二重积分的应用

几何应用

1. 平面图形的面积

平面面积

平面区域 DD 的面积: S=D1dσ=DdxdyS = \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。

2. 立体的体积(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)dxdyV = \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)]dxdyV = \iint_D [f_2(x,y) - f_1(x,y)] \, dx\,dy

3. 曲面的面积

定理1

设曲面 SS 由方程 z=f(x,y)z = f(x,y) 给出,DDSSxOyxOy 平面上的投影区域,f(x,y)f(x,y)DD 上具有一阶连续偏导数,则曲面 SS 的面积为:

A=D1+(zx)2+(zy)2dxdyA = \iint_D \sqrt{1 + \left(\frac{\partial z}{\partial x}\right)^2 + \left(\frac{\partial z}{\partial y}\right)^2} \, dx\,dy

几何解释
推论
证明
符号说明

物理应用

1. 平面薄片的质量

质量

设平面薄片占有区域 DD,面密度为 ρ(x,y)\rho(x,y),则薄片的质量为: M=Dρ(x,y)dxdyM = \iint_D \rho(x,y) \, dx\,dy

2. 质心(重心)

定理2

平面薄片的质心坐标 (xˉ,yˉ)(\bar{x}, \bar{y})

xˉ=1MDxρ(x,y)dxdy,yˉ=1MDyρ(x,y)dxdy\bar{x} = \frac{1}{M}\iint_D x\rho(x,y) \, dx\,dy, \quad \bar{y} = \frac{1}{M}\iint_D y\rho(x,y) \, dx\,dy

其中 M=Dρ(x,y)dxdyM = \iint_D \rho(x,y) \, dx\,dy 是总质量。

若薄片均匀(ρ\rho 为常数),则质心称为形心xˉ=1SDxdxdy,yˉ=1SDydxdy\bar{x} = \frac{1}{S}\iint_D x \, dx\,dy, \quad \bar{y} = \frac{1}{S}\iint_D y \, dx\,dy 其中 SS 是区域 DD 的面积。

几何解释
推论
证明
符号说明

3. 转动惯量

定理3

平面薄片关于各轴的转动惯量:

  • 关于 xx 轴:Ix=Dy2ρ(x,y)dxdyI_x = \iint_D y^2 \rho(x,y) \, dx\,dy
  • 关于 yy 轴:Iy=Dx2ρ(x,y)dxdyI_y = \iint_D x^2 \rho(x,y) \, dx\,dy
  • 关于原点(极轴):IO=D(x2+y2)ρ(x,y)dxdy=Ix+IyI_O = \iint_D (x^2 + y^2) \rho(x,y) \, dx\,dy = I_x + I_y
几何解释
推论
证明
符号说明

4. 引力

平面薄片对位于点 (x0,y0)(x_0, y_0) 处质量为 mm 的质点的引力 F=(Fx,Fy)\vec{F} = (F_x, F_y)

Fx=GmDρ(x,y)(xx0)[(xx0)2+(yy0)2]3/2dxdyF_x = Gm\iint_D \frac{\rho(x,y)(x-x_0)}{[(x-x_0)^2 + (y-y_0)^2]^{3/2}} \, dx\,dy Fy=GmDρ(x,y)(yy0)[(xx0)2+(yy0)2]3/2dxdyF_y = Gm\iint_D \frac{\rho(x,y)(y-y_0)}{[(x-x_0)^2 + (y-y_0)^2]^{3/2}} \, dx\,dy

其中 GG 为引力常数。

典型例题

例题1: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(5 个标签)
二重积分曲面面积球面柱面极坐标

解题思路: 先求上半球面 z=a2x2y2z = \sqrt{a^2-x^2-y^2} 的偏导数,再用曲面面积公式。投影区域是圆 x2+y2axx^2+y^2 \leq ax

