第5章 · 多元函数积分学(仅二重积分)

数二特有的“唯一积分推广” · 极坐标必熟
范围已核实:本章内容严格限定在考研数学(二)大纲(科目代码 302)范围内,已剔除数二不考内容。满分 150,高数约占 80%,线代约占 20%。
📌 本章在数二中的定位:二重积分概念与性质、直角坐标计算、极坐标计算、交换积分次序、对称性化简、几何/物理应用。数二不考:三重积分、曲线积分、曲面积分。

🗺️本章知识地图

二重积分是“在平面区域上累积”。数二只考它,所以必须练到熟练——尤其极坐标和对称性两大提速技巧。

1二重积分的概念与性质 重点

理解二重积分是“曲顶柱体体积”的二重求和,以及它的基本性质。

定义与几何意义 概念

💡 秒懂:在一片平面区域上,每个点立一根高度 f(x,y) 的柱子,所有柱子体积之和就是二重积分。
$\iint_D f(x,y)d\sigma=\lim_{\lambda\to0}\sum f(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i$。当 f≥0 时等于以 D 为底、z=f 为顶的曲顶柱体体积。
🔑 二重积分=区域上的“体积累积”。

基本性质 性质

💡 秒懂:线性(可拆分)、区域可加(分块算)、保序、中值定理(存在一点使 f=平均值)。
线性;可加性 $\iint_{D_1\cup D_2}=\iint_{D_1}+\iint_{D_2}$(不重叠);保序;中值定理 ∃(ξ,η) 使 ∬f=f(ξ,η)·S_D。
🔑 与定积分类似:可拆、可加、保序。
例题:估计 I=∬_D (x²+y²) dσ,D: x²+y²≤1。
性质
思路:被积函数在 D 上 0≤x²+y²≤1。
0≤x²+y²≤1,区域面积 S_D=π。
由保序:0·π ≤ I ≤ 1·π,即 0≤I≤π。
答案:0 ≤ I ≤ π

2直角坐标下的计算 核心工具

把二重积分化为二次积分(先 y 后 x 或先 x 后 y),关键是定限:画域、穿线。

化为累次积分 方法

💡 秒懂:先固定 x 把 y 从下边界穿到上边界积一遍,再把 x 从左到右扫一遍。
X 型:$D:a\le x\le b,\ \varphi_1(x)\le y\le\varphi_2(x)$,则 $\iint_D f=\int_a^b dx\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)dy$。Y 型同理。
🔑 定限三步:画图→判断 X/Y 型→写上下限(下限小上限大)。

交换积分次序 重点

💡 秒懂:同一块区域,换种“穿线”顺序,积分限要重新写——常用于原次序算不出时。
先由已知次序画出积分区域 D,再按另一方向重新定限。
⚠️ 数二常考:给出次序要求重写的填空题。
例题:计算 ∬_D (x+y) dσ,D: 0≤x≤1, 0≤y≤1。
矩形域
思路:直接累次积分。
=∫_0^1 dx∫_0^1(x+y)dy=∫_0^1[x y+y²/2]_0^1 dx。
=∫_0^1(x+1/2)dx=[x²/2+x/2]_0^1=1。
答案:1

3极坐标计算 核心重点

圆形、扇形、环形区域用极坐标极爽。记住面积元素 dσ=r dr dθ 和换元 x=r cosθ, y=r sinθ。

极坐标公式 公式

💡 秒懂:把直角网格换成“射线+圆圈”网格,面积小格变成 r dr dθ(多乘个 r)。
$x=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta,\ d\sigma=r\,dr\,d\theta$。$\iint_D f(x,y)d\sigma=\iint_{D'} f(r\cos\theta,r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta$。
🔑 千万别漏 r!这是极坐标最容易错的地方。

适用区域 技巧

💡 秒懂:见到圆、圆环、扇形、被积含 x²+y²,果断极坐标。
区域边界含 x²+y²、或被积函数为 x²+y²、e^{−(x²+y²)} 等,优先极坐标。
⚠️ 例如高斯型 ∫e^{−x²}dx 在无穷域靠极坐标+二重积分求得。
例题:计算 ∬_D (x²+y²) dσ,D: x²+y²≤a²。
极坐标
思路:圆域用极坐标。
x²+y²=r²,dσ=r dr dθ,D': 0≤r≤a, 0≤θ≤2π。
=∫_0^{2π}dθ∫_0^a r²·r dr=2π·[r⁴/4]_0^a=πa⁴/2。
答案:πa⁴/2

4对称性化简 提速技巧

利用奇偶对称和轮换对称,常常能让积分直接为 0 或减半,是选择填空的抢分技巧。

奇偶对称 技巧

💡 秒懂:区域关于 y 轴对称、被积对 x 是奇函数 ⇒ 积分为 0(左右抵消)。
D 关于 y 轴对称:若 f(−x,y)=−f(x,y) 则积分为 0;若偶则=2倍右半。关于 x 轴同理。
🔑 对称+奇 ⇒ 0;对称+偶 ⇒ 翻倍。

轮换对称 技巧

💡 秒懂:区域和式子把 x、y 互换不变(如圆域、x²+y²),则 ∬x dσ=∬y dσ。
若 D 关于 y=x 对称且被积轮换不变,则 ∬x f=∬y f,常用于化简。
⚠️ 轮换对称能省一半计算量。
例题:D: x²+y²≤1,求 ∬_D x³ dσ。
奇偶对称
思路:区域关于 y 轴对称,x³ 对 x 奇。
D 关于 y 轴对称,被积 x³ 是关于 x 的奇函数。
由奇偶对称,积分=0。
答案:0

本章互动小测

做完点“交卷”看解析,错题回上面知识点再巩固。
1. 极坐标面积元素 dσ = ?
解析:换元后面积元素多乘 r:dσ=r dr dθ。
2. D 关于 y 轴对称且 f 对 x 为奇函数,则 ∬_D f dσ = ?
解析:奇偶对称:对称+奇 ⇒ 积分为 0。
3. 交换积分次序主要用于?
解析:当原次序积分困难,交换次序重画区域重新定限。
4. 圆形区域 x²+y²≤R² 优先用?
解析:圆形区域用极坐标最简便(数二不考柱/球坐标)。
5. 二重积分的几何意义(f≥0)是?
解析:f≥0 时二重积分等于曲顶柱体体积。
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