• 【高等数学基础进阶】二重积分


    二重积分的概念与性质

    定义:
    ∬ D f ( x , y ) d σ = lim ⁡ λ → 0 ∑ i = 1 n f ( x i , y i ) Δ σ i \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\lim\limits_{\lambda \to 0}\sum\limits_{i=1}^{n}f(x_{i},y_{i})\Delta \sigma_{i} Df(x,y)dσ=λ0limi=1nf(xi,yi)Δσi

    几何意义

    二重积分 ∬ D f ( x , y ) d σ Df(x,y)dσ是一个数,当 f ( x , y ) ≥ 0 f(x,y)\geq 0 f(x,y)0时,其值等于以区域 D D D为底,以曲面 z = f ( x , y ) z=f(x,y) z=f(x,y)为曲顶的曲顶柱体的体积;当 f ( x , y ) ≤ 0 f(x,y)\leq 0 f(x,y)0时,二重积分的值为负值,其绝对值等于上述圆顶柱体的体积

    性质

    性质1(不等式):

    1. D D D上若 f ( x , y ) ≤ g ( x , y ) f(x,y)\leq g(x,y) f(x,y)g(x,y),则 ∬ D f ( x , y ) d σ ≤ ∬ D g ( x , y ) d σ \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma \leq \iint\limits_{D}g(x,y)d \sigma Df(x,y)dσDg(x,y)dσ
    2. 若在 D D D上有 m ≤ f ( x , y ) ≤ M m \leq f(x,y)\leq M mf(x,y)M,则
      m S ≤ ∬ D f ( x , y ) d σ ≤ M S mS \leq \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma \leq MS mSDf(x,y)dσMS
    3. ∣ ∬ D f ( x , y ) d σ ∣ ≤ ∬ D ∣ f ( x , y ) ∣ d σ \left|\iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma\right|\leq \iint\limits_{D}\left|f(x,y)\right|d \sigma Df(x,y)dσ Df(x,y)dσ

    性质2(中值定理):设函数 f ( x , y ) f(x,y) f(x,y)在闭区域 D D D上连续, S S S为区域 D D D的面积,则在 D D D上至少存在一点 ( ξ , η ) (\xi ,\eta ) (ξ,η),使得
    ∬ D f ( x , y ) d σ = f ( ξ , η ) ⋅ S \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=f(\xi ,\eta )\cdot S Df(x,y)dσ=f(ξ,η)S

    二重积分计算

    利用直角坐标计算

    y y y x x x
    ∬ D f ( x , y ) d σ = ∫ a b d x ∫ ϕ 2 ( x ) ϕ 1 ( x ) f ( x , y ) d y \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\int_{a}^{b}dx \int_{\phi_{2}(x)}^{\phi_{1}(x)}f(x,y)dy Df(x,y)dσ=abdxϕ2(x)ϕ1(x)f(x,y)dy

    x x x y y y
    ∬ D f ( x , y ) d σ = ∫ c d d y ∫ ψ 2 ( y ) ψ 1 ( y ) f ( x , y ) d x \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\int_{c}^{d}dy \int_{\psi _{2}(y)}^{\psi_{1}(y)}f(x,y)dx Df(x,y)dσ=cddyψ2(y)ψ1(y)f(x,y)dx

    利用极坐标计算

    ρ \rho ρ θ \theta θ
    ∬ D f ( x , y ) d σ = ∫ α β d θ ∫ ϕ 1 ( θ ) ϕ 2 ( θ ) f ( ρ cos ⁡ θ , ρ sin ⁡ θ ) ρ d ρ \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\int_{\alpha}^{\beta}d \theta \int_{\phi_{1}(\theta )}^{\phi_{2}(\theta )}f(\rho \cos \theta ,\rho \sin \theta )\rho d \rho Df(x,y)dσ=αβdθϕ1(θ)ϕ2(θ)f(ρcosθ,ρsinθ)ρdρ
    常用于相同 θ \theta θ对应的不同 ρ \rho ρ

