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微積分/多元積分

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多元積分

二重積分

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區間劃分圖示

對於(黎曼)積分,我們考慮黎曼和。回想一下,在單變數情況下,我們將區間分成越來越多的子區間,它們的寬度越來越小,我們透過對每個子區間對應矩形的面積求和來對區間進行積分。對於多元變數情況,我們需要做類似的事情,但問題在於我們需要在 或更一般地 中劃分'區間'。 (實際上,我們只在 中有 區間 這個術語。)

在多元變數情況下,我們需要考慮的不只是'區間'本身(在多元變數情況下沒有定義),而是 中區間的 笛卡爾積,以及更一般地 中區間的 n 元笛卡爾積

笛卡爾積示例圖示。

定義。n 元笛卡爾積) 在 個集合 上的 n 元笛卡爾積 元組(或向量)的集合。

備註。

  • 回想一下 區間 本質上是一個集合,例如
  • 二元笛卡爾積簡稱為笛卡爾積,例如 笛卡爾積,在幾何上它也是一個邊長為 1 和 2 的 矩形
  • 特殊情況: 被稱為 n 階笛卡爾冪,用 表示,例如 .

面積(對於 ),體積(對於 )或度量(對於每個正數 )的幾何物件(例如, 中的矩形和 中的立方體)在 中是所有邊長(在不同維度上)的乘積。

示例。

  • 是兩個區間上的笛卡爾積(在 中幾何意義上是一個邊長為 的正方形)。
  • 是三個區間上的 3 階笛卡爾積(在 中幾何意義上是一個長方體)。
  • 是四個區間的四元笛卡爾積,或者說四元笛卡爾冪(表示為 )。(從幾何角度來看,它是一個 四維立方體,位於 中)

現在,我們準備用與單積分類似的方式定義多重積分。為簡便起見,我們先討論二重積分,然後以類似的方式推廣到多重積分。

將矩形劃分為 中的示意圖。

定義。(二重積分)設 是定義在 中矩形 上的函式。考慮將 分割成面積分別為 的小矩形。在第 個矩形中任選一個點。如果極限 存在,則函式 上是可積的,這時我們用 是面積的助記符號)表示這個極限,並稱之為函式 上的二重積分

備註。

  • 極限 上的黎曼和,其中將 分割成小矩形。
  • 當我們從矩形 中分割出越來越多的、面積越來越小的矩形時,我們在每個矩形中任選 的點的具體位置就變得越來越不重要了,因為每個小矩形中的不同點變得越來越“靠近”,因此不同點的位置也變得越來越“相似”。
  • 我們可以假設良好函式(本題中給出的函式都是良好的,除非另有說明)是可積的,因此我們不需要檢查我們遇到的每個函式的可積性(可積性的檢查涉及極限的正式定義,這裡不討論)。
  • 計算二重積分的過程稱為二重積分

二重積分的物理意義是計算體積。

命題。(二重積分給出的體積)設 是定義在 中的矩形 上的一個可積函式。假設對每個 都有。那麼, 上的圖形下方體積為

備註。

  • 如果 不總是 ,則 平面下方的區域具有負體積,因此該負體積將抵消正體積,這可能是也可能不是想要的。
  • 如果 始終為負,則該公式計算的體積為負,我們通常取其絕對值以得到體積,因為體積通常定義為非負的。

我們還介紹一些二重積分的性質,以簡化二重積分的計算。

命題。(二重積分的性質)設 是定義在 中的矩形 上的可積函式。那麼,以下性質成立。

  • (線性) 上可積,對於任何實數 ,並且
  • (單調性) 如果對於每個 ,有 ,那麼
  • (三角不等式) 上可積,並且

命題. (連續性蘊含可積性) 令 為定義在 中的矩形 上的 連續 函式。那麼,函式 可積。

注. 由於許多好的函式通常是連續的,因此大多數好的函式都是可積的。

重複積分

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值得慶幸的是,我們並不總是需要使用黎曼和來計算多變數積分。有一些結果可以使我們的生活更輕鬆。在陳述結果之前,我們需要定義 重複積分,它在結果中使用。

