一元函数的定积分其积分范围是数轴上的闭区间,将一元函数的定积分推广到二元函数和三元函数的情形时,由于函数的定义域分别变成了平面区域和空间区域.因此,二元函数和三元函数的积分必然是分别在平面区域和空间区域上.这两种函数的积分就是本章将要讨论的二重积分与三重积分.
12.1 二重积分的概念与性质
12.1.1 二重积分的概念
我们用计算曲顶柱体的体积和平面薄片的质量两个实例来引进二重积分的概念.
例12.1.1 曲顶柱体的体积
设
分析:我们容易看出,它与求曲边梯形面积问题是类似的.可以用与定积分类似的方法(即分割,近似代替,求和,取极限的方法)来解决.
(1) 分割:将区域
域
称为
n个小曲顶柱体.
(2) 近似代替:对
(3) 求和:n个平顶小柱体之和近似地等于该曲顶柱体体积
. (4) 取极限:用
例12.1.2 平面薄板的质量
设薄板在
解 (1) 分割:用曲线网将区域
(2) 近似代替:对
(3) 求和:将所有小薄板的质量加起来,就是薄板的质量:
(4) 取极限:用
(如果上式右端极限存在,则上式成立).
从上两个具体例子可以看出,虽然它们的具体意义完全不同,但最后它们都归结为求一个和式的极限;因而,我们抽象出二重积分的定义:
定义12.1.1 设
记
把这些乘积加起来,得和式:
如果存在常数
则称函数
定义12.1.1中,(*)式等价于“
从定义12.1.1,我们自然要问:是否所有定义在有界闭区域的二元函都存在二重积分?这个问题的答案显然是否定的,因为我们能找到二元函数
这函数在闭区域
定理12.1.1 若函数
定理12.1.2 若函数
由定理12.1.1可知,例12.1.1与例12.1.2中函数
而平面薄板的质量:
12.1.2 二重积分的性质
二重积分的性质与定积分的性质类似,其证明方法相同.因此,除二重积分中值定理的证明外,其余性质都只叙述不证明.下面定理中的区域都是有界闭区域.
定理12.1.3 若
其中
定理12.1.4 若
定理12.1.5 若函数
定理12.1.6 若函数
定理12.1.7 若函数
则
定理12.1.8 若函数
定理12.1.9(中值定理) 若函数
其中:
证明:因为
根据定理12.1.6,定理12.1.3与定理12.1.2,有
其中:
再由闭区域
即
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