    适合用极坐标计算的二重积分的特征

    1. 适合用极坐标计算的被积函数
      f ( x 2 + y 2 ) , f ( y x ) , f ( x y ) f(\sqrt{x^{2}+y^{2}}),f(\frac{y}{x}),f(\frac{x}{y}) f(x2+y2 ),f(xy),f(yx)
    2. 适合用极坐标的积分域
      x 2 + y 2 ≤ R 2 r 2 ≤ x 2 + y 2 ≤ R 2 x 2 + y 2 ≤ 2 a x x 2 + y 2 ≤ 2 b y
      x2+y2R2r2x2+y2R2x2+y22axx2+y22by" role="presentation" style="position: relative;">x2+y2R2r2x2+y2R2x2+y22axx2+y22by
      x2r2x2x2x2+y2R2+y2R2+y22ax+y22by

      如果圆心既不在坐标原点也不在坐标轴,考虑平移+极坐标,即
      令 x − x 0 = ρ sin ⁡ θ , y − y 0 = ρ sin ⁡ θ 令x-x_{0}=\rho \sin \theta ,y-y_{0}=\rho \sin \theta xx0=ρsinθ,yy0=ρsinθ
      则有
      ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 R ( ) ρ d ρ \int_{0}^{2\pi}d \theta \int_{0}^{R}(\quad )\rho d \rho 02πdθ0R()ρdρ

    利用对称性和奇偶性计算

    若积分域 D D D关于 y y y轴对称,则
    ∬ D f ( x , y ) d σ = { 2 ∬ D x ≥ 0 f ( x , y ) d σ f ( − x , y ) = f ( x , y ) 0 f ( − x , y ) = − f ( x , y ) \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\left\{\right. Df(x,y)dσ= 2Dx0f(x,y)dσ0f(x,y)=f(x,y)f(x,y)=f(x,y)

    若积分域 D D D关于 x x x轴对称,则
    ∬ D f ( x , y ) d σ = { 2 ∬ D y ≥ 0 f ( x , y ) d σ f ( x , − y ) = f ( x , y ) 0 f ( x , − y ) = − f ( x , y ) \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\left\{\right. Df(x,y)dσ= 2Dy0f(x,y)dσ0f(x,y)=f(x,y)f(x,y)=f(x,y)

    利用变量对称性计算

    D D D关于 y = x y=x y=x对称,则
    ∬ D f ( x , y ) d σ = ∬ D f ( y , x ) d σ \iint\limits_{D}f(x,y)d \sigma=\iint\limits_{D}f(y,x)d \sigma Df(x,y)dσ=Df(y,x)dσ

    常考题型方法与技巧

    累次积分交换次序及计算

    例1:交换累次积分 ∫ 0 1 d x ∫ x 2 2 − x f ( x , y ) d y 01dxx22xf(x,y)dy的次序

    ![[附件/Pasted image 20220913153102.png|200]]

    原式 = ∫ 0 1 d y ∫ 0 y f ( x , y ) d x + ∫ 1 2 d y ∫ 0 2 − y f ( x , y ) d x 原式=\int_{0}^{1}dy \int_{0}^{\sqrt{y}}f(x,y)dx+\int_{1}^{2}dy \int_{0}^{2-y}f(x,y)dx 原式=01dy0y f(x,y)dx+12dy02yf(x,y)dx

    例2:累次积分 ∫ 0 π 2 d θ ∫ 0 cos ⁡ θ f ( ρ cos ⁡ θ , ρ sin ⁡ θ ) ρ d ρ 02πdθ0cosθf(ρcosθ,ρsinθ)ρdρ化为直角坐标

    ρ = cos ⁡ θ ⇒ ρ 2 = ρ cos ⁡ θ ⇒ x 2 + y 2 = x ρ = 0 θ ∈ ( 0 , π 2 ) ρρθ=cosθρ2=ρcosθx2+y2=x=0(0,2π)
    ![[附件/Pasted image 20220913155617.png|300]]

    因此有
    原式 = ∫ 0 1 2 d y ∫ 1 2 − 1 4 − y 2 1 2 + 1 4 − y 2 f ( x , y ) d y 原式 = ∫ 0 1 d x ∫ 0 x − x 2 f ( x , y ) d x 原式原式=021dy2141y2 21+41y2 f(x,y)dy=01dx0xx2 f(x,y)dx

    不同坐标系累次积分相互转化,先画区域,然后重新定上下限即可

    例3:积分 ∫ 0 2 d x ∫ 0 2 x − x 2 x 2 + y 2 d y 02dx02xx2 x2+y2 dy的值等于()

