多元函数积分学

考点定位

  • 大纲位置:高等数学多元函数微积分学的积分部分。二重积分数一、数二公共且高频;三重积分、曲线曲面积分及格林/高斯/斯托克斯公式仅数一
  • 常见题型:交换积分次序、直角/极坐标选择与计算、利用对称性与奇偶性简化、分段函数与绝对值的二重积分、(仅数一)三重积分的柱面/球面坐标、格林公式与路径无关、高斯公式补面、斯托克斯公式
  • 考查频率:二重积分高(几乎每年一道计算大题或与其他章综合);三重与曲线曲面积分中(数一每年至少一道,常以高斯公式为核心)
  • 前置知识:一元函数积分学(定积分计算是本章的"子程序")、多元函数微分学(偏导与全微分)
  • 定位:本章是"纯计算准确率"章节,套路高度模式化——先看对称性、再选坐标系、最后算定积分,三步走

核心讲解

二重积分的定义与性质

定义:设 ff 在有界闭区域 DD 上有界,将 DD 任意分割为 nn 个小闭区域 Δσi\Delta\sigma_i,在每个 Δσi\Delta\sigma_i 上任取点 (ξi,ηi)(\xi_i, \eta_i),作和 ∑i=1nf(ξi,ηi) Δσi\sum\limits_{i=1}^n f(\xi_i,\eta_i)\,\Delta\sigma_i。若当各小区域直径的最大值 λ→0\lambda \to 0 时,此和的极限存在且与分割、取点方式无关,则称 ff 在 DD 上可积,极限值为二重积分:

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

几何意义:f≥0f \ge 0 时表示曲顶柱体体积;物理意义:平面薄片的质量(密度为 ff)。f≡1f \equiv 1 时 ∬Ddσ=D\iint_D d\sigma = D 的面积。

性质(与定积分完全平行,选择题直接考):

  1. 线性:∬D(αf+βg) dσ=α∬Df dσ+β∬Dg dσ\iint_D (\alpha f + \beta g)\,d\sigma = \alpha\iint_D f\,d\sigma + \beta\iint_D g\,d\sigma
  2. 区域可加:D=D1∪D2D = D_1 \cup D_2(内部不重叠)时积分相加
  3. 比较定理:DD 上 f≤gf \le g(且不恒等)⇒∬Df dσ≤∬Dg dσ\Rightarrow \iint_D f\,d\sigma \le \iint_D g\,d\sigma;推论 ∣∬Df dσ∣≤∬D∣f∣ dσ\left|\iint_D f\,d\sigma\right| \le \iint_D |f|\,d\sigma
  4. 估值定理:m≤f≤Mm \le f \le M 于 DD ⇒m σ(D)≤∬Df dσ≤M σ(D)\Rightarrow m\,\sigma(D) \le \iint_D f\,d\sigma \le M\,\sigma(D)
  5. 积分中值定理:ff 在有界闭区域 DD 上连续,则存在 (ξ,η)∈D(\xi,\eta)\in D 使 ∬Df dσ=f(ξ,η) σ(D)\iint_D f\,d\sigma = f(\xi,\eta)\,\sigma(D)

直角坐标计算与交换次序

X 型区域 D={(x,y):a≤x≤b, φ1(x)≤y≤φ2(x)}D = \{(x,y): a \le x \le b,\ \varphi_1(x) \le y \le \varphi_2(x)\}(任何竖直线与区域边界至多交两点):

∬Df dσ=∫abdx∫φ1(x)φ2(x)f(x,y) dy(先 y 后 x)\iint_D f\,d\sigma = \int_a^b dx \int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)} f(x,y)\,dy \quad\text{(先 } y \text{ 后 } x\text{)}

Y 型区域同理(先 xx 后 yy)。化二重积分为累次积分是全部计算的入口。

交换积分次序标准三步:

  1. 由给定的累次限还原区域 DD(在坐标面上画出不等式组描述的区域)
  2. 按另一型(X ⇄ Y)重新描述 DD(边界曲线必要时反解、分段)
  3. 写出新的累次积分

什么时候必须交换:内层积不出来(如 ex2e^{x^2}、sin⁡xx\dfrac{\sin x}{x}、e1/xe^{1/x} 这类原函数非初等的被积函数),只能把它挪到外层当"常数"。

极坐标计算

换元 x=rcos⁡θx = r\cos\theta,y=rsin⁡θy = r\sin\theta,面积微元

dσ=r dr dθd\sigma = r\,dr\,d\theta

(记忆要点:那个 rr 千万不能丢,它来自雅可比行列式。)

