对称性与奇偶性在二重积分中的应用

基本思想

利用对称性和奇偶性可以避免复杂的积分计算,直接判断积分值为零或简化为半个区域上的积分。这是二重积分中最常用的技巧之一。

关于坐标轴的对称性

关于 xx 轴对称

定理1

设积分区域 DD 关于 xx 轴对称,D1D_1DDxx 轴上方的部分(y0y \geq 0)。

  • f(x,y)=f(x,y)f(x, -y) = -f(x, y)(即 ff 关于 yy奇函数),则 Df(x,y)dxdy=0\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 0

  • f(x,y)=f(x,y)f(x, -y) = f(x, y)(即 ff 关于 yy偶函数),则 Df(x,y)dxdy=2D1f(x,y)dxdy\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 2\iint_{D_1} f(x,y) \, dx\,dy

几何解释
推论
证明
符号说明

关于 yy 轴对称

定理2

设积分区域 DD 关于 yy 轴对称,D1D_1DDyy 轴右方的部分(x0x \geq 0)。

  • f(x,y)=f(x,y)f(-x, y) = -f(x, y)(即 ff 关于 xx奇函数),则 Df(x,y)dxdy=0\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 0

  • f(x,y)=f(x,y)f(-x, y) = f(x, y)(即 ff 关于 xx偶函数),则 Df(x,y)dxdy=2D1f(x,y)dxdy\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = 2\iint_{D_1} f(x,y) \, dx\,dy

几何解释
推论
证明
符号说明

关于原点对称

定理3

设积分区域 DD 关于原点对称(即若 (x,y)D(x,y) \in D,则 (x,y)D(-x,-y) \in D),D1D_1DD 的一半。

  • f(x,y)=f(x,y)f(-x, -y) = -f(x, y),则 Dfdσ=0\iint_D f \, d\sigma = 0
  • f(x,y)=f(x,y)f(-x, -y) = f(x, y),则 Dfdσ=2D1fdσ\iint_D f \, d\sigma = 2\iint_{D_1} f \, d\sigma
几何解释
推论
证明
符号说明

轮换对称性

轮换对称性

若积分区域 DD 关于直线 y=xy = x 对称(即将 xxyy 互换后区域不变),则称 DD 具有轮换对称性。此时:

Df(x,y)dxdy=Df(y,x)dxdy\iint_D f(x,y) \, dx\,dy = \iint_D f(y,x) \, dx\,dy

特别地: Df(x)dxdy=Df(y)dxdy\iint_D f(x) \, dx\,dy = \iint_D f(y) \, dx\,dy

因此: D[f(x)+f(y)]dxdy=2Df(x)dxdy\iint_D [f(x) + f(y)] \, dx\,dy = 2\iint_D f(x) \, dx\,dy

常见对称区域

区域对称性
x2+y2R2x^2 + y^2 \leq R^2(圆)关于x轴、y轴、原点、y=x均对称
axb,cyda \leq x \leq b, \, c \leq y \leq d(矩形)关于中心对称,关于x=a+b/2和y=c+d/2对称
x2+y22axx^2 + y^2 \leq 2ax(偏心圆)关于x轴对称
x2+y22ayx^2 + y^2 \leq 2ay(偏心圆)关于y轴对称
$x

典型例题

例题1:奇函数在对称区域上积分为零

计算 D(x+y)dxdy\iint_D (x + y) \, dx\,dy,其中 D:x2+y21D: x^2 + y^2 \leq 1

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二重积分对称性奇偶性圆域

解题思路: 圆域关于x轴和y轴都对称。xx 关于 xx 是奇函数,yy 关于 yy 是奇函数。

详细步骤

  1. DD 关于y轴对称,被积函数中的 xx 关于 xx 是奇函数 Dxdxdy=0\Rightarrow \iint_D x \, dx\,dy = 0
  2. DD 关于x轴对称,被积函数中的 yy 关于 yy 是奇函数 Dydxdy=0\Rightarrow \iint_D y \, dx\,dy = 0
  3. 因此 D(x+y)dxdy=0+0=0\iint_D (x+y) \, dx\,dy = 0 + 0 = 0

