重积分

第八章.多元函数积分学

在不同的问题当中，可以对多元函数的积分进行不同的定义，因此，我们需要在不同的问题背景当中来定义不同的积分概念。

二重积分。

二重积分实际上就是对二元函数求定积分，在实际问题当中，需要对二元函数进行求和计算，或者直观地说，涉及到体积的计算与具有在二维区域上的分布的物理量的计算，就需要运用二重积分的概念来进行。

因此我们对二重积分的定义，与对单变量函数的定积分的定义是完全类似的，只是这里的积分区域不是一维的，而是二维平面上的区域。这样通过把积分区域任意划分成只有公共边界的子区域，然后在每一个子区域当中任意取一点，取这点的函数值与该子区域的面积之积，再把所有的这样的乘积加起来，得到一个和式，接下来，就是我们已经很熟悉的极限过程，即使得所有子区域当中面积最大者的面积趋向于0，也就是使得子区域的数目趋向于无穷大，看和式是否存在极限，以及可能的话，这个极限是多少。这就是关于二重积分的可积性问题与二重积分的计算问题。

关于可积性的问题有下面一个简单的定理：

如果函数在一个有界闭区域上有定义并且连续，则这个函数必定在这个区域上可积。 从上面的二重积分概念的说明，可以得到与单变量函数的定积分相类似的几何说明，即被积函数所描述的曲面与其在自变量平面上的积分区域上的投影之间所夹的空间的体积。基于这样的理解，可以很容易得到如下的二重积分的性质。

（1）

??(if?jg)dx?i??fdx?j??gdxDDD，

其中i，j为任意常数。这是二重积分的线性性质；

??fdx???fdx???fdx（2），

DD1D2

??D。 其中D1D2（3）如果在区域D上有

f(x,y)?g(x,y)，

则有

??fdx???gdxDD；

而对于D上的可积函数f，存在任意上界M和任意下界m，则有

其中D为区域D的面积。

（4）设函数f为有界连通闭区域D上的连续函数，则一定在这个区域上存在一点（a，b），使得

mD???fdx?MDD??fdx?f(a,b)DD；

这个性质还可以推广到比较一般的形式：

设函数g为D上的非负值连续函数，f在D上可积，则存在一个介于f在D上的上界

与下界之间的唯一的常数k，使得

??gfdx?k??gdxDD。

二重积分的计算方法与应用。

（一）二重积分的基本计算方法是在直角坐标系当中，把二重积分化成二次积分，也就是按先后顺序分别对两个自变量求定积分，因此也称为累次积分。

在作二次积分时，首先是把一个自变量看成是一个参数，而不是看成变量，这样第一步是作单变量函数的定积分，然后得到一个包含第二个变量的表达式，再对第二个变量求定积分，这样就得到了二重积分的值。这里对于选择进行积分运算的自变量的顺序是完全任意的，也就是说，假设函数的积分区间，是由曲线

y?y1(x)和y?y2(x)，x=a，x=b所围成的

区域，那么f在这个区域上的二重积分为

by2(x)bf(x,y)dxdy?dx???a?y(x)f(x,y)dy??y2((xx))dy?af(x,y)dxy11D

因此在实际问题当中，如果选择了一种积分顺序，而发现不是很恰当，或者显得很麻烦，

则不妨尝试一下更换积分顺序，也许会更为恰当一些

（二）另外一种常常更为简单的计算二重积分的方法，是在极坐标下，通过把二重积分转变为二次积分来得到结果。

一般公式就是

r2f(rcos?,rsin?)rdr??f(x,y)d????d??r(?)1?(?)D

注意公式当中的面积元素带因子r，千万不要忘记。

之所以使用极坐标，是因为很多几何对象在极坐标当中具有更为简单的还是形式，这样就使得被积函数的形式更为简单，从而简化了积分计算。

直观地看，二重积分就是针对二元函数的定积分，那么只要是运用二元函数表达的变化规律，都有可能需要利用二重积分计算某种可加性质的量。

例如对于在一定的平面区域上的某个物理量的分布，就可以利用二重积分计算，比方说已知质量分布的平面薄片的质量，重心，转动惯量，均匀薄片的一阶矩，等等，对于计算体积以及与体积相关的物理量，更是需要运用二重积分进行计算。

曲面面积以及第一型曲面积分。

与二重积分主要是针对体积的计算不同，所谓曲面积分主要是针对与曲面有关的面积与质量的计算。而本课程只限制在处理光滑曲面或者是分片光滑的曲面，所谓光滑曲面定义为曲面的切平面连续转动，而法向量不为0。