    累次积分不好算,考虑交换积分次序,换坐标系

    原式 = ∫ 0 π 2 d θ ∫ 0 2 cos ⁡ θ ρ ⋅ ρ d ρ = 8 3 ∫ 0 π 2 cos ⁡ 3 θ d θ = 8 3 2 3 = 16 9 原式=02πdθ02cosθρρdρ=3802πcos3θdθ=3832=916

    二重积分计算

    例4:设 D : { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } D:\left\{(x,y)|x^{2}+y^{2} \leq 1\right\} D:{(x,y)x2+y21},则 ∬ D ( x 2 − y ) d x d y = ( ) D(x2y)dxdy=()

    原式 = ∬ D x 2 d x d y = ∬ D y 2 d x d y = 1 2 ∬ D ( x 2 + y 2 ) d x d y = 1 2 ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 1 ρ 2 ρ d ρ = 1 2 ⋅ 2 π ⋅ 1 4 = π 4 原式=Dx2dxdy=Dy2dxdy=21D(x2+y2)dxdy=2102πdθ01ρ2ρdρ=212π41=4π

    对称性常用于平方项化极坐标,本题就是一个例子,还有类似
    D : { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } D:\left\{(x,y)|x^{2}+y^{2} \leq 1\right\} D:{(x,y)x2+y21},则
    ∬ D ( 2 x − 3 y ) 2 d x d y = ∬ D ( 4 x 2 − 12 x y + 9 y 2 ) d x d y = ∬ D ( 4 x 2 + 9 y 2 ) d x d y = ∬ D ( 4 y 2 + 9 x 2 ) d x d y = 13 2 ∬ D ( x 2 + y 2 ) d x d y = 13 4 π D(2x3y)2dxdy=D(4x212xy+9y2)dxdy=D(4x2+9y2)dxdy=D(4y2+9x2)dxdy=213D(x2+y2)dxdy=413π

    例5:设 D D D x O y xOy xOy平面上以 ( 1 , 1 ) , ( − 1 , 1 ) , ( − 1 , − 1 ) (1,1),(-1,1),(-1,-1) (1,1),(1,1),(1,1)为顶点的三角形区域, D 1 D_{1} D1 D D D在第一象限的部分,说明 ∬ D ( x y + cos ⁡ x sin ⁡ y ) d x d y = 2 ∬ D 1 cos ⁡ x sin ⁡ y d x d y D(xy+cosxsiny)dxdy=2D1cosxsinydxdy

    将该直角三角形沿 y = − x y=-x y=x划分成两部分,显然 y = − x y=-x y=x以上关于 y y y轴对称, y = − x y=-x y=x以下关于 x x x轴对称,因此有
    原式 = ∬ D cos ⁡ x sin ⁡ y d x d y = 2 ∬ D 1 cos ⁡ x sin ⁡ y d x d y 原式=Dcosxsinydxdy=2D1cosxsinydxdy

    例6:设平面区域 D D D由曲线 y = 3 ( 1 − x 2 ) y=\sqrt{3(1-x^{2})} y=3(1x2) 与直线 y = 3 x y=\sqrt{3}x y=3 x y y y轴围成,计算二重积分 ∬ D x 2 d x d y = ( ) Dx2dxdy=()

    原式 = ∫ 0 1 2 d x ∫ 3 x 3 ( 1 − x 2 ) x 2 d y = ∫ 0 1 2 x 2 [ 3 ( 1 − x 2 ) − 3 x ] d x = 3 ∫ 0 1 2 x 2 1 − x 2 d x − 3 ∫ 0 1 2 x 3 d x = 3 ∫ 0 1 2 x 2 1 − x 2 d x − 3 16 = x = sin ⁡ t 3 ∫ 0 π 4 sin ⁡ 2 t cos ⁡ 2 t d t − 3 16 = 3 4 ∫ 0 π 4 ( sin ⁡ 2 t ) 2 d t − 3 16 = 2 t = u 3 8 ∫ 0 π 2 sin ⁡ 2 u d u − 3 16 = 3 32 π − 3 16 原式=02 1dx3 x3(1x2) x2dy=02 1x2[3(1x2) 3 x]dx=3 02 1x21x2 dx3 02 1x3dx=3 02 1x21x2 dx163 =x=sint3 04πsin2tcos2tdt163 =43 04π(sin2t)2dt163 =2t=u83 02πsin2udu163 =323 π163