答案00

例题2:偶函数减半区域

计算 Dxydxdy\iint_D |xy| \, dx\,dy,其中 D:x2+y21D: x^2 + y^2 \leq 1

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二重积分对称性偶函数绝对值圆域

解题思路xy|xy| 关于 xxyy 都是偶函数,区域关于两坐标轴都对称,可以化为第一象限积分的4倍。

详细步骤

  1. xy|xy| 关于 xx 是偶函数((x)y=xy|(-x)y| = |xy|),关于 yy 也是偶函数
  2. 区域关于x轴和y轴对称,因此 Dxydxdy=4D1xydxdy\iint_D |xy| \, dx\,dy = 4\iint_{D_1} xy \, dx\,dy 其中 D1D_1 是第一象限部分:x0,y0,x2+y21x \geq 0, y \geq 0, x^2+y^2 \leq 1
  3. 用极坐标计算 D1D_10ρ1,0θπ20 \leq \rho \leq 1, \, 0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} D1xydxdy=0π/2dθ01(ρcosθ)(ρsinθ)ρdρ\iint_{D_1} xy \, dx\,dy = \int_0^{\pi/2} d\theta \int_0^1 (\rho\cos\theta)(\rho\sin\theta) \rho \, d\rho =0π/2cosθsinθdθ01ρ3dρ=[12sin2θ]0π/214=12×14=18= \int_0^{\pi/2} \cos\theta\sin\theta \, d\theta \int_0^1 \rho^3 \, d\rho = \left[\frac{1}{2}\sin^2\theta\right]_0^{\pi/2} \cdot \frac{1}{4} = \frac{1}{2} \times \frac{1}{4} = \frac{1}{8}
  4. 原积分 =4×18=12= 4 \times \frac{1}{8} = \frac{1}{2}

答案12\frac{1}{2}

例题3:轮换对称性

计算 Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dxdy\iint_D \frac{a f(x) + b f(y)}{f(x) + f(y)} \, dx\,dy,其中 D:x2+y2R2D: x^2 + y^2 \leq R^2ff 为正值连续函数。

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二重积分轮换对称性圆域抽象函数

解题思路: 圆域关于 y=xy=x 对称,具有轮换对称性。将 xxyy 互换后积分值不变。

详细步骤

  1. I=Daf(x)+bf(y)f(x)+f(y)dxdyI = \iint_D \frac{a f(x) + b f(y)}{f(x) + f(y)} \, dx\,dy
  2. 由轮换对称性,将 xxyy 互换: I=Daf(y)+bf(x)f(y)+f(x)dxdyI = \iint_D \frac{a f(y) + b f(x)}{f(y) + f(x)} \, dx\,dy
  3. 将两式相加: 2I=D(a+b)[f(x)+f(y)]f(x)+f(y)dxdy=D(a+b)dxdy=(a+b)πR22I = \iint_D \frac{(a+b)[f(x)+f(y)]}{f(x)+f(y)} \, dx\,dy = \iint_D (a+b) \, dx\,dy = (a+b) \cdot \pi R^2
  4. 因此 I=(a+b)πR22I = \frac{(a+b)\pi R^2}{2}

答案(a+b)πR22\frac{(a+b)\pi R^2}{2}

例题4:部分对称(拆分被积函数)

