多元积分的几何应用

平面图形的面积

用二重积分计算面积

平面面积

平面区域 DD 的面积可以用二重积分表示:

S=∬D1 dσ=∬Ddx dyS = \iint_D 1 \, d\sigma = \iint_D dx\,dy

这是二重积分最直接的应用——被积函数为1时,积分值就是区域的面积。

在极坐标下,面积元素为 ρ dρ dθ\rho \, d\rho \, d\theta:

S=∬Dρ dρ dθS = \iint_D \rho \, d\rho \, d\theta

用曲线积分计算面积(格林公式)

由格林公式,取 P=−y, Q=xP = -y, \, Q = x,得:

S=12∮Lx dy−y dxS = \frac{1}{2}\oint_L x \, dy - y \, dx

其中 LL 是区域 DD 的正向边界曲线。

空间立体的体积

用二重积分计算体积(曲顶柱体)

曲顶柱体体积

以平面区域 DD 为底、曲面 z=f(x,y)≥0z = f(x,y) \geq 0 为顶的曲顶柱体体积:

V=∬Df(x,y) dx dyV = \iint_D f(x,y) \, dx\,dy

更一般地,由上曲面 z=f2(x,y)z = f_2(x,y) 和下曲面 z=f1(x,y)z = f_1(x,y) 围成的立体体积:

V=∬D[f2(x,y)−f1(x,y)] dx dyV = \iint_D [f_2(x,y) - f_1(x,y)] \, dx\,dy

用三重积分计算体积

三重积分求体积

空间区域 Ω\Omega 的体积:

V=∭Ω1 dv=∭Ωdx dy dzV = \iiint_\Omega 1 \, dv = \iiint_\Omega dx\,dy\,dz

在柱坐标下,体积元素为 ρ dρ dθ dz\rho \, d\rho \, d\theta \, dz;在球坐标下,体积元素为 r2sin⁡ϕ dr dϕ dθr^2 \sin\phi \, dr \, d\phi \, d\theta。

用截面法计算体积(先二后一)

如果立体在 zz 处的截面面积为 S(z)S(z),则:

V=∫abS(z) dzV = \int_a^b S(z) \, dz

这是三重积分”先二后一”法的直接应用。

旋转体体积

平面区域 D:a≤x≤b, 0≤y≤f(x)D: a \leq x \leq b, \, 0 \leq y \leq f(x) 绕 xx 轴旋转一周的体积:

V=π∫ab[f(x)]2 dxV = \pi \int_a^b [f(x)]^2 \, dx

也可以用二重积分或柱坐标计算。

曲面的面积

显函数曲面的面积

曲面面积公式

设曲面 Σ\Sigma 由方程 z=f(x,y)z = f(x,y) 给出,DxyD_{xy} 是 Σ\Sigma 在 xOyxOy 平面上的投影区域,f(x,y)f(x,y) 在 DxyD_{xy} 上具有一阶连续偏导数,则曲面 Σ\Sigma 的面积为:

A=∬Dxy1+(∂z∂x)2+(∂z∂y)2 dx dyA = \iint_{D_{xy}} \sqrt{1 + \left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial z}{\partial y}\right)^2} \, dx\,dy

类似地,对于 x=x(y,z)x = x(y,z) 和 y=y(x,z)y = y(x,z) 形式的曲面,有对应的面积公式。

参数曲面的面积

设曲面由参数方程 x=x(u,v), y=y(u,v), z=z(u,v)x = x(u,v), \, y = y(u,v), \, z = z(u,v) 给出,(u,v)∈D(u,v) \in D,则:

A=∬DEG−F2 du dvA = \iint_D \sqrt{EG - F^2} \, du\,dv

其中 E,F,GE, F, G 是第一基本形式系数。

第一类曲面积分求面积

曲面面积也可以表示为第一类曲面积分:

A=∬Σ1 dSA = \iint_\Sigma 1 \, dS

典型例题

例题1:求两曲面围成的体积

求由曲面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 和 z=2−x2−y2z = 2 - x^2 - y^2 所围立体的体积。

参考答案
体积二重积分旋转抛物面极坐标

解题思路: 两曲面的交线在 x2+y2=1x^2+y^2=1 处。上曲面 z=2−x2−y2z=2-x^2-y^2,下曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2。

详细步骤:

  1. 交线:x2+y2=2−x2−y2⇒x2+y2=1x^2+y^2 = 2-x^2-y^2 \Rightarrow x^2+y^2 = 1,投影区域 D:x2+y2≤1D: x^2+y^2 \leq 1
  2. V=∬D[(2−x2−y2)−(x2+y2)]dx dy=∬D(2−2x2−2y2)dx dyV = \iint_D [(2-x^2-y^2) - (x^2+y^2)] dx\,dy = \iint_D (2-2x^2-2y^2) dx\,dy
  3. 极坐标:=2∫02πdθ∫01(1−ρ2)ρ dρ=4π∫01(ρ−ρ3)dρ=4π(12−14)=π= 2\int_0^{2\pi} d\theta \int_0^1 (1-\rho^2)\rho \, d\rho = 4\pi \int_0^1 (\rho-\rho^3) d\rho = 4\pi(\frac{1}{2}-\frac{1}{4}) = \pi

答案:π\pi

例题2:求曲面面积

求球面 x2+y2+z2=a2x^2+y^2+z^2 = a^2 被柱面 x2+y2=axx^2+y^2 = ax 所截下部分(维维安尼立体的顶面)的面积。

参考答案
曲面面积球面柱面极坐标

解题思路: 上半球面 z=a2−x2−y2z = \sqrt{a^2-x^2-y^2},投影区域为圆 x2+y2≤axx^2+y^2 \leq ax。

详细步骤:

  1. 上半球面 z=a2−x2−y2z = \sqrt{a^2-x^2-y^2}
  2. ∂z∂x=−xa2−x2−y2, ∂z∂y=−ya2−x2−y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{-x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}, \, \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{-y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}
  3. dS=1+x2+y2a2−x2−y2 dx dy=aa2−x2−y2 dx dydS = \sqrt{1 + \frac{x^2+y^2}{a^2-x^2-y^2}} \, dx\,dy = \frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}} \, dx\,dy
  4. 投影区域 D:x2+y2≤axD: x^2+y^2 \leq ax,极坐标下 0≤ρ≤acos⁡θ, −π2≤θ≤π20 \leq \rho \leq a\cos\theta, \, -\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}
  5. 上半部分面积: A1=∬Daa2−ρ2⋅ρ dρ dθ=a∫−π/2π/2dθ∫0acos⁡θρa2−ρ2dρA_1 = \iint_D \frac{a}{\sqrt{a^2-\rho^2}} \cdot \rho \, d\rho \, d\theta = a\int_{-\pi/2}^{\pi/2} d\theta \int_0^{a\cos\theta} \frac{\rho}{\sqrt{a^2-\rho^2}} d\rho =a∫−π/2π/2[−a2−ρ2]0acos⁡θdθ=a∫−π/2π/2(a−a∣sin⁡θ∣)dθ= a\int_{-\pi/2}^{\pi/2} [-\sqrt{a^2-\rho^2}]_0^{a\cos\theta} d\theta = a\int_{-\pi/2}^{\pi/2} (a - a|\sin\theta|) d\theta =a2∫−π/2π/2(1−∣sin⁡θ∣)dθ=2a2∫0π/2(1−sin⁡θ)dθ=2a2[θ+cos⁡θ]0π/2=2a2(π2−1)=a2(π−2)= a^2\int_{-\pi/2}^{\pi/2} (1-|\sin\theta|) d\theta = 2a^2\int_0^{\pi/2} (1-\sin\theta) d\theta = 2a^2[\theta + \cos\theta]_0^{\pi/2} = 2a^2(\frac{\pi}{2} - 1) = a^2(\pi - 2)
  6. 上下两部分总面积:A=2A1=2a2(π−2)A = 2A_1 = 2a^2(\pi - 2)

答案:2a2(π−2)2a^2(\pi - 2)

例题3:用截面法求体积

求椭球体 x2a2+y2b2+z2c2≤1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} + \frac{z^2}{c^2} \leq 1 的体积。

参考答案
体积椭球截面法先二后一

解题思路: 用垂直于 zz 轴的平面截椭球,截面为椭圆,面积易求。

详细步骤:

  1. 当 −c≤z≤c-c \leq z \leq c 时,截面为椭圆 x2a2(1−z2/c2)+y2b2(1−z2/c2)≤1\frac{x^2}{a^2(1-z^2/c^2)} + \frac{y^2}{b^2(1-z^2/c^2)} \leq 1
  2. 截面椭圆的半轴:a1−z2/c2a\sqrt{1-z^2/c^2} 和 b1−z2/c2b\sqrt{1-z^2/c^2}
  3. 截面面积:S(z)=πab(1−z2c2)S(z) = \pi ab(1 - \frac{z^2}{c^2})
  4. V=∫−ccS(z)dz=∫−ccπab(1−z2c2)dz=2πab∫0c(1−z2c2)dz=2πab[z−z33c2]0c=2πab(c−c3)=2πab⋅2c3=43πabcV = \int_{-c}^c S(z) dz = \int_{-c}^c \pi ab(1 - \frac{z^2}{c^2}) dz = 2\pi ab \int_0^c (1 - \frac{z^2}{c^2}) dz = 2\pi ab[z - \frac{z^3}{3c^2}]_0^c = 2\pi ab(c - \frac{c}{3}) = 2\pi ab \cdot \frac{2c}{3} = \frac{4}{3}\pi abc

答案:43πabc\frac{4}{3}\pi abc

(当 a=b=c=Ra=b=c=R 时,退化为球体积公式 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3。)


练习题

练习1

求由抛物线 y=x2y = x^2 和直线 y=xy = x 围成的平面图形的面积。

参考答案
平面面积二重积分抛物线

解题思路: 用二重积分或定积分计算。

详细步骤:

  1. 交点:x2=x⇒x=0x^2 = x \Rightarrow x=0 或 x=1x=1
  2. 区域 D:0≤x≤1, x2≤y≤xD: 0 \leq x \leq 1, \, x^2 \leq y \leq x
  3. S=∬Ddx dy=∫01dx∫x2xdy=∫01(x−x2)dx=[x22−x33]01=12−13=16S = \iint_D dx\,dy = \int_0^1 dx \int_{x^2}^x dy = \int_0^1 (x - x^2) dx = [\frac{x^2}{2} - \frac{x^3}{3}]_0^1 = \frac{1}{2} - \frac{1}{3} = \frac{1}{6}

答案:16\frac{1}{6}

练习2

求圆锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 被平面 z=1z = 1 截下部分的曲面面积。

参考答案
曲面面积锥面极坐标

解题思路: 锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2},投影区域为圆 x2+y2≤1x^2+y^2 \leq 1。

详细步骤:

  1. ∂z∂x=xx2+y2, ∂z∂y=yx2+y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}, \, \frac{\partial z}{\partial y} = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}
  2. dS=1+x2+y2x2+y2 dx dy=2 dx dydS = \sqrt{1 + \frac{x^2+y^2}{x^2+y^2}} \, dx\,dy = \sqrt{2} \, dx\,dy
  3. 投影区域 D:x2+y2≤1D: x^2+y^2 \leq 1,面积 π\pi
  4. A=∬D2 dx dy=2πA = \iint_D \sqrt{2} \, dx\,dy = \sqrt{2} \pi

答案:2π\sqrt{2}\pi


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
SS面积area平面区域或曲面的面积
VV体积volume空间立体的体积
AA曲面面积surface area曲面的面积
DD平面区域planar region积分的平面区域
Ω\Omega空间区域spatial domain积分的空间区域
S(z)S(z)截面面积cross-section area垂直于 z 轴的截面面积
dSdS曲面面积元素surface area element曲面的面积微元

中英对照

中文术语英文术语音标说明
平面面积plane area/pleɪn ˈɛəriə/平面图形的面积
立体体积solid volume/ˈsɒlɪd ˈvɒljuːm/空间立体的体积
曲面面积surface area/ˈsɜːrfɪs ˈɛəriə/空间曲面的面积
曲顶柱体cylinder with curved top/ˈsɪləndər wɪð kɜːrvd tɒp/顶面为曲面的柱体
旋转体solid of revolution/ˈsɒlɪd əv ˌrɛvəˈluːʃən/平面图形绕轴旋转而成的立体
截面法slicing method/ˈslaɪsɪŋ ˈmɛθəd/用截面面积积分求体积
维维安尼立体Viviani’s solid/vɪˈviːəni z ˈsɒlɪd/球面与柱面围成的立体
椭球ellipsoid/ɪˈlɪpsɔɪd/椭球面围成的立体

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