    例7:已知平面域 D = { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 2 y } D=\left\{(x,y)|x^{2}+y^{2}\leq 2y\right\} D={(x,y)x2+y22y}计算二重积分 I = ∬ D ( x + 1 ) 2 d x d y I=D(x+1)2dxdy

    I = ∬ D ( x 2 + 2 x + 1 ) d x d y = ∬ D ( x 2 + 1 ) d x d y = 2 ∫ 0 π 2 d θ ∫ 0 2 sin ⁡ θ ρ 2 cos ⁡ 2 θ ρ d ρ + π 此处 d θ 的上限不用 π 而用 π 2 用的是对称性 而且 π 2 更方便用点火公式 x 2 + y 2 − 2 y = 0 ⇒ ρ 2 = 2 ρ sin ⁡ θ ⇒ ρ = 2 sin ⁡ θ = 8 ∫ 0 π 2 sin ⁡ 4 θ cos ⁡ 2 θ d θ + π = 8 ∫ 0 π 2 sin ⁡ 4 θ ( 1 − sin ⁡ 2 θ ) d θ + π = 8 ( 3 16 π − 15 96 π ) + π = 5 4 π I=D(x2+2x+1)dxdy=D(x2+1)dxdy=202πdθ02sinθρ2cos2θρdρ+π此处dθ的上限不用π而用2π用的是对称性而且2π更方便用点火公式x2+y22y=0ρ2=2ρsinθρ=2sinθ=802πsin4θcos2θdθ+π=802πsin4θ(1sin2θ)dθ+π=8(163π9615π)+π=45π

    例8:计算二重积分 ∬ D ∣ x 2 + y 2 − 1 ∣ d σ D x2+y21 dσ,其中 D = { ( x , y ) ∣ 0 ≤ x ≤ 1 , 0 ≤ y ≤ 1 } D=\left\{(x,y)|0\leq x \leq 1,0\leq y \leq 1\right\} D={(x,y)∣0x1,0y1}

    一元带括号的积分是根据正负分区间,多元也类似。多元分区域,去绝对值,求积分的时候常用减法,因为往往分出来的两块,一块好算,一块不好算,不好算的可以用整体-好算的,即原式变为2×好算的+整体

    ![[附件/Pasted image 20220913174341.png|250]]

    如图,将 D D D分成 D 1 D_{1} D1 D 2 D_{2} D2两部分
    原式 = ∬ D 1 ( 1 − x 2 − y 2 ) d σ + ∬ D 2 ( x 2 + y 2 − 1 ) d σ = ∬ D 1 ( 1 − x 2 − y 2 ) d σ + [ ∬ D ( x 2 + y 2 − 1 ) d σ − ∬ D 1 ( x 2 + y 2 − 1 ) d σ ] = 2 ∬ D 1 ( 1 − x 2 − y 2 ) d σ + ∬ D ( x 2 + y 2 − 1 ) d σ = 2 ∫ 0 π 2 d θ ∫ 0 1 ( 1 − ρ 2 ) ρ d ρ + ∫ 0 1 d x ∫ 0 1 ( x 2 + y 2 − 1 ) d y = π 4 − 1 3 原式=D1(1x2y2)dσ+D2(x2+y21)dσ=D1(1x2y2)dσ+[D(x2+y21)dσD1(x2+y21)dσ]=2D1(1x2y2)dσ+D(x2+y21)dσ=202πdθ01(1ρ2)ρdρ+01dx01(x2+y21)dy=4π31

    例8:设平面域 D = { ( x , y ) ∣ 1 ≤ x 2 + y 2 ≤ 4 , x ≥ 0 , y ≥ 0 } D=\left\{(x,y)|1\leq x^{2}+y^{2}\leq 4,x \geq 0,y \geq 0\right\} D={(x,y)∣1x2+y24,x0,y0},计算 ∬ D x sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y Dx+yxsin(πx2+y2 )dxdy

