对称性与奇偶性在二重积分中的应用

基本思想

利用对称性和奇偶性可以避免复杂的积分计算,直接判断积分值为零或简化为半个区域上的积分。这是二重积分中最常用的技巧之一。

关于坐标轴的对称性

关于 xx 轴对称

定理1

设积分区域 DD 关于 xx 轴对称,D1D_1 是 DD 在 xx 轴上方的部分(y≥0y \geq 0)。

  • 若 f(x,−y)=−f(x,y)f(x, -y) = -f(x, y)(即 ff 关于 yy 是奇函数),则 ∬Df(x,y) dx dy=0\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 0

  • 若 f(x,−y)=f(x,y)f(x, -y) = f(x, y)(即 ff 关于 yy 是偶函数),则 ∬Df(x,y) dx dy=2∬D1f(x,y) dx dy\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 2\iint_{D_1} f(x,y) \, dx\,dy

关于 yy 轴对称

定理2

设积分区域 DD 关于 yy 轴对称,D1D_1 是 DD 在 yy 轴右方的部分(x≥0x \geq 0)。

  • 若 f(−x,y)=−f(x,y)f(-x, y) = -f(x, y)(即 ff 关于 xx 是奇函数),则 ∬Df(x,y) dx dy=0\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 0

  • 若 f(−x,y)=f(x,y)f(-x, y) = f(x, y)(即 ff 关于 xx 是偶函数),则 ∬Df(x,y) dx dy=2∬D1f(x,y) dx dy\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 2\iint_{D_1} f(x,y) \, dx\,dy

关于原点对称

定理3

设积分区域 DD 关于原点对称(即若 (x,y)∈D(x,y) \in D,则 (−x,−y)∈D(-x,-y) \in D),D1D_1 是 DD 的一半。

  • 若 f(−x,−y)=−f(x,y)f(-x, -y) = -f(x, y),则 ∬Df dσ=0\iint_D f \, d\sigma = 0
  • 若 f(−x,−y)=f(x,y)f(-x, -y) = f(x, y),则 ∬Df dσ=2∬D1f dσ\iint_D f \, d\sigma = 2\iint_{D_1} f \, d\sigma

轮换对称性

轮换对称性

若积分区域 DD 关于直线 y=xy = x 对称(即将 xx 和 yy 互换后区域不变),则称 DD 具有轮换对称性。此时:

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

特别地: ∬Df(x) dx dy=∬Df(y) dx dy\iint_D f(x) \, dx\,dy = \iint_D f(y) \, dx\,dy

因此: ∬D[f(x)+f(y)] dx dy=2∬Df(x) dx dy\iint_D [f(x) + f(y)] \, dx\,dy = 2\iint_D f(x) \, dx\,dy

常见对称区域

区域对称性
x2+y2≤R2x^2 + y^2 \leq R^2(圆)关于x轴、y轴、原点、y=x均对称
a≤x≤b, c≤y≤da \leq x \leq b, \, c \leq y \leq d(矩形)关于中心对称,关于x=a+b/2和y=c+d/2对称
x2+y2≤2axx^2 + y^2 \leq 2ax(偏心圆)关于x轴对称
x2+y2≤2ayx^2 + y^2 \leq 2ay(偏心圆)关于y轴对称
$x

典型例题

例题1:奇函数在对称区域上积分为零

计算 ∬D(x+y) dx dy\iint_D (x + y) \, dx\,dy,其中 D:x2+y2≤1D: x^2 + y^2 \leq 1。

参考答案
二重积分对称性奇偶性圆域

解题思路: 圆域关于x轴和y轴都对称。xx 关于 xx 是奇函数,yy 关于 yy 是奇函数。

详细步骤:

  1. DD 关于y轴对称,被积函数中的 xx 关于 xx 是奇函数 ⇒∬Dx dx dy=0\Rightarrow \iint_D x \, dx\,dy = 0
  2. DD 关于x轴对称,被积函数中的 yy 关于 yy 是奇函数 ⇒∬Dy dx dy=0\Rightarrow \iint_D y \, dx\,dy = 0
  3. 因此 ∬D(x+y) dx dy=0+0=0\iint_D (x+y) \, dx\,dy = 0 + 0 = 0

