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二重积分怎么求

原创2025-06-20 23:52:25

二重积分的计算可以通过多种方法,主要思路是将二重积分转化为累次积分,即先对一个变量积分,再对另一个变量积分。以下是一些常用的计算方法和步骤:

确定积分区域

首先明确积分的平面区域,通常可以用一个闭合区域表示,如矩形、三角形、梯形等。

选择积分顺序

根据具体情况选择积分的顺序,可以是先对x积分再对y积分(先x后y),也可以是先对y积分再对x积分(先y后x)。

设定积分限

根据积分区域的几何特征确定积分的上下限。例如,若先对x积分,则上限为区域在x轴上的最大值,下限为最小值;若先对y积分,则上限为区域在y轴上的最大值,下限为最小值。

利用对称性和奇偶性

如果积分区域或函数具有对称性,可以利用对称性简化计算。例如,若区域关于x轴对称,且被积函数为偶函数,则可以只计算一半区域的积分并乘以2。

变量替换

通过变量替换(如极坐标替换)可以将二重积分转化为更容易计算的形式。例如,当被积函数出现$x^2 + y^2$时,使用极坐标可以简化计算。

几何意义化简

有时可以通过几何直观来简化积分计算,例如将曲面或体积问题转化为平面区域的问题。

分域法

对于复杂的积分区域,可以将区域分成若干子区域分别进行积分,然后再将结果相加。

交换积分次序

根据积分区域的特点,可以交换积分的次序,这可能会使计算变得更简单。

示例

以计算二重积分 $\iint_D x^2 y \, d\sigma$ 为例,其中 $D$ 是由曲线 $y = -x^2 + 1$ 与x轴围成的图形。

确定积分区域

积分区域 $D$ 是由 $y = -x^2 + 1$ 和 $x$ 轴围成的区域,即 $0 \leq y \leq -x^2 + 1$,$-1 \leq x \leq 1$。

选择积分顺序

先对 $y$ 积分,再对 $x$ 积分。

设定积分限

对 $y$ 积分的上下限为 $0$ 到 $-x^2 + 1$。

对 $x$ 积分的上下限为 $-1$ 到 $1$。

计算二次积分

$$

\iint_D x^2 y \, d\sigma = \int_{-1}^{1} \left( \int_{0}^{-x^2 + 1} x^2 y \, dy \right) dx

$$

计算内层积分

$$

\int_{0}^{-x^2 + 1} x^2 y \, dy = x^2 \int_{0}^{-x^2 + 1} y \, dy = x^2 \left[ \frac{y^2}{2} \right]_{0}^{-x^2 + 1} = x^2 \left( \frac{(-x^2 + 1)^2}{2} - 0 \right) = x^2 \left( \frac{x^4 - 2x^2 + 1}{2} \right) = \frac{x^4 - 2x^2 + 1}{2} x^2

$$

计算外层积分

$$

\int_{-1}^{1} \frac{x^4 - 2x^2 + 1}{2} x^2 \, dx = \frac{1}{2} \int_{-1}^{1} (x^6 - 2x^4 + x^2) \, dx = \frac{1}{2} \left[ \frac{x^7}{7} - \frac{2x^5}{5} + \frac{x^3}{3} \right]_{-1}^{1} = \frac{1}{2} \left( \left( \frac{1}{7} - \frac{2}{5} + \frac{1}{3} \right) - \left( -\frac{1}{7} + \frac{2}{5} - \frac{1}{3

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