    观察被积函数显然用直角坐标和极坐标都不好做,因此想其他方法

    ∬ D x sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y = ∬ D y sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y = 1 2 [ ∬ D y sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y + ∬ D y sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y ] = 1 2 ∬ D sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) d x d y = 1 2 ∫ 0 π 2 d θ ∫ 1 2 sin ⁡ ( π ρ ) ρ d ρ = − 3 4 Dx+yxsin(πx2+y2 )dxdy=Dx+yysin(πx2+y2 )dxdy=21 Dx+yysin(πx2+y2 )dxdy+Dx+yysin(πx2+y2 )dxdy =21Dsin(πx2+y2 )dxdy=2102πdθ12sin(πρ)ρdρ=43

    也可以用
    ∬ D x sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y = ∫ 0 π 2 cos ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ ⋅ ∫ 1 2 ρ sin ⁡ ( π ρ ) d ρ 由于 ∫ 0 π 2 cos ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ = ∫ 0 π 2 sin ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ = 1 2 ∫ 0 π 2 cos ⁡ θ + sin ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ = π 4 ∫ 1 2 ρ sin ⁡ ( π ρ ) d ρ = 1 π ( − ρ cos ⁡ π ρ + 1 π sin ⁡ π ρ ) ∣ 1 2 = − 3 π 故 ∬ D x sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y = − 3 4 Dx+yxsin(πx2+y2 )dxdy由于02πcosθ+sinθcosθdθ12ρsin(πρ)dρDx+yxsin(πx2+y2 )dxdy=02πcosθ+sinθcosθdθ12ρsin(πρ)dρ=02πcosθ+sinθsinθdθ=2102πcosθ+sinθcosθ+sinθdθ=4π=π1(ρcosπρ+π1sinπρ) 12=π3=43

    这里用到了区间再现公式,即
    ∫ a b f ( x ) d x = x = a + b − t ∫ a b f ( a + b − t ) d t \int_{a}^{b}f(x)dx \overset{x=a+b-t}{=}\int_{a}^{b}f(a+b-t)dt abf(x)dx=x=a+btabf(a+bt)dt
    观察左右两式,显然积分区域不变

    也可以不用公式,用正常思路
    ∬ D x sin ⁡ ( π x 2 + y 2 ) x + y d x d y = ∫ 0 π 2 cos ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ ⋅ ∫ 1 2 ρ sin ⁡ ( π ρ ) d ρ \iint\limits_{D}\frac{x \sin (\pi \sqrt{x^{2}+y^{2}})}{x+y}dxdy=\int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\frac{\cos \theta }{\cos \theta +\sin \theta }d \theta \cdot \int_{1}^{2}\rho \sin (\pi \rho)d \rho Dx+yxsin(πx2+y2 )dxdy=02πcosθ+sinθcosθdθ12ρsin(πρ)dρ
    显然满足 R ( − sin ⁡ θ , − cos ⁡ θ ) = − R ( sin ⁡ θ , cos ⁡ θ ) R(-\sin \theta ,-\cos \theta )=-R(\sin \theta ,\cos \theta ) R(sinθ,cosθ)=R(sinθ,cosθ),因此,令 u = tan ⁡ θ u=\tan \theta u=tanθ
    ∫ 0 π 2 cos ⁡ θ cos ⁡ θ + sin ⁡ θ d θ = ∫ 0 π 2 cos ⁡ 2 θ 1 + tan ⁡ θ d tan ⁡ θ = ∫ 0 π 2 1 ( tan ⁡ 2 θ + 1 ) ( 1 + tan ⁡ θ ) d tan ⁡ θ = u = tan ⁡ θ ∫ 0 + ∞ 1 ( 1 + u ) ( 1 + u 2 ) d u = ∫ 0 + ∞ [ A 1 + u + B u + C 1 + u 2 ] d u ⇒ { A + B = 0 B + C = 0 A + C = 1 解得 { A = 1 2 B = − 1 2 C = 1 2 = 1 2 ∫ 0 + ∞ 1 1 + u d u + 1 2 ∫ 0 + ∞ − u + 1 u 2 + 1 d u = 1 2 ln ⁡ ( 1 + u ) ∣ u = + ∞ − 1 2 ∫ 0 + ∞ 1 2 d ( u 2 + 1 ) − d u u 2 + 1 = 1 2 ln ⁡ ( 1 + u ) ∣ u = + ∞ − 1 4 ln ⁡ ( u 2 + 1 ) ∣ u = + ∞ + 1 2 arctan ⁡ u ∣ u = + ∞ = 1 4 ln ⁡ ( u 2 + 2 u + 1 u 2 + 1 ) ∣ u = + ∞ + π 4 = 1 4 ln ⁡ ( 1 + 2 u u 2 + 1 ) ∣ u = + ∞ + π 4 = 0 + π 4 = π 4 \right.解得\left\{\right.\\ &=\frac{1}{2}\int_{0}^{+\infty} \frac{1}{1+u}du+ \frac{1}{2}\int_{0}^{+\infty}\frac{-u+1}{u^{2}+1}du\\ &=\frac{1}{2}\ln (1+u)\Big|_{u=+\infty}^{}- \frac{1}{2}\int_{0 }^{+\infty}\frac{\frac{1}{2}d(u^{2}+1)-du}{u^{2}+1}\\ &=\frac{1}{2}\ln (1+u)\Big|_{u=+\infty}^{}- \frac{1}{4}\ln (u^{2}+1)\Big|_{u=+\infty}^{}+ \frac{1}{2}\arctan u \Big|_{u=+\infty}^{}\\ &=\frac{1}{4}\ln \left(\frac{u^{2}+2u+1}{u^{2}+1}\right)\Big|_{u=+\infty}^{}+ \frac{\pi}{4}\\ &=\frac{1}{4}\ln \left(1+ \frac{2u}{u^{2}+1}\right)\Big|_{u=+\infty}^{}+\frac{\pi}{4}\\ &=0+\frac{\pi}{4}=\frac{\pi}{4} \end{aligned} 02πcosθ+sinθcosθdθ=02π1+tanθcos2θdtanθ=02π(tan2θ+1)(1+tanθ)1dtanθ=u=tanθ0+(1+u)(1+u2)1du=0+[1+uA+1+u2Bu+C]du A+B=0B+C=0A+C=1解得 A=21B=21C=21=210+1+u1du+210+u2+1u+1du=21ln(1+u) u=+210+u2+121d(u2+1)du=21ln(1+u) u=+41ln(u2+1) u=++21arctanu u=+=41ln(u2+1u2+2u+1) u=++4π=41ln(1+u2+12u) u=++4π=0+4π=4π
    后面计算同上