计算曲面面积的关键是给出曲面的面积微元，即

2ds?1?f2x?fydxdy，

然后对微元直接进行二重积分即可得到曲面面积

2S???1?f2?fxydxdyD。

如果进一步，曲面的面密度分布函数为

?(x,y,z)，那么通过我们熟悉的分割，求和，

取极限这样一些过程，可以得到计算曲面的质量的公式为

2m????(x,y,f(x,y))1?f2x?fyd?D。

我们把上面的具有给定面密度分布的给定曲面的质量的计算加以推广，也就是考虑定义在给定曲面上的有界连续函数，或者分片连续函数f(x,y,z)，用这个函数沿着曲面进行积分，也就是利用面积的可加性，进行求和与取极限的过程，就得到所谓的第一型曲面积分，一般地写成

??f(x,y,z)dsS。

第一型曲面积分具有与重积分完全类似的性质，例如线性性质和积分区域可加性性质。 而第一型曲面积分的一般计算方法，完全类似于上面的计算曲面质量的方法，一般地有：

22??f(x,y,z)ds??f(x,y,g(x,y))1?gx?gydxdyS=

S。

第一型平面曲线积分的概念及计算。

在平面上的曲线方程，固然可以看成是一个一元函数，如果沿着这个曲线具有某个物理量的密度分布，那么要沿着这个曲线，求这个物理量的总量，就必须定义一种相应的沿着平面曲线求和式极限的积分，这就是平面曲线积分。我们把所讨论的曲线限制为简单光滑曲线。

在沿着曲线进行分割与求和积分时，根据具体问题的不同，可以有两种方法，即对弧长进行积分与对坐标进行积分，这两种方法，分别称为第一型与第二型平面曲线积分。

我们这里首先讨论第一型平面曲线积分，定义为

L?f(x,y)ds?lim?f(?i,?i)?si?s?0i?1n，

其中f(x,y)为定义在曲线L上的有界函数，把曲线L分成任意的n个光滑弧段，?si为第i个弧段的长度，

(?i,?i)为第i个弧段上的任意一点，?s为曲线上所有弧段中长度最长

的弧段。

值得注意的是，尽管被积函数具有两个自变量，但是由于积分是沿着一条固定的曲线进行的，按照物理学的理解，就是只有一个自由度，因此通过引入适当的参数，就可以把被积函数变换为一元函数。

从定义可以看到，曲线积分只不过是一种沿着固定曲线所进行的积分，很容易理解第一型平面曲线积分同样具有一般积分所具有的各种性质，如线性性质，积分区域可加性性质，估值性质与中值性质。

由于第一型平面曲线积分的被积式实际上是一个一元函数与弧微分的乘积，因此可以得到第一型平面曲线积分的计算公式为

22?f(x,y)ds???f(x(t),y(t))(x'(t))?(y(t))dt?L；

如果使用曲线的平面直角坐标系方程y=g（x），那么就得到相应的计算公式

L2?f(x,y)ds??af(x,g(x))1?(g(t))dxb；

而如果曲线用极坐标方程形式r?g(?)给出，则相应的计算公式为

22??f(x,y)ds???12f(g(?)cos?,g(?)sin?)g(?)?g'(?)d?L。

可以看到，曲线积分最终还是简化为一元函数的定积分计算。

平面向量场以及第二型平面曲线积分的概念和计算。

向量场的概念可以说是直接来源于物理学中的场的概念，平面向量场的定义，就是在平面区域D上的一个向量值函数：

???f(x,y)?f1(x,y)i?f2(x,y)j，

直观地说，就是在平面区域D上的每一点处都定义了一个向量，就构成了一个向量场。 如果在这样一个向量场中给定一条有向曲线，或者说沿着一条有向曲线，定义了一个有界的向量场，由于向量适宜于在坐标轴方向上进行分解，因此如果要求向量场沿着曲线的积分，一般对坐标进行积分，这样的积分方式称为第二型平面曲线积分。

这里同样把曲线限制为简单并且光滑或者分段光滑。 这样我们得到向量形式的定义为

L?n????f(x,y)ds?lim?f(?i,?i)?si?s?0i?1。

这种曲线积分形式的一个特征就是曲线规定了方向，因此出现了一个新的性质，即如果使得曲线反向，则得到的积分值就变号。其他的一般性质，如线性性质，积分曲线的可加性仍然成立，不过由于曲线的方向性，在连接曲线段时，必须注意方向性。

虽然第二型平面曲线积分应用向量形式来表示比较简明，不过进行计算时，还是采用分量形式，并且是分别对每个分量单独进行计算。

设向量场的两个分量为P(x,y)和Q(x,y)，那么第二型平面曲线积分的计算公式为

L?P(x,y)dx???P(x(t),y(t))x'(t)dt??； 。

L?Q(x,y)dy???Q(x(t),y(t))y'(t)dt

向量场沿着曲线的积分也可以采用对弧长积分的形式，这是通过引入沿着曲线的正方向

?t的任何一点的切向量而得到的：

????f(x,y)ds?[P(x,y)cos(t,x)?Q(x,y)cos(t,y)]ds??LL。

格林公式。平面曲线积分与路径无关的条件。恰当微分。

上面我们已经根据不同的问题建立了两大类不同的积分形式，即重积分与线积分，那么