详细步骤

  1. 上半球面:z=a2x2y2z = \sqrt{a^2-x^2-y^2}
  2. 偏导数:zx=xa2x2y2\frac{\partial z}{\partial x} = \frac{-x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}zy=ya2x2y2\frac{\partial z}{\partial y} = \frac{-y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}
  3. 1+zx2+zy2=1+x2+y2a2x2y2=aa2x2y2\sqrt{1+z_x^2+z_y^2} = \sqrt{1 + \frac{x^2+y^2}{a^2-x^2-y^2}} = \frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}
  4. 投影区域 D:x2+y2axD: x^2+y^2 \leq ax,极坐标下 0ρacosθ,π2θπ20 \leq \rho \leq a\cos\theta, \, -\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}
  5. 上半部分面积: A1=Daa2ρ2ρdρdθ=aπ/2π/2dθ0acosθρa2ρ2dρA_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
  6. 0acosθρa2ρ2dρ=[a2ρ2]0acosθ=aasinθ=a(1sinθ)\int_0^{a\cos\theta} \frac{\rho}{\sqrt{a^2-\rho^2}} d\rho = [-\sqrt{a^2-\rho^2}]_0^{a\cos\theta} = a - a|\sin\theta| = a(1-|\sin\theta|)
  7. A1=a2π/2π/2(1sinθ)dθ=2a20π/2(1sinθ)dθ=2a2[θ+cosθ]0π/2=2a2(π21)=a2(π2)A_1 = 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)
  8. 上下两部分总面积:A=2A1=2a2(π2)A = 2A_1 = 2a^2(\pi - 2)

答案2a2(π2)2a^2(\pi - 2)

例题2:求质心

求位于两圆 ρ=2sinθ\rho = 2\sin\thetaρ=4sinθ\rho = 4\sin\theta 之间的均匀薄片的质心。

参考答案(5 个标签)
二重积分质心形心极坐标环形区域

解题思路: 均匀薄片的质心即形心。区域关于y轴对称,故 xˉ=0\bar{x} = 0,只需计算 yˉ\bar{y}

详细步骤

  1. 两圆:ρ=2sinθ\rho = 2\sin\theta(圆心 (0,1)(0,1),半径1)和 ρ=4sinθ\rho = 4\sin\theta(圆心 (0,2)(0,2),半径2)
  2. 区域关于y轴对称 xˉ=0\Rightarrow \bar{x} = 0
  3. 面积:S=π22π12=3πS = \pi \cdot 2^2 - \pi \cdot 1^2 = 3\pi
  4. Dydxdy=0πdθ2sinθ4sinθρsinθρdρ=0πsinθ13[ρ3]2sinθ4sinθdθ\iint_D y \, dx\,dy = \int_0^\pi d\theta \int_{2\sin\theta}^{4\sin\theta} \rho\sin\theta \cdot \rho \, d\rho = \int_0^\pi \sin\theta \cdot \frac{1}{3}[\rho^3]_{2\sin\theta}^{4\sin\theta} d\theta =130πsinθ(64sin3θ8sin3θ)dθ=5630πsin4θdθ= \frac{1}{3}\int_0^\pi \sin\theta(64\sin^3\theta - 8\sin^3\theta) d\theta = \frac{56}{3}\int_0^\pi \sin^4\theta \, d\theta =11230π/2sin4θdθ=11233412π2=7π= \frac{112}{3}\int_0^{\pi/2} \sin^4\theta \, d\theta = \frac{112}{3} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} = 7\pi
  5. yˉ=7π3π=73\bar{y} = \frac{7\pi}{3\pi} = \frac{7}{3}

答案:质心为 (0,73)(0, \frac{7}{3})