定義. (逐次積分) 令 是在矩形 上定義的連續函式,其中 中的矩形。 逐次積分定義為

備註. 例如,對於積分 ,我們首先計算定積分 關於 ,將 視為 常數。 然後,我們計算關於 的剩餘積分。

計算逐次積分通常比使用黎曼和直接計算二重積分容易得多。 所以,如果我們能找到逐次積分和二重積分之間的關係,以便藉助逐次積分來計算二重積分,那就太好了。 事實上,確實如此,以下定理是逐次積分和二重積分之間的橋樑。

定理. (富比尼定理) 設 是在矩形 上定義的連續函式,其中 中的矩形。那麼,

備註。

  • 也就是說,我們可以使用 任何 順序的累次積分來計算相應的二重積分
  • 需要注意的是,在改變積分順序後,每個積分的積分限也會發生變化

示例。

1 選擇以下表達式中,哪些是積分 的正確表示式。

2 選擇以下表達式中,哪些是積分 的正確表示式。


示例。 (長方體體積)

(i) 證明函式 在矩形 上的圖形下方的體積是 .

(ii) 因此,證明長為 ,寬為 ,高為 的長方體的體積是 .

證明。

(i) 因為對於每個 ,都有 ,根據二重積分給出的體積定義,體積為 。根據富比尼定理,這等於

備註。 從幾何上看,該圖形是一個長方體,其體積由各邊長的乘積給出,即 ,與我們的答案一致。

(ii) 所需體積由 (常數函式 在矩形 上的二重積分,該矩形的長為 ,寬為 )。(我們也可以將積分表示為 而不影響結果。)然後,根據富比尼定理,

R2 中更一般區域上的二重積分

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我們已經定義了 中的矩形上的二重積分。但是,我們經常想要計算在除了矩形之外形狀的區域上的二重積分,例如圓形、三角形等等。因此,我們將討論一種方法,在不改變二重積分定義的情況下,對更一般的區域進行二重積分計算。

考慮一個函式 ,其中 是一個一般區域。為了應用二重積分的定義,我們需要將一般區域 轉換為一個矩形(例如 )。一種方法是找到一個 包含 的矩形 (即 ),並設 對於每個 位於 外部 (即對於每個 )。由於函式在積分割槽域之外的值為零,因此這 不會 改變 上的圖形下的體積,因此這種方法是定義此類二重積分的好方法。我們將在下面正式定義此類二重積分。

定義.(一般區域上的二重積分)令 是定義在(任意形狀)區域 上的函式。然後,我們定義 對於每個在 外部的 (即對於每個 ),並定義函式 在區域 上的 二重積分,如果後一個積分存在。

注. 然後,我們可以透過計算後一個積分的相應黎曼和來計算一般區域上的二重積分。

然而,這種計算方法(透過計算黎曼和)通常非常困難,我們通常使用傅比尼定理的推廣版本來計算這些積分。這將在下面討論。

定理.(傅比尼定理的推廣)令 是定義在(任意形狀)區域 上的連續函式。則以下結論成立。

(i) 如果 ,其中函式 是連續函式,那麼 (ii) 如果 ,其中函式 是連續函式,那麼 ,其中 是滿足上述條件的實數。

證明。 我們可以透過 Fubini 定理(非泛化版本) 和應用 一般區域上的二重積分定義 來證明這個定理。(我們可以使用 Fubini 定理,因為我們假設函式 是連續函式。)

部分 (i):()

取任意矩形 包含 (即 )。然後,定義 如果 。之後, 結果隨之得出。(我們說上述不等式中是否取等號並不重要,因為點上的定積分無論如何都等於零,所以它不影響結果。)

部分 (ii):()

類似地,取任意矩形 包含 (即 )。然後,定義 如果 。之後, 結果隨之而來。

備註。 通常,找到 的界限是我們計算這種二重積分時最困難的一步。

示例。 中頂點為 的三角形。證明

證明。
方法 1 的示意圖
方法 2 的示意圖

Approach 1: The bound for is . Given a fixed , the bound for is . Thus, the integral is Approach 2: The bound for is . Given a fixed , the bound for is . Thus, the integral is

示例。(四面體的體積)考慮一個四面體,它位於 中,頂點為 ,其中 是正數。定義向量 。證明該四面體的體積為 。(即, 由向量 張成的平行六面體的體積。)

證明。
用二重積分求四面體體積的示意圖

Let the plane containing and be . To find the equation of , consider its normal vector. A normal vector of is Therefore, the equation of is The desired volume is the volume under the graph of over a region , and the region is the projection of the tetrahedron on the xy-plane, which is the triangle with vertices in . Because the line passing through and has equation , the bound for is , and the bound for is given a fixed . Thus, the desired volume is On the other hand, which equals the desired volume.