∬Df(x,y) dσ=∬D′f(rcos⁡θ,rsin⁡θ) r dr dθ\iint_D f(x,y)\,d\sigma = \iint_{D'} f(r\cos\theta, r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta

何时用极坐标(满足其一即考虑):被积函数形如 f(x2+y2)f(x^2+y^2)、f(yx)f\left(\dfrac{y}{x}\right);区域是圆域、圆环、扇形或边界含 x2+y2x^2+y^2。

常见区域的 (r,θ)(r, \theta) 描述:圆心在原点的圆 0≤θ≤2π, 0≤r≤R0 \le \theta \le 2\pi,\ 0 \le r \le R;圆 x2+y2≤2axx^2+y^2 \le 2ax 即 (x−a)2+y2≤a2(x-a)^2 + y^2 \le a^2 化为 −π2≤θ≤π2, 0≤r≤2acos⁡θ-\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2},\ 0 \le r \le 2a\cos\theta;圆 x2+y2≤2ayx^2+y^2 \le 2ay 化为 0≤θ≤π, 0≤r≤2asin⁡θ0 \le \theta \le \pi,\ 0 \le r \le 2a\sin\theta。

对称性与轮换对称性(计算前置动作,第一优先级)

奇偶对称:DD 关于 xx 轴对称,则

∬Df dσ={2∬Dy≥0f dσ,f 关于 y 为偶函数(f(x,−y)=f(x,y))0,f 关于 y 为奇函数\iint_D f\,d\sigma = \begin{cases} 2\iint_{D_{y\ge0}} f\,d\sigma, & f \text{ 关于 } y \text{ 为偶函数(} f(x,-y) = f(x,y)\text{)} \\ 0, & f \text{ 关于 } y \text{ 为奇函数} \end{cases}

关于 yy 轴对称同理。

轮换对称:若 DD 关于直线 y=xy = x 对称(区域方程中 x,yx, y 地位可互换),则

∬Df(x,y) dσ=∬Df(y,x) dσ\iint_D f(x,y)\,d\sigma = \iint_D f(y,x)\,d\sigma

经典应用:DD 为圆域 x2+y2≤R2x^2+y^2 \le R^2 时 ∬Dx2dσ=∬Dy2dσ=12∬D(x2+y2) dσ\displaystyle\iint_D x^2 d\sigma = \iint_D y^2 d\sigma = \frac12\iint_D (x^2+y^2)\,d\sigma,后者用极坐标一步可积。

实战流程:拿到积分先看区域对称性 + 被积函数奇偶性(能归零的归零、能折半的折半)→ 再选坐标系 → 最后定限计算。

三重积分(仅数一)

∭Ωf(x,y,z) dV=lim⁡λ→0∑f(ξi,ηi,ζi) ΔVi\iiint_\Omega f(x,y,z)\,dV = \lim_{\lambda\to0}\sum f(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\,\Delta V_i

先一后二(投影法):Ω\Omega 向 xOyxOy 面投影得 DxyD_{xy},Ω:(x,y)∈Dxy, z1(x,y)≤z≤z2(x,y)\Omega: (x,y)\in D_{xy},\ z_1(x,y) \le z \le z_2(x,y),则

∭Ωf dV=∬Dxydσ∫z1(x,y)z2(x,y)f(x,y,z) dz\iiint_\Omega f\,dV = \iint_{D_{xy}} d\sigma \int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)} f(x,y,z)\,dz

先二后一(截面法):被积函数只含 zz(或 zz 的部分)且截面面积易求时首选。用平面 z=zz = z 截 Ω\Omega 得截面 DzD_z(面积 S(z)S(z)):

∭Ωf dV=∫c1c2dz∬Dzf(x,y,z) dσ=∫c1c2f(z) S(z) dz\iiint_\Omega f\,dV = \int_{c_1}^{c_2} dz \iint_{D_z} f(x,y,z)\,d\sigma = \int_{c_1}^{c_2} f(z)\,S(z)\,dz

柱面坐标:{x=rcos⁡θy=rsin⁡θz=z\begin{cases} x = r\cos\theta \\ y = r\sin\theta \\ z = z \end{cases},dV=r dr dθ dzdV = r\,dr\,d\theta\,dz。适用:旋转体区域、被积函数含 x2+y2x^2+y^2。

球面坐标:{x=ρsin⁡φcos⁡θy=ρsin⁡φsin⁡θz=ρcos⁡φ\begin{cases} x = \rho\sin\varphi\cos\theta \\ y = \rho\sin\varphi\sin\theta \\ z = \rho\cos\varphi \end{cases}(ρ\rho 为到原点距离,φ\varphi 为与 zz 轴正向夹角),

dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθdV = \rho^2\sin\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta

