三重积分的计算方法及 例题
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三重积分的计算方法:
三重积分的计算是化为三次积分进行的。其实质是计算一个定积分(一重积分)和一个二重积分。从顺序看:
如果先做定积分⎰2
1
),,(z z dz z y x f ,再做二重积分⎰⎰D
d y x F σ),(,就是“投影
法”,也即“先一后二”。步骤为:找Ω及在xoy 面投影域D 。多D 上一点(x,y )“穿线”确定z 的积分限,完成了“先一”这一步(定积分);进而按二重积分的计算步骤计算投影域D 上的二重积分,完成“后二”这一步。σ
d dz z y x f dv z y x f D
z z ⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ω
=2
1]),,([),,(如果先做二重积分⎰⎰z
D d z y x f σ),,(再做定积分⎰2
1
)(c c dz z F ,就是“截面法”,
也即“先二后一”。步骤为:确定Ω位于平面21c z c z ==与之间,即],[21c c z ∈,过z 作平行于xoy 面的平面截Ω,截面z D 。区域z D 的边界曲面都是z 的函数。计算区域z D 上的二重积分⎰⎰z
D d z y x f σ),,(,完成了“先二”这一步(二
重积分);进而计算定积分⎰2
1
)(c c dz z F ,完成“后一”这一步。
dz
d z y x f dv z y x f c c D z
]),,([),,(2
1σ⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ω
=当被积函数f (z )仅为z 的函数(与x,y 无关),且z D 的面积)(z σ容易求出时,“截面法”尤为方便。
为了简化积分的计算,还有如何选择适当的坐标系计算的问题。可以按以下几点考虑:将积分区域Ω投影到xoy 面,得投影区域D(平面)
(1)D 是X 型或Y 型,可选择直角坐标系计算(当Ω的边界曲面
中有较多的平面时,常用直角坐标系计算)
(2)D 是圆域(或其部分),且被积函数形如(),(22x
y
f y x f +时,可
选择柱面坐标系计算(当Ω为圆柱体或圆锥体时,常用柱面坐标计算)
(3)Ω是球体或球顶锥体,且被积函数形如)(222z y x f ++时,可选
择球面坐标系计算
以上是一般常见的三重积分的计算方法。对Ω向其它坐标面投影或Ω不易作出的情形不赘述。
三重积分的计算方法小结:
1.对三重积分,采用“投影法”还是“截面法”,要视积分域Ω及被积函数f(x,y,z)
的情况选取。
一般地,投影法(先一后二):较直观易掌握;
截面法(先二后一):z D 是Ω在z 处的截面,其边界曲线方程易
写错,故较难一些。
特殊地,对z D 积分时,f(x,y,z)与x,y 无关,可直接计算z D S 。因而Ω中只
要],[b a z ∈,且f(x,y,z)仅含z 时,选取“截面法”更佳。
2.对坐标系的选取,当Ω为柱体,锥体,或由柱面,锥面,旋转抛物面与其它曲面
所围成的形体;被积函数为仅含z 或)(22y x zf +时,可考虑用柱面坐标计算。
三重积分的计算方法例题:
补例1:计算三重积分⎰⎰⎰Ω
=zdxdydz I ,其中Ω为平面1=++z y x 与三个坐标面
0,0,0===z y x 围成的闭区域。
解1“投影法” 1.画出Ω及在xoy 面投影域D.
2.
“穿线”y
x z --≤≤10
X 型D :
x
y x -≤≤≤≤1010∴Ω:y
x z x
y x --≤≤-≤≤≤≤10101
03.计算
⎰⎰⎰⎰
⎰⎰
⎰⎰⎰-----Ω
+-
--
=--===1
0103221
10
10
10
10
2]3
1)1()1[(21)1(21dx y y x y x dy y x dx zdz dy
dx zdxdydz I x x
y
x x
24
1
]4123[61)1(6110
41
0323=-+-=-=⎰x x x x dx x 解2“截面法”1.画出Ω。2.]1,0[∈z 过点z 作垂直于z 轴的平面截Ω得z D 。
z D 是两直角边为x,y 的直角三角形,z
y z x -=-=1,13.计算
⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰====Ω
1
1
1
][][z
z z
D D D dz
zS dz dxdy z dz zdxdy zdxdydz I ⎰⎰⎰=
+-=--==1
03210
10241
)2(21)1)(1(21)21(dz z z z dz z z z dz xy z 补例2:计算⎰⎰⎰+dv y x 22,其中Ω是222z y x =+和z=1围
成的闭区域。
解1“投影法”
1.画出Ω及在xoy 面投影域D.
由⎩⎨⎧=+=1222z y x z 消去z ,
得122=+y x 即D :122≤+y x 2.“穿线”122≤≤+z y x ,
X 型
D :⎪⎩
⎪⎨⎧-≤≤--≤≤-2
2111
1x y x x