    例9:设 D k D_{k} Dk是圆域 D = { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ 1 } D=\left\{(x,y)|x^{2}+y^{2}\leq 1\right\} D={(x,y)x2+y21}在第 k k k象限的部分,记 I k = ∬ D k ( y − x ) d x d y ( k = 1 , 2 , 3 , 4 ) Ik=Dk(yx)dxdy(k=1,2,3,4),说明 I k I_{k} Ik的正负

    由于在第二象限 y − x > 0 y-x>0 yx>0,因此 I 2 > 0 I_{2}>0 I2>0,同理 I 4 < 0 I_{4}<0 I4<0
    对于 I 1 I_{1} I1,有
    I 1 = ∬ D 1 ( y − x ) d σ = ∬ D 1 ( x − y ) d σ ∬ D 1 ( y − x ) d σ = − ∬ D 1 ( y − x ) d σ = 0 I1D1(yx)dσ=D1(yx)dσ=D1(xy)dσ=D1(yx)dσ=0
    同理 I 3 = 0 I_{3}=0 I3=0

    例10:已知平面域 D = { ( x , y ) ∣ ∣ x ∣ + ∣ y ∣ ≤ π 2 } D=\left\{(x,y)||x|+|y|\leq \frac{\pi}{2}\right\} D={(x,y)∣∣x+y2π},记 I 1 = ∬ D x 2 + y 2 d σ , I 2 = ∬ D sin ⁡ x 2 + y 2 d σ , I 3 = ∬ D ( 1 + cos ⁡ x 2 + y 2 ) d σ I1=Dx2+y2 dσ,I2=Dsinx2+y2 dσ,I3=D(1+cosx2+y2 )dσ,说明 I 3 < I 2 < I 1 I_{3}I3<I2<I1

    由于被积区域相同,因此函数值大则 I I I大,令 x 2 + y 2 = r \sqrt{x^{2}+y^{2}}=r x2+y2 =r显然有
    r > sin ⁡ r ≥ sin ⁡ 2 r = 1 − cos ⁡ 2 r ≥ 1 − cos ⁡ r r> \sin r \geq \sin ^{2}r=1-\cos ^{2}r \geq 1-\cos r r>sinrsin2r=1cos2r1cosr

    画个图也行,不难

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