适用:球体、锥体区域,被积函数含 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2。

三重积分同样有奇偶对称(区域关于坐标面对称)与轮换对称(球体上 x,y,zx, y, z 轮换),用法与二重积分相同。

曲线积分(仅数一)

第一类(对弧长):∫Lf(x,y) ds\displaystyle\int_L f(x,y)\,ds,与方向无关。参数化 x=x(t),y=y(t)x = x(t), y = y(t)(a≤t≤ba \le t \le b):

∫Lf ds=∫abf(x(t),y(t))x′(t)2+y′(t)2 dt(下限必须小于上限)\int_L f\,ds = \int_a^b f(x(t), y(t))\sqrt{x'(t)^2 + y'(t)^2}\,dt \quad (\text{下限必须小于上限})

第二类(对坐标):∫LP dx+Q dy\displaystyle\int_L P\,dx + Q\,dy,与方向有关(反向变号)。参数化:

∫LP dx+Q dy=∫αβ[P(x(t),y(t)) x′(t)+Q(x(t),y(t)) y′(t)]dt\int_L P\,dx + Q\,dy = \int_\alpha^\beta\Big[P(x(t),y(t))\,x'(t) + Q(x(t),y(t))\,y'(t)\Big]dt

(起点对应 α\alpha,终点对应 β\beta,不限大小。)

两类曲线积分的关系:设 LL 上任一点沿指定方向的单位切向量为 (cos⁡α,cos⁡β)(\cos\alpha, \cos\beta),则

∫LP dx+Q dy=∫L(Pcos⁡α+Qcos⁡β) ds\int_L P\,dx + Q\,dy = \int_L (P\cos\alpha + Q\cos\beta)\,ds

格林公式(仅数一)

定理(格林公式):设闭区域 DD 由分段光滑闭曲线 LL 围成,P(x,y)P(x,y)、Q(x,y)Q(x,y) 在 DD 上具有一阶连续偏导数,则

∮LP dx+Q dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y)dσ\oint_L P\,dx + Q\,dy = \iint_D \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) d\sigma

其中 LL 取正向(沿 LL 前进时 DD 的内部在左侧,即外边界逆时针)。

证明思路:只需证 ∮LP dx=−∬DPy dσ\oint_L P\,dx = -\iint_D P_y\,d\sigma 与 ∮LQ dy=∬DQx dσ\oint_L Q\,dy = \iint_D Q_x\,d\sigma。以 X 型区域为例,∮LP dx\oint_L P\,dx 中两条竖直边上 dx=0dx = 0 无贡献,上下两条边 y=φ2(x)y = \varphi_2(x)、y=φ1(x)y = \varphi_1(x) 的积分相减后用一元函数积分学中的牛顿-莱布尼茨公式即得。复杂区域用区域可加性拼接。

使用前必须自查:LL 是否闭合(不闭合则补线,常用平行于坐标轴的折线段);P,QP, Q 在 DD 内是否有奇点(有则挖洞,见例题 7);方向是否正向(否则添负号)。

平面曲线积分与路径无关:P,QP, Q 在单连通区域 GG 内一阶偏导连续,则以下四条等价:

  1. 沿 GG 内任意分段光滑闭曲线 ∮CP dx+Q dy=0\oint_C P\,dx + Q\,dy = 0(积分与路径无关)
  2. 存在 u(x,y)u(x,y) 使 du=P dx+Q dydu = P\,dx + Q\,dy(P=ux,Q=uyP = u_x, Q = u_y)
  3. 在 GG 内处处 ∂P∂y=∂Q∂x\dfrac{\partial P}{\partial y} = \dfrac{\partial Q}{\partial x}
  4. 积分 ∫ABP dx+Q dy\int_A^B P\,dx + Q\,dy 在 GG 内只与起终点有关

单连通这一前提不可少:P=−yx2+y2, Q=xx2+y2P = \dfrac{-y}{x^2+y^2},\ Q = \dfrac{x}{x^2+y^2} 满足 (3),但 GG 含原点时 (1) 失效(绕原点一圈积分 =2π= 2\pi)。

曲面积分(仅数一)

第一类(对面积):∬Σf(x,y,z) dS\displaystyle\iint_\Sigma f(x,y,z)\,dS,与侧无关。若 Σ:z=z(x,y)\Sigma: z = z(x,y)((x,y)∈Dxy(x,y) \in D_{xy}),

∬Σf dS=∬Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2  dx dy\iint_\Sigma f\,dS = \iint_{D_{xy}} f(x, y, z(x,y))\sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}\;dx\,dy

