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二重积分的概念与性质

二重积分的概念​

定义​

设 f(x,y)f(x,y) 是有界闭区域 DD 上的有界函数。 将闭区域 DD 任意分成 nn 个小闭区域

Δσ1,Δσ2,⋯ ,Δσn\Delta\sigma_1, \Delta\sigma_2, \cdots, \Delta\sigma_n

其中 Δσi\Delta \sigma_i 表示第 ii 个小闭区域,也表示它的面积。 在每个 Δσi\Delta \sigma_i 上任取一点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i) ,作乘积 f(ξi,ηi)Δσi(i=1,2,⋯ ,n)f(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_i \quad (i=1, 2, \cdots, n) ,并作和 ∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi\displaystyle \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_i 如果当各小闭区域的直径中的最大值 λ→0\lambda \to 0 时,这和的极限总存在,且与闭区域 DD 的分法及点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i) 的取法无关,那么称此极限为函数 f(x,y)f(x,y) 在闭区域 DD 上的 二重积分,记作 ∬Df(x,y)dσ\iint \limits_D f(x, y) \mathrm{d} \sigma 即

∬Df(x,y)dσ=lim⁡λ→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi(1-1)\tag{1-1} \iint \limits_D f(x,y) \mathrm{d} \sigma = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i) \Delta \sigma_i

其中 f(x,y)f(x,y) 叫做 被积函数 , f(x,y)dσf(x,y) \mathrm{d} \sigma 叫做被积表达式 , dσ\mathrm{d} \sigma 叫做 面积元素 , xx 与 yy 叫做 积分变量 , DD 叫做 积分区域 , ∑i=1nf(ξi,ηi)Δσi\displaystyle \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i) \Delta\sigma_i 叫做 积分和 。

二重积分的性质​

性质 1​

设 α\alpha 与 β\beta 为常数,则

∬D[αf(x,y)+βg(x,y)] dσ=α∬Df(x,y) dσ+β∬Dg(x,y) dσ\iint \limits_D [\alpha f(x,y) + \beta g(x,y)] \, \mathrm{d} \sigma = \alpha \iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma + \beta \iint \limits_D g(x,y) \, \mathrm{d} \sigma

性质 2​

如果闭区域 DD 被有限条曲线分为有限个部分闭区域,那么在 DD 上的二重积分等于在各部分闭区域上的二重积分的和。

例如 DD 分为两个闭区域 D1D_1 与 D2D_2,则

∬Df(x,y) dσ=∬D1f(x,y) dσ+∬D2f(x,y) dσ\iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma = \iint \limits_{D_1} f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma + \iint \limits_{D_2} f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma

这个性质表示二重积分对积分区域具有 可加性 。

性质 3​

如果在 DD 上,f(x,y)=1f(x, y) = 1 , σ\sigma 为 DD 的面积,那么

σ=∬D1⋅ dσ=∬Ddσ\sigma = \iint \limits_D 1 \cdot \, \mathrm{d} \sigma = \iint \limits_D \mathrm{d} \sigma

这个性质的几何意义是很明显的,因为高为 11 的平顶柱体的体积在数值上就等于柱体的底面积。

性质 4​

如果在 DD 上,f(x,y)≤g(x,y)f(x,y) \leq g(x,y),那么有

∬Df(x,y) dσ≤∬Dg(x,y) dσ\iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma \leq \iint \limits_D g(x,y) \, \mathrm{d} \sigma

特殊地,由于

−∣f(x,y)∣≤f(x,y)≤∣f(x,y)∣- |f(x,y)| \leq f(x,y) \leq |f(x,y)|

又有

∣∬Df(x,y) dσ∣≤∬D∣f(x,y)∣ dσ\left| \iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma \right| \leq \iint \limits_D |f(x,y)| \, \mathrm{d} \sigma

性质 5​

设 MM 和 mm 分别是 f(x,y)f(x,y) 在闭区域 DD 上的最大值和最小值,σ\sigma 是 DD 的面积,则有

mσ≤∬Df(x,y) dσ≤Mσm\sigma \leq \iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma \leq M \sigma

上述不等式是对于二重积分估值的不等式。 因为 m≤f(x,y)≤Mm \leq f(x,y) \leq M,所以由性质 4 有

∬Dm dσ≤∬Df(x,y) dσ≤∬DM dσ\iint \limits_D m \, \mathrm{d} \sigma \leq \iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma \leq \iint \limits_D M \, \mathrm{d} \sigma

再应用性质 1 和性质 3,便得此估值不等式。

性质 6(二重积分的中值定理)​

设函数 f(x,y)f(x,y) 在闭区域 DD 上连续,σ\sigma 是 DD 的面积,则在 DD 上至少存在一点 (ξ,η)(\xi, \eta),使得

∬Df(x,y) dσ=f(ξ,η)σ\iint \limits_D f(x,y) \, \mathrm{d} \sigma = f(\xi, \eta) \sigma