例题3:求转动惯量

求半径为 aa 的均匀圆盘(面密度为常数 ρ\rho)关于其直径的转动惯量。

参考答案(4 个标签)
二重积分转动惯量圆盘极坐标

解题思路: 取直径为x轴,计算关于x轴的转动惯量 Ix=Dy2ρdσI_x = \iint_D y^2 \rho \, d\sigma

详细步骤

  1. 圆盘 D:x2+y2a2D: x^2+y^2 \leq a^2,极坐标 0ρa,0θ2π0 \leq \rho \leq a, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi
  2. Ix=ρDy2dσ=ρ02πdθ0a(ρsinθ)2ρdρI_x = \rho \iint_D y^2 \, d\sigma = \rho \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^a (\rho\sin\theta)^2 \cdot \rho \, d\rho =ρ02πsin2θdθ0aρ3dρ=ρπa44=14πρa4= \rho \int_0^{2\pi} \sin^2\theta \, d\theta \int_0^a \rho^3 \, d\rho = \rho \cdot \pi \cdot \frac{a^4}{4} = \frac{1}{4}\pi\rho a^4
  3. 总质量 M=ρπa2M = \rho \cdot \pi a^2,故 Ix=14Ma2I_x = \frac{1}{4}Ma^2

答案Ix=14Ma2I_x = \frac{1}{4}Ma^2(其中 MM 为圆盘总质量)


练习题

练习1

求由曲面 z=x2+y2z = x^2 + y^2z=2x2y2z = 2 - x^2 - y^2 所围立体的体积。

参考答案(4 个标签)
二重积分体积旋转抛物面极坐标

解题思路: 两曲面的交线在 x2+y2=1x^2+y^2=1 处。上曲面 z=2x2y2z=2-x^2-y^2,下曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2

详细步骤

  1. 交线:x2+y2=2x2y2x2+y2=1x^2+y^2 = 2-x^2-y^2 \Rightarrow x^2+y^2 = 1,投影区域 D:x2+y21D: x^2+y^2 \leq 1
  2. V=D[(2x2y2)(x2+y2)]dxdy=D(22x22y2)dxdyV = \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:=202πdθ01(1ρ2)ρdρ=4π01(ρρ3)dρ=4π(1214)=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

练习2

求均匀半圆薄片 D:x2+y2R2,y0D: x^2+y^2 \leq R^2, \, y \geq 0 的形心。

参考答案(5 个标签)
二重积分形心半圆极坐标对称性

解题思路: 区域关于y轴对称,xˉ=0\bar{x}=0。计算 yˉ\bar{y}

详细步骤

  1. 面积 S=12πR2S = \frac{1}{2}\pi R^2
  2. Dydxdy=0πdθ0Rρsinθρdρ=0πsinθdθ0Rρ2dρ=2R33=2R33\iint_D y \, dx\,dy = \int_0^\pi d\theta \int_0^R \rho\sin\theta \cdot \rho \, d\rho = \int_0^\pi \sin\theta \, d\theta \int_0^R \rho^2 \, d\rho = 2 \cdot \frac{R^3}{3} = \frac{2R^3}{3}
  3. yˉ=2R3/3πR2/2=4R3π\bar{y} = \frac{2R^3/3}{\pi R^2/2} = \frac{4R}{3\pi}

答案:形心为 (0,4R3π)(0, \frac{4R}{3\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
ρ(x,y)\rho(x,y)面密度surface density平面薄片在点(x,y)处的面密度
MM质量mass平面薄片的总质量
(xˉ,yˉ)(\bar{x}, \bar{y})质心坐标centroid coordinates质心的坐标
Ix,IyI_x, I_y转动惯量moment of inertia关于x轴/y轴的转动惯量
SS面积area平面区域的面积
VV体积volume立体的体积
AA曲面面积surface area曲面的面积

中英对照

中文术语英文术语音标说明
曲面面积surface area/ˈsɜːrfɪs ˈɛəriə/空间曲面的面积
面密度surface density/ˈsɜːrfɪs ˈdɛnsəti/单位面积的质量
质心center of mass/ˈsɛntər əv mæs/质量中心
形心centroid/ˈsɛntrɔɪd/均匀物体的质心,即几何中心
转动惯量moment of inertia/ˈmoʊmənt əv ɪˈnɜːrʃə/物体转动惯性的量度
引力gravitational force/ˌɡrævɪˈteɪʃənəl fɔːrs/物体间的万有引力
曲顶柱体cylinder with curved top/ˈsɪləndər wɪð kɜːrvd tɒp/顶面为曲面的柱体