积分对称性解答

发布时间:2021-06-05

积分对称性解答

重积分、第一类积分答疑解惑

问题1、为什么说设f(x,y)在区域D R2上可积,若D的的形状关于x轴对称,当f(x, y)= f(x,y)时,∫∫f(x,y)dxdy=0;当f(x, y)=f(x,y)时,

D

∫∫f(x,y)dxdy=2∫∫f(x,y)dxdy,其中D为D中位于x轴上方的部分?

1

D

D1

答:设f(x,y)在D=D1∪D2上可积,其中D1,D2是D中位于x轴上、下方的部分,由积分的可加性知, f(x,y)在D1,D2上均可积,且

∫∫fdxdy=∫∫fdxdy+∫∫fdxdy.若

D

D1

D2

f(x, y)= f(x,y),

以直线族x=xi,y=yi(>0),i=1,2, ,n将D1分割,并对D2作相应(对称)的分割,即以x=xi,以及y= yi,i=1,2, ,n对D2分割. 取Dk(1)为 D1中的第k个子区域,相应地,在D2中有子区域.Dk(2),Dk(1)与Dk(2)关于x轴对称.

(ξk,ηk)∈Dk(1)(ηk≥0),则 (ξk, ηk)∈Dk(2),记λ=max{Dk(1)的直径},则

n2

∑f(ξ,η∫∫f(x,y)dxdy=limλ

D1

→0

kk

)Δσk,

k=1

∑f(ξ, η)Δσ∫∫f(x,y)dxdy=limλ

D2

→0

n2

kkk

k=1

= lim∑f(ξk,ηk)Δσk= ∫∫f(x,y)dxdy,故∫∫f(x,y)dxdy=0.

λ→0

k=1

D1

D

n2

同理,若f(x, y)=f(x,y),则

∫∫f(x,y)dxdy=2∫∫f(x,y)dxdy

D

D1

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问题2、若区域D R2关于直线y=x(或y= x)对称,且

f(x,y)= f(y,x)(或f( y, x)= f(x,y)),是否有

∫∫f(x,y)dxdy=0?

D

答:结论成立。因为点(x,y)的关于 y=x的对称点为(y,x),而它关于

y= x的对称点为( y, x),用与上一个问题完全类似的方法可证明结论正确。

类似,若记D1,D2分别为直线y=x(或y= x)上方、下方的区域,则当

f(x,y)=f(y,x)(或f( y, x)=f(x,y))时,

∫∫f(x,y)dxdy=2∫∫f(x,y)dxdy=2∫∫f(x,y)dxdy

D

D1

D2

问题3、在二重积分中,可利用积分区域D和被积函数f(x,y)的对称性求二重积分,在三重积分中是否也有类似方法?

答:在三重积分中,也可利用积分区域 Ω和被积函数f(x,y,z)的对称性求三重积分,比如

(i) 设 Ω的形状关于xy平面对称, 若f(x,y, z)= f(x,y,z),则

∫∫∫f(x,y,z)dv=0;

Ω

若f(x,y, z)=f(x,y,z),则

∫∫∫f(x,y,z)dv=2∫∫∫f(x,y,z)dv,

Ω

Ω1

其中 Ω1为 Ω中位于xy平面上方的部分。

(ii) 类似可的 Ω关于xz面对称,而f(x,y,z)是y的奇、偶函数的结论;以及 Ω关于yz面对称,而f(x,y,z)是x的奇、偶函数的结论。

(iii) 若 Ω关于平面y=x对称,

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若f(y,x,z)= f(x,y,z),则

∫∫∫f(x,y,z)dv=0;

Ω

若 f(y,x,z)=f(x,y,z),则

∫∫∫f(x,y,z)dv=2∫∫∫f(x,y,z)dv,

Ω

Ω1

其中Ω1是Ω中位于平面y=x前方的部分。

问题4、在三重积分公式∫∫∫f(x,y,z)dxdydz=∫dy∫

Ω

d x2(y)

c x1(y)

dx∫

z2(x,y)

z1(x,y)

f(x,y,z)dz

中,三重积分可化为三个定积分(三次积分)计算,其实质是化为先求一个定积分,再求一个二重积分,称为“先一后二”法,那么,三重积分是否可化为先求一个二重积分,再求一个定积分呢?

答:三重积分也可化为先求一个二重积分,再求一个定积分来计算,称为“先二后一”法,比如设Ω满足 C1≤z≤C2,并且以平行于xy面的平面z=常数(z)截

Ω所得平面区域为 Dz,如图2—8,则∫∫∫f(x,y,z)dv=∫dz∫∫

f(x,y,z)dxdy

Ω

c1

Dz

c2

特别,若f(x,y,z)=g(z) ,即它与x,y无关,则

∫∫∫

Ω

f(x,y,z)dv=∫dz∫∫g(z)dxdy=∫g(z)Dzdz

c1

Dz

c1

c2c2

其中Dz表 Dz的面积,一般与z有关

积分对称性解答

被积函数只含有一个字母时,用“先二后一”法相对简便,读者应注意掌握。 问题5、对弧长的曲线积分是否有几何意义,为什么? 答:对弧长的曲线积分有几何意义,几何意义如下:

F(x,y)=0设曲面Σ:z=z(x,y)≥0与一个以xy平面上的曲线L: 为准线,

z0=

母线平行于z轴的柱面F(x,y)=0相交,则柱面夹在曲面Σ与xy平面之间部分的面积A,可以按下列方式求得(图2-12):在曲线L上任取一点M(x,y),并 ,其弧长记为Δs,在曲面Σ上点M'(x,y,z(x,y))与点M对由此任取一小段弧MN

应,相应地小柱面MM'NN'的面积为ΔA=z(x,y)Δs,按照分割-代替-求和-取极限的方法可得到此类柱面面积计算公式:

A=∫z(x,y)ds

L

这就是以z=z(x,y)为被积函数,以L为积分路线的对弧长的曲线积分,上式表明了对弧长的曲线积分的几何意义。

问题6、是否可利用函数f(x,y,z)及曲面Σ的对称性计算曲面积分

∫∫f(x,y,z)dS,方法怎样?答:类似二、三重积分,也可利用函数f(x,y,z)及曲

Σ

面Σ的对称性计算∫∫f(x,y,z)dS,设下述积分均存在。

Σ

(1) 设Σ的形状关于xy面对称,在Σ上有f(x,y, z)= f(x,y,z),则

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∫∫f(x,y,z)dS=0

Σ

若f(x,y, z)=f(x,y,z),则∫∫f(x,y,z)dS=2∫∫f(x,y,z)dS,其中Σ1是Σ处

Σ

Σ1

于xy面上方的部分。

(2) 设Σ的形状关于xz面对称,若在Σ上,有f(x, y,z)= f(x,y,z),则

∫∫f(x,y,z)dS=0

Σ

若f(x, y,z)=f(x,y,z),则∫∫f(x,y,z)dS=2∫∫f(x,y,z)dS,其中Σ1是Σ处

Σ

Σ1

于xz面右边的部分。

(3) 设Σ的形状关于yz面对称,若在Σ上,有 f( x,y,z)= f(x,y,z),则

∫∫f(x,y,z)dS=0

Σ

若f( x,y,z)=f(x,y,z),则 处于yz面前方的部分。

∫∫f(x,y,z)dS=2∫∫f(x,y,z)dS,其中 Σ是Σ

1

Σ

Σ1

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