示例。(交換積分順序)證明 大約等於 。(保留兩位小數)

證明。
該積分割槽域邊界示意圖(區域 *ABC*)。

如果我們按照這個順序積分,計算將非常繁瑣。因此,我們將使用廣義的富比尼定理交換積分順序,以簡化計算。最初,邊界是(給定一個固定的 )。如果我們首先對 積分,則邊界適當的表示式為(給定一個固定的 )。因此,

命題。(二重積分的區域並集)設 是定義在 上的有界連續函式, 中的集合。如果 的並集,其中重疊集合(在 中)具有零面積,那麼,只要積分存在。

備註。

  • 中類似情況的例子: 的重疊集合具有零長度)。
  • 曲線 中具有零面積。

推論。 (二重積分割槽域的減法) 設 是在 中有界集 上定義的連續函式。如果 的並集,其中 ,那麼 ,如果這些積分存在。

證明。 首先, 的重疊部分是 ,面積為零。接下來,因為 結論得證。

命題。 (二重積分求面積)令 中的有界區域。則 的面積為

證明。 常數函式 上的圖形下的體積等於底面積(即 的面積)乘以高度(高度在本例中為 1)。因此, 的面積等於 上的圖形下的體積,即 ,根據 關於體積的二重積分命題(因為對於每個 )。

備註。 回想一下,有界區域的面積也可以透過單重積分求得。在某些情況下,使用這個命題會更方便。

例子。 是由曲線 所包圍的區域,其中 是一個正數。證明有界區域 的面積是

證明。

Solving and , we get . Because , intersection points of these two curves are and . Therefore, the bound for is , and given a fixed , the bound for is . Thus, the desired area is Remark. Geometrically, the bounded region is a disk (region in a plane bounded by a circle) of radius .

三重積分

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二重積分部分中的概念可以類推應用到 三重積分(以及一般多重積分)中。在本部分,我們將給出一些關於三重積分的例子。

定義。 (三重積分)設 是定義在 中的矩形盒(或矩形長方體) 上的函式。考慮將 分割成體積分別為 的小盒。在第 個盒中選擇一個任意。函式可積,如果 存在。在這種情況下,我們將此極限記為 是體積的助記符),並稱之為三重積分 上的

備註。

  • 計算三重積分 的過程被稱為三重積分

定理。 (廣義傅比尼定理(三重積分版本))設 是定義在(形狀任意)區域 上的連續函式。那麼,以下成立。

(i) if , then (ii) if , then (iii) if , then (iv) if , then (v) if , then (vi) if , then in which each function involved is continuous. That is, we can use either one of all possible integration orders for iterated integrals to compute triple integrals, with suitable bounds.

命題。(三重積分給出的四維體積)設 是定義在 中的矩形盒 上的一個 可積 函式。假設對於每個 都有 。那麼, 上的圖形下的 四維體積

備註。 這只是一個理論結果,很難直觀地理解。

命題。(三重積分給出的體積)設 中的有界區域。那麼,體積

例題。 考慮一個由球體(半徑為 ,為正數) 圍成的區域 ,該區域位於八分之一空間 (+,+,+)(即 均為正數)內。

(i) 證明 的體積為

(ii) 由此證明,由球體(在 中)圍成的區域的體積為

證明。

(i) 給定 的邊界為 以及 。我們可以將這些邊界表示如下:

  • 給定一個固定的 ,目標是找到 的邊界,形式為
  • 步驟:
  • 給定固定的 從其邊界中選取,即 ,而 從其邊界中選取,該邊界取決於固定的 ),目標是找到 的邊界,形式為
  • 步驟:

Therefore, by generalized Fubini's theorem (triple integrals version) (i) and proposition about volume given by triple integration, the desired volume is

(ii) 由於有八個八分圓(在中),並且每個八分圓彼此對稱。還有七個區域與在除 (+,+,+) 八分圓以外的八分圓中對稱。因此,所需的體積是 備註: (ii) 中提到的區域是半徑為球體(由球面包圍的立體圖形)。


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