二重积分的应用
几何应用
1. 平面图形的面积
平面面积
平面区域 的面积:
这是二重积分最直接的应用——被积函数为1时,积分值就是区域的面积。
2. 立体的体积(曲顶柱体)
曲顶柱体体积
以平面区域 为底、曲面 为顶的曲顶柱体体积:
更一般地,由上曲面 和下曲面 围成的立体体积:
3. 曲面的面积
定理1
设曲面 由方程 给出, 是 在 平面上的投影区域, 在 上具有一阶连续偏导数,则曲面 的面积为:
几何解释
推论
证明
符号说明
曲面面积公式中的被积函数 可以理解为曲面切平面与投影平面之间面积的”缩放因子”。
物理应用
1. 平面薄片的质量
质量
设平面薄片占有区域 ,面密度为 ,则薄片的质量为:
2. 质心(重心)
定理2
平面薄片的质心坐标 :
其中 是总质量。
若薄片均匀( 为常数),则质心称为形心: 其中 是区域 的面积。
几何解释
推论
证明
符号说明
3. 转动惯量
定理3
平面薄片关于各轴的转动惯量:
- 关于 轴:
- 关于 轴:
- 关于原点(极轴):
几何解释
推论
证明
符号说明
4. 引力
平面薄片对位于点 处质量为 的质点的引力 :
其中 为引力常数。
典型例题
例题1:求曲面面积
求球面 被柱面 所截下部分(维维安尼立体的顶面)的面积。
参考答案(5 个标签)
二重积分曲面面积球面柱面极坐标
解题思路: 先求上半球面 的偏导数,再用曲面面积公式。投影区域是圆 。
详细步骤:
- 上半球面:
- 偏导数:,
- 投影区域 ,极坐标下
- 上半部分面积:
- 上下两部分总面积:
答案:
例题2:求质心
求位于两圆 和 之间的均匀薄片的质心。
参考答案(5 个标签)
二重积分质心形心极坐标环形区域
解题思路: 均匀薄片的质心即形心。区域关于y轴对称,故 ,只需计算 。
详细步骤:
- 两圆:(圆心 ,半径1)和 (圆心 ,半径2)
- 区域关于y轴对称
- 面积:
答案:质心为
例题3:求转动惯量
求半径为 的均匀圆盘(面密度为常数 )关于其直径的转动惯量。
参考答案(4 个标签)
二重积分转动惯量圆盘极坐标
解题思路: 取直径为x轴,计算关于x轴的转动惯量 。
详细步骤:
- 圆盘 ,极坐标
- 总质量 ,故
答案:(其中 为圆盘总质量)
练习题
练习1
求由曲面 和 所围立体的体积。
参考答案(4 个标签)
二重积分体积旋转抛物面极坐标
解题思路: 两曲面的交线在 处。上曲面 ,下曲面 。
详细步骤:
- 交线:,投影区域
- 极坐标:
答案:
练习2
求均匀半圆薄片 的形心。
参考答案(5 个标签)
二重积分形心半圆极坐标对称性
解题思路: 区域关于y轴对称,。计算 。
详细步骤:
- 面积
答案:形心为
总结
本文出现的符号
| 符号 | 类型 | 读音/说明 | 在本文中的含义 |
|---|---|---|---|
| 面密度 | surface density | 平面薄片在点(x,y)处的面密度 | |
| 质量 | mass | 平面薄片的总质量 | |
| 质心坐标 | centroid coordinates | 质心的坐标 | |
| 转动惯量 | moment of inertia | 关于x轴/y轴的转动惯量 | |
| 面积 | area | 平面区域的面积 | |
| 体积 | volume | 立体的体积 | |
| 曲面面积 | surface area | 曲面的面积 |
中英对照
| 中文术语 | 英文术语 | 音标 | 说明 |
|---|---|---|---|
| 曲面面积 | surface area | /ˈsɜːrfɪs ˈɛəriə/ | 空间曲面的面积 |
| 面密度 | surface density | /ˈsɜːrfɪs ˈdɛnsəti/ | 单位面积的质量 |
| 质心 | center of mass | /ˈsɛntər əv mæs/ | 质量中心 |
| 形心 | centroid | /ˈsɛntrɔɪd/ | 均匀物体的质心,即几何中心 |
| 转动惯量 | moment of inertia | /ˈmoʊmənt əv ɪˈnɜːrʃə/ | 物体转动惯性的量度 |
| 引力 | gravitational force | /ˌɡrævɪˈteɪʃənəl fɔːrs/ | 物体间的万有引力 |
| 曲顶柱体 | cylinder with curved top | /ˈsɪləndər wɪð kɜːrvd tɒp/ | 顶面为曲面的柱体 |