计算 D(x2+y)dxdy\iint_D (x^2 + y) \, dx\,dy,其中 DDy=x2y = x^2y=1y = 1 围成。

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二重积分对称性奇偶性抛物线区域

解题思路: 区域关于y轴对称。将被积函数拆分为 x2x^2(关于x的偶函数)和 yy(关于x的偶函数,因为 yy 不含 xx)。

详细步骤

  1. 区域 DD1x1,x2y1-1 \leq x \leq 1, \, x^2 \leq y \leq 1,关于y轴对称
  2. Dydxdy\iint_D y \, dx\,dyyy 关于 xx 是偶函数 \Rightarrow 可减半,但直接计算也行
  3. 拆分: D(x2+y)dxdy=Dx2dxdy+Dydxdy\iint_D (x^2 + y) \, dx\,dy = \iint_D x^2 \, dx\,dy + \iint_D y \, dx\,dy
  4. Dx2dxdy=11dxx21x2dy=11x2(1x2)dx=201(x2x4)dx=2(1315)=415\iint_D x^2 \, dx\,dy = \int_{-1}^1 dx \int_{x^2}^1 x^2 dy = \int_{-1}^1 x^2(1-x^2) dx = 2\int_0^1 (x^2 - x^4) dx = 2(\frac{1}{3} - \frac{1}{5}) = \frac{4}{15}
  5. Dydxdy=11dxx21ydy=1112(1x4)dx=01(1x4)dx=115=45\iint_D y \, dx\,dy = \int_{-1}^1 dx \int_{x^2}^1 y \, dy = \int_{-1}^1 \frac{1}{2}(1-x^4) dx = \int_0^1 (1-x^4) dx = 1 - \frac{1}{5} = \frac{4}{5}
  6. 总和:415+45=415+1215=1615\frac{4}{15} + \frac{4}{5} = \frac{4}{15} + \frac{12}{15} = \frac{16}{15}

答案1615\frac{16}{15}


练习题

练习1

计算 D(x3y+sinxcosy)dxdy\iint_D (x^3 y + \sin x \cos y) \, dx\,dy,其中 D:x2+y21D: x^2 + y^2 \leq 1

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二重积分对称性奇函数圆域

解题思路: 圆域关于x轴和y轴对称。x3yx^3 y 关于x和y都是奇函数;sinxcosy\sin x \cos y 关于x是奇函数。

详细步骤

  1. x3yx^3 y:关于x是奇函数((x)3y=x3y(-x)^3 y = -x^3 y),区域关于y轴对称 \Rightarrow 积分为0
  2. sinxcosy\sin x \cos y:关于x是奇函数(sin(x)cosy=sinxcosy\sin(-x)\cos y = -\sin x \cos y),区域关于y轴对称 \Rightarrow 积分为0
  3. 总和为0

答案00

练习2

计算 D(x+y)2dxdy\iint_D (x + y)^2 \, dx\,dy,其中 D:x2+y21D: x^2 + y^2 \leq 1

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二重积分对称性轮换对称性圆域

解题思路: 展开 (x+y)2=x2+2xy+y2(x+y)^2 = x^2 + 2xy + y^2xyxy 关于x是奇函数,积分为0。由轮换对称性,x2=y2\iint x^2 = \iint y^2

详细步骤

  1. D(x+y)2dxdy=D(x2+2xy+y2)dxdy\iint_D (x+y)^2 dx\,dy = \iint_D (x^2 + 2xy + y^2) dx\,dy
  2. xyxy 关于x是奇函数 D2xydxdy=0\Rightarrow \iint_D 2xy \, dx\,dy = 0
  3. 由轮换对称性 Dx2dxdy=Dy2dxdy\iint_D x^2 dx\,dy = \iint_D y^2 dx\,dy
  4. D(x2+y2)dxdy=2Dx2dxdy\iint_D (x^2 + y^2) dx\,dy = 2\iint_D x^2 dx\,dy,或直接用极坐标: D(x2+y2)dxdy=02πdθ01ρ2ρdρ=2π14=π2\iint_D (x^2+y^2) dx\,dy = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^1 \rho^2 \cdot \rho \, d\rho = 2\pi \cdot \frac{1}{4} = \frac{\pi}{2}
  5. 结果:π2\frac{\pi}{2}

答案π2\frac{\pi}{2}


总结

本文出现的符号

符号类型读音/说明在本文中的含义
D1D_1子区域subregion对称区域的一半(如上半部分/右半部分)
f(x,y)f(-x,y)函数值function value将x替换为-x后的函数值,用于判断奇偶性

中英对照

中文术语英文术语音标说明
对称性symmetry/ˈsɪmətri/区域关于坐标轴或原点的对称性质
奇偶性parity/ˈpærəti/函数关于自变量的奇偶性质
奇函数odd function/ɒd ˈfʌŋkʃən/f(x)=f(x)f(-x) = -f(x) 的函数
偶函数even function/ˈiːvən ˈfʌŋkʃən/f(x)=f(x)f(-x) = f(x) 的函数
轮换对称性cyclic symmetry/ˈsaɪklɪk ˈsɪmətri/交换x和y后区域不变的性质
对称区域symmetric region/sɪˈmɛtrɪk ˈriːdʒən/具有对称性的积分区域