多變數微積分・二重積分

二重積分

f在區域R上的二重積分,是R與曲面z = f(x, y)之間的有號體積;曲面沉到地面以下的地方算負值。固定x切開立體,切片面積A(x)就是普通積分,上下限是切刀進出R的位置。由左至右累加A(x)便得到體積;f連續時,改為固定y切片也得到相同結果。

此視覺化中的二重積分

在區域R上鋪n × n網格,中心落在R內的每格都立起一根小柱,高度是f在中心的值。小柱的總體積∑f(xi,yj) Δx Δy\sum f(x_i, y_j)\,\Delta x\,\Delta y就是黎曼和。網格越細,這些和越接近同一個數,也就是二重積分∬Rf dA\iint_R f\,dA。f為負時,小柱懸在地面以下,算作負值,因此二重積分是有號體積。

切片將二重積分化為兩次普通積分。沿x切片時,藍色切刀是平面x = s,切出藍色薄片,其有號面積A(s)A(s)是對y的普通積分。下方圖形畫出A隨切刀位置的變化。關閉小柱時,切刀以前塗黃的有號面積,就是目前掃過的體積;整個範圍的有號面積則是二重積分。這就是累次積分。當R的每個切片都是單一區間時,可寫成:

每個切片都是單一區間時,兩種切片次序
∬Rf dA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y) dy⏟A(x) dx=∫cd∫h1(y)h2(y)f(x,y) dx⏟B(y) dy\iint_R f\,dA = \int_a^b \underbrace{\int_{g_1(x)}^{g_2(x)} f(x, y)\,dy}_{A(x)}\,dx = \int_c^d \underbrace{\int_{h_1(y)}^{h_2(y)} f(x, y)\,dx}_{B(y)}\,dy

內層上下限是切刀進出R的位置,也就是地面上的藍點。在三角形0≤y≤x≤20 \le y \le x \le 2中,x處的切片從y = 0延伸到y = x,因此內層積分為∫0x\int_0^x,上限取決於x。在圓環1≤x2+y2≤41 \le x^2 + y^2 \le 4中,滿足∣x∣<1|x| < 1的切刀會穿過孔洞,切片分成兩塊,內層積分也變成兩個積分相加,每塊各一個。

更換次序時,要重新從區域讀出上下限,不能直接互換。同一個三角形中,固定y的切片從x = y延伸到x = 2,因此:

同一個三角形,兩種切法
∫02 ⁣∫0x(1+y) dy dx=∫02 ⁣∫y2(1+y) dx dy=103\int_0^2\!\int_0^x (1 + y)\,dy\,dx = \int_0^2\!\int_y^2 (1 + y)\,dx\,dy = \tfrac{10}{3}

兩種次序並列顯示兩種切片面積。它們是不同的函數:A(x)=x+x2/2A(x) = x + x^2/2持續增加,B(y)=(1+y)(2−y)B(y) = (1 + y)(2 - y)則先增後減,但圖形下的面積相同。有限根小柱逐橫列相加或逐直行相加,總量都一樣;網格越細,這兩種加法就分別趨近兩個累次積分。若f在閉且有界的區域上連續,區域邊界由有限條光滑曲線組成,兩種次序都得到二重積分。這就是富比尼定理,本頁每個預設例子都滿足它的條件。

有時只有一種次序能用初等函數計算。在三角形0≤x≤y≤10 \le x \le y \le 1上,固定x會留下∫x1ey2 dy\int_x^1 e^{y^2}\,dy,而ey2e^{y^2}沒有初等反導函數。改為固定y,每片都是寬y、高ey2e^{y^2}的長方形,體積為∫01y ey2 dy=(e−1)/2≈0.859\int_0^1 y\,e^{y^2}\,dy = (e - 1)/2 \approx 0.859。

值得注意

  • 切片沒有厚度。它是面積,不是一小塊體積。
  • 小柱的和是有限黎曼和。n增加時,它會趨近體積,但n每次加倍不一定都更接近:圓環例子在n = 32時,比n = 16時稍遠一些。

操作

  • 透視下的切片看起來會傾斜,也比實際更窄。正對切片會將鏡頭轉到正對切刀平面的方向。

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