由區域的形狀,選擇先

積後積。

聯立方程,

解得交點為:

區域於是

(2)解法一:用直線將區域分為和

原式==+

0+解法二:化為先對後對的累次積分。這時可統一表示為

因此2.(1),其中為圓周和及直線所圍成的在第一象限的區域。

(2),其中為圓周所圍成的在區域。

解把二重積分中的變數從直角座標系變換為極座標系,只需把被積函式中的分別換成,面積元換成即可,積分次序一般為先後。

(1) 採用極座標系:積分區域如右圖所示。

={(於是

= (2)採用極座標系:積分區域如右圖所示,

圓周的極座標方程為,

則積分區域為

={(於是

==3. 計算,其中是由曲線所圍區域。

4.計算其中是以和為邊的平行四邊形區域。

5.計算其中是由擺線的第一拱和軸所圍區域。

令表示擺線的方程,則

令則,於是

原式6.計算

解原式7.計算

解原式令,則

於是原式

8.計算,其中由和軸所圍區域。

如果那麼先對求原函式就不行,故考慮另一種順序的累次積分

這時先對積分,當作常數處理就可以了。

原式9.計算其中由與軸圍成上半圓區域。

解在極座標系裡

10. 求

解一解二由積分區域對稱性和被積函式的奇偶性可知

原式11.交換的積分順序。

解原式其中由和所圍的區域,按另一積分順序把二重積分化累次積分

原式12.交換的積分順序。

解原式其中由和所圍的區域,按另一積分順序把二重積分化累次積分

原式13.交換的積分順序。

解原式其中由和所圍的區域

因此,原式

14.交換的積分順序

解原式其中由和以及所圍的區域。

由解出解出

因此按另一順序把二重積分化為累次積分對三塊

小區域得

原式15. ,由,所圍成;

解:法一。

法二16. ,;

解: 17. ,由曲線與所圍成;

解: 法二:關於軸對稱,函式即關於是偶函式。

故,其中

18. ,.

解: 19. ,由,和所圍成;

解:;20. ;

解:設,則

21. .

解:設,則

22.改變下列二次積分的積分次序.

(1);

解:設=

=(2)

解:設=

=23.如果二重積分的被積函式能分解為的函式與的函式的乘積,即,且積分區域為矩形區域:,證明二重積分等於兩個定積分的乘積,即

證明:.

24.把二重積分化為極座標系下的二次積分,其中積分區域分別為:

(1);

解:區域的極座標表示為:。故

=(2);

解:區域的極座標表示為:。故

=(3).

解:區域的極座標表示為: 。故

=25.計算下列二重積分

(1) ,其中是圓域在第一象限部分;

分析用極座標表示簡單,且被積函式為的函式,選擇極座標計算。

解:,則

(2) ,由曲線所圍成的閉區域;

分析:雖然積分區域是圓域,但這個圓域用極座標表示較為困難。故直接用極座標不方便。(採用換元法)

解:令則

,其中由曲線所圍成的閉區域。

法一:利用對稱性

法二:利用極座標

(3) ,其中是由圓周及直線所圍成的在第一象限內的閉區域.

解:,則

26.選擇適當的座標計算下列各題:

(1),其中是由直線及曲線所圍成的閉區域;

解:將寫成型區域,則

(2),由曲線以及直線圍成;

解:關於軸對稱,且被積函式關於是奇函式,故。

(注意:若寫成極座標為

)(3),為矩形區域:;

(提示考慮在定義域中新增輔助曲線,去除絕對值號)

解: 計算,令令故

27.設在上連續,證明:

(提示:利用積分的性質和題6的結論)

證明:其中是如圖的正方形區域, (最後乙個等式是根據定積分與積分記號無關)

故(注:的證明

設,同理: ,

故)28.設為上的連續函式,且,證明:

.(提示:利用定積分與積分變數的符號無關以及不等式)

證明:由有

其中,又

(根據定積分與積分記號無關)則

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