第二类(对坐标):∬ΣP dydz+Q dzdx+R dxdy\displaystyle\iint_\Sigma P\,dydz + Q\,dzdx + R\,dxdy,与侧有关(曲面上每点有两个相反法向,指定其一)。若 Σ:z=z(x,y)\Sigma: z = z(x,y) 取上侧(法向量朝上),则

∬ΣR(x,y,z) dx dy=∬DxyR(x,y,z(x,y)) dx dy(上侧取正,下侧取负)\iint_\Sigma R(x,y,z)\,dx\,dy = \iint_{D_{xy}} R(x, y, z(x,y))\,dx\,dy \quad(\text{上侧取正,下侧取负})

P dydzP\,dydz、Q dzdxQ\,dzdx 分别向 yOzyOz、zOxzOx 面投影,前侧正、后侧负 / 右侧正、左侧负。

两类曲面积分的关系:指定侧的单位法向量 (cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)(\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma),

∬ΣP dydz+Q dzdx+R dxdy=∬Σ(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ) dS\iint_\Sigma P\,dydz + Q\,dzdx + R\,dxdy = \iint_\Sigma (P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma)\,dS

高斯公式与斯托克斯公式(仅数一)

定理(高斯公式):空间闭区域 Ω\Omega 由分片光滑闭曲面 Σ\Sigma 围成,P,Q,RP, Q, R 在 Ω\Omega 上有一阶连续偏导数,则

∯ΣP dydz+Q dzdx+R dxdy=∭Ω(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z)dV\oiint_\Sigma P\,dydz + Q\,dzdx + R\,dxdy = \iiint_\Omega \left(\frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}\right) dV

其中 Σ\Sigma 取外侧。内侧重来要变号;曲面不闭合时补面(常用平行于坐标面的平面块)后用高斯,再减去补面块上的积分。

定理(斯托克斯公式):分段光滑有向闭曲线 Γ\Gamma 是分片光滑有向曲面 Σ\Sigma 的边界,Γ\Gamma 方向与 Σ\Sigma 的侧符合右手规则,P,Q,RP, Q, R 有一阶连续偏导数,则

∮ΓP dx+Q dy+R dz=∬Σ∣dydzdzdxdxdy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣\oint_\Gamma P\,dx + Q\,dy + R\,dz = \iint_\Sigma \begin{vmatrix} dydz & dzdx & dxdy \\ \dfrac{\partial}{\partial x} & \dfrac{\partial}{\partial y} & \dfrac{\partial}{\partial z} \\ P & Q & R \end{vmatrix}

行列式按第一行展开计算(形式记号:如 ∂∂y\dfrac{\partial}{\partial y} 与 RR "相乘"表示 RyR_y)。它是格林公式在空间的推广——取 Σ\Sigma 为 xOyxOy 面上的平面区域即退化为格林公式。

三大公式一图流(都是"低一维边界积分 = 高一维区域上的微分运算"):

例题

例题 1(模拟题):交换积分次序解"积不出"积分

计算 I=∫01dy∫y1ex2 dxI = \displaystyle\int_0^1 dy \int_y^1 e^{x^2}\,dx。

解析:ex2e^{x^2} 的原函数非初等,必须把 xx 挪到外层。由累次限还原区域:0≤y≤10 \le y \le 1,y≤x≤1y \le x \le 1,即三角形 DD:顶点 (0,0),(1,0),(1,1)(0,0), (1,0), (1,1),斜边为 y=xy = x。改写成 X 型:0≤x≤10 \le x \le 1,0≤y≤x0 \le y \le x:

I=∫01ex2 dx∫0xdy=∫01x ex2 dx=12∫01ex2d(x2)=e−12I = \int_0^1 e^{x^2}\,dx \int_0^x dy = \int_0^1 x\,e^{x^2}\,dx = \frac12\int_0^1 e^{x^2} d(x^2) = \frac{e - 1}{2}

点评:内层"积不出"(ex2,e1/x,sin⁡xx,1ln⁡xe^{x^2}, e^{1/x}, \frac{\sin x}{x}, \frac{1}{\ln x} 是常见名单)是交换次序的第一信号;交换后新内层积分是纯几何量(区间长),一步到位。

例题 2(模拟题):轮换对称 + 极坐标

计算 I=∬Dx2 dσI = \displaystyle\iint_D x^2\,d\sigma,其中 D:x2+y2≤1D: x^2 + y^2 \le 1。