答案:00

例题2:偶函数减半区域

计算 ∬D∣xy∣ dx dy\iint_D |xy| \, dx\,dy,其中 D:x2+y2≤1D: x^2 + y^2 \leq 1。

参考答案
二重积分对称性偶函数绝对值圆域

解题思路: ∣xy∣|xy| 关于 xx 和 yy 都是偶函数,区域关于两坐标轴都对称,可以化为第一象限积分的4倍。

详细步骤:

  1. ∣xy∣|xy| 关于 xx 是偶函数(∣(−x)y∣=∣xy∣|(-x)y| = |xy|),关于 yy 也是偶函数
  2. 区域关于x轴和y轴对称,因此 ∬D∣xy∣ dx dy=4∬D1xy dx dy\iint_D |xy| \, dx\,dy = 4\iint_{D_1} xy \, dx\,dy 其中 D1D_1 是第一象限部分:x≥0,y≥0,x2+y2≤1x \geq 0, y \geq 0, x^2+y^2 \leq 1
  3. 用极坐标计算 D1D_1:0≤ρ≤1, 0≤θ≤π20 \leq \rho \leq 1, \, 0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} ∬D1xy dx dy=∫0π/2dθ∫01(ρcos⁡θ)(ρsin⁡θ)ρ dρ\iint_{D_1} xy \, dx\,dy = \int_0^{\pi/2} d\theta \int_0^1 (\rho\cos\theta)(\rho\sin\theta) \rho \, d\rho =∫0π/2cos⁡θsin⁡θ dθ∫01ρ3 dρ=[12sin⁡2θ]0π/2⋅14=12×14=18= \int_0^{\pi/2} \cos\theta\sin\theta \, d\theta \int_0^1 \rho^3 \, d\rho = \left[\frac{1}{2}\sin^2\theta\right]_0^{\pi/2} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{4} = \frac{1}{8}
  4. 原积分 =4×18=12= 4 \times \frac{1}{8} = \frac{1}{2}

答案:12\frac{1}{2}

例题3:轮换对称性

计算 ∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y) dx dy\iint_D \frac{a f(x) + b f(y)}{f(x) + f(y)} \, dx\,dy,其中 D:x2+y2≤R2D: x^2 + y^2 \leq R^2,ff 为正值连续函数。

参考答案
二重积分轮换对称性圆域抽象函数

解题思路: 圆域关于 y=xy=x 对称,具有轮换对称性。将 xx 和 yy 互换后积分值不变。

详细步骤:

  1. 设 I=∬Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y) dx dyI = \iint_D \frac{a f(x) + b f(y)}{f(x) + f(y)} \, dx\,dy
  2. 由轮换对称性,将 xx 和 yy 互换: I=∬Daf(y)+bf(x)f(y)+f(x) dx dyI = \iint_D \frac{a f(y) + b f(x)}{f(y) + f(x)} \, dx\,dy
  3. 将两式相加: 2I=∬D(a+b)[f(x)+f(y)]f(x)+f(y) dx dy=∬D(a+b) dx dy=(a+b)⋅πR22I = \iint_D \frac{(a+b)[f(x)+f(y)]}{f(x)+f(y)} \, dx\,dy = \iint_D (a+b) \, dx\,dy = (a+b) \cdot \pi R^2
  4. 因此 I=(a+b)πR22I = \frac{(a+b)\pi R^2}{2}

答案:(a+b)πR22\frac{(a+b)\pi R^2}{2}

例题4:部分对称(拆分被积函数)

计算 ∬D(x2+y) dx dy\iint_D (x^2 + y) \, dx\,dy,其中 DD 由 y=x2y = x^2 和 y=1y = 1 围成。

参考答案
二重积分对称性奇偶性抛物线区域

解题思路: 区域关于y轴对称。将被积函数拆分为 x2x^2(关于x的偶函数)和 yy(关于x的偶函数,因为 yy 不含 xx)。

详细步骤:

  1. 区域 DD:−1≤x≤1, x2≤y≤1-1 \leq x \leq 1, \, x^2 \leq y \leq 1,关于y轴对称
  2. ∬Dy dx dy\iint_D y \, dx\,dy:yy 关于 xx 是偶函数 ⇒\Rightarrow 可减半,但直接计算也行
  3. 拆分: ∬D(x2+y) dx dy=∬Dx2 dx dy+∬Dy dx dy\iint_D (x^2 + y) \, dx\,dy = \iint_D x^2 \, dx\,dy + \iint_D y \, dx\,dy
  4. ∬Dx2 dx dy=∫−11dx∫x21x2dy=∫−11x2(1−x2)dx=2∫01(x2−x4)dx=2(13−15)=415\iint_D x^2 \, dx\,dy = \int_{-1}^1 dx \int_{x^2}^1 x^2 dy = \int_{-1}^1 x^2(1-x^2) dx = 2\int_0^1 (x^2 - x^4) dx = 2(\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) = \frac{4}{15}
  5. ∬Dy dx dy=∫−11dx∫x21y dy=∫−1112(1−x4)dx=∫01(1−x4)dx=1−15=45\iint_D y \, dx\,dy = \int_{-1}^1 dx \int_{x^2}^1 y \, dy = \int_{-1}^1 \frac{1}{2}(1-x^4) dx = \int_0^1 (1-x^4) dx = 1 - \frac{1}{5} = \frac{4}{5}
  6. 总和:415+45=415+1215=1615\frac{4}{15} + \frac{4}{5} = \frac{4}{15} + \frac{12}{15} = \frac{16}{15}

答案:1615\frac{16}{15}


练习题

练习1

计算 ∬D(x3y+sin⁡xcos⁡y) dx dy\iint_D (x^3 y + \sin x \cos y) \, dx\,dy,其中 D:x2+y2≤1D: x^2 + y^2 \leq 1。

参考答案
二重积分对称性奇函数圆域

解题思路: 圆域关于x轴和y轴对称。x3yx^3 y 关于x和y都是奇函数;sin⁡xcos⁡y\sin x \cos y 关于x是奇函数。

详细步骤:

  1. x3yx^3 y:关于x是奇函数((−x)3y=−x3y(-x)^3 y = -x^3 y),区域关于y轴对称 ⇒\Rightarrow 积分为0
  2. sin⁡xcos⁡y\sin x \cos y:关于x是奇函数(sin⁡(−x)cos⁡y=−sin⁡xcos⁡y\sin(-x)\cos y = -\sin x \cos y),区域关于y轴对称 ⇒\Rightarrow 积分为0
  3. 总和为0

答案:00

练习2

计算 ∬D(x+y)2 dx dy\iint_D (x + y)^2 \, dx\,dy,其中 D:x2+y2≤1D: x^2 + y^2 \leq 1。

参考答案
二重积分对称性轮换对称性圆域

解题思路: 展开 (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2 = x^2 + 2xy + y^2。xyxy 关于x是奇函数,积分为0。由轮换对称性,∬x2=∬y2\iint x^2 = \iint y^2。

详细步骤:

  1. ∬D(x+y)2dx dy=∬D(x2+2xy+y2)dx dy\iint_D (x+y)^2 dx\,dy = \iint_D (x^2 + 2xy + y^2) dx\,dy
  2. xyxy 关于x是奇函数 ⇒∬D2xy dx dy=0\Rightarrow \iint_D 2xy \, dx\,dy = 0
  3. 由轮换对称性 ∬Dx2dx dy=∬Dy2dx dy\iint_D x^2 dx\,dy = \iint_D y^2 dx\,dy
  4. ∬D(x2+y2)dx dy=2∬Dx2dx dy\iint_D (x^2 + y^2) dx\,dy = 2\iint_D x^2 dx\,dy,或直接用极坐标: ∬D(x2+y2)dx dy=∫02πdθ∫01ρ2⋅ρ dρ=2π⋅14=π2\iint_D (x^2+y^2) dx\,dy = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^1 \rho^2 \cdot \rho \, d\rho = 2\pi \cdot \frac{1}{4} = \frac{\pi}{2}
  5. 结果:π2\frac{\pi}{2}

答案:π2\frac{\pi}{2}


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
D1D_1子区域subregion对称区域的一半(如上半部分/右半部分)
f(−x,y)f(-x,y)函数值function value将x替换为-x后的函数值,用于判断奇偶性

中英对照

中文术语英文术语音标说明
对称性symmetry/ˈsɪmətri/区域关于坐标轴或原点的对称性质
奇偶性parity/ˈpærəti/函数关于自变量的奇偶性质
奇函数odd function/ɒd ˈfʌŋkʃən/f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) 的函数
偶函数even function/ˈiːvən ˈfʌŋkʃən/f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) 的函数
轮换对称性cyclic symmetry/ˈsaɪklɪk ˈsɪmətri/交换x和y后区域不变的性质
对称区域symmetric region/sɪˈmɛtrɪk ˈriːdʒən/具有对称性的积分区域

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