解析:DD 关于 y=xy = x 对称,由轮换对称

I=12∬D(x2+y2) dσ=12∫02πdθ∫01r2⋅r dr=12⋅2π⋅14=π4I = \frac12\iint_D (x^2 + y^2)\,d\sigma = \frac12\int_0^{2\pi} d\theta \int_0^1 r^2\cdot r\,dr = \frac12 \cdot 2\pi \cdot \frac14 = \frac{\pi}{4}

点评:直角坐标下此积分要分段硬算;轮换对称折半后极坐标三行收工。同类考题(求 ∬Dy2dσ\iint_D y^2 d\sigma 或含 x2+y2x^2+y^2 组合)全部走这条路。

例题 3(模拟题):绝对值被积函数的分块

计算 I=∬D∣x+y∣ dσI = \displaystyle\iint_D |x + y|\,d\sigma,D:−1≤x≤1, −1≤y≤1D: -1 \le x \le 1,\ -1 \le y \le 1。

解析:绝对值必须分块。直线 x+y=0x + y = 0 把正方形分成 D1D_1(x+y≥0x+y \ge 0,右上三角)与 D2D_2(x+y≤0x + y \le 0)。由对称性((x,y)↦(−x,−y)(x,y) \mapsto (-x,-y) 互换两块,∣x+y∣|x+y| 在两块上取值相同):

I=2∬D1(x+y) dσI = 2\iint_{D_1} (x+y)\,d\sigma

D1D_1 写成 X 型:−1≤x≤1-1 \le x \le 1,−x≤y≤1-x \le y \le 1,内层

∫−x1(x+y) dy=[xy+12y2]−x1=x+12+x2−x22=x+x22+12\int_{-x}^{1}(x+y)\,dy = \Big[xy + \tfrac12 y^2\Big]_{-x}^{1} = x + \tfrac12 + x^2 - \tfrac{x^2}{2} = x + \tfrac{x^2}{2} + \tfrac12

I=2∫−11(x+x22+12)dx=2(0+13+1)=83I = 2\int_{-1}^{1}\left(x + \frac{x^2}{2} + \frac12\right)dx = 2\left(0 + \frac13 + 1\right) = \frac{8}{3}

点评:含 max⁡\max、min⁡\min、∣[x]∣|[x]|、绝对值的积分一律先分块再积分;分块后先检查子区域间的对称性可省一半计算。

例题 4(模拟题,仅数一):截面法(先二后一)

计算 I=∭Ωz dVI = \displaystyle\iiint_\Omega z\,dV,其中 Ω\Omega 由抛物面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 与平面 z=1z = 1 围成。

解析:被积函数只含 zz,截面 Dz:x2+y2≤zD_z: x^2 + y^2 \le z 是半径 z\sqrt z 的圆盘,面积 S(z)=πzS(z) = \pi z,0≤z≤10 \le z \le 1:

I=∫01z⋅πz dz=π3I = \int_0^1 z \cdot \pi z\,dz = \frac{\pi}{3}

点评:若改用投影法,I=∬x2+y2≤1dσ∫x2+y21z dzI = \iint_{x^2+y^2\le1} d\sigma \int_{x^2+y^2}^1 z\,dz,内层算完剩 1−(x2+y2)22\frac{1 - (x^2+y^2)^2}{2},还需再算极坐标二重积分(结果同为 π3\frac{\pi}{3},工作量翻倍)。截面法的识别信号就一条:被积函数只含 zz 且截面面积好算。

例题 5(模拟题,仅数一):球面坐标

计算 I=∭Ω(x2+y2+z2) dVI = \displaystyle\iiint_\Omega (x^2+y^2+z^2)\,dV,Ω:x2+y2+z2≤R2\Omega: x^2 + y^2 + z^2 \le R^2。

解析:被积函数即 ρ2\rho^2,区域是球,直接套球面坐标 dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθdV = \rho^2\sin\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta:

I=∫02πdθ∫0πsin⁡φ dφ∫0Rρ4 dρ=2π⋅2⋅R55=4πR55I = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^\pi \sin\varphi\, d\varphi \int_0^R \rho^4\,d\rho = 2\pi \cdot 2 \cdot \frac{R^5}{5} = \frac{4\pi R^5}{5}

点评:三个积分限全部是常数(球心在原点)时三个定积分彼此独立,逐一算出相乘即可。体积验算:取被积函数为 1 得 43πR3\frac{4}{3}\pi R^3,公式正确。

例题 6(模拟题,仅数一):格林公式直接应用

计算 I=∮L(x−y) dx+(x+y) dyI = \displaystyle\oint_L (x - y)\,dx + (x + y)\,dy,LL 为圆周 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1,取逆时针方向。

解析:LL 闭合、P=x−yP = x - y 与 Q=x+yQ = x + y 全平面偏导连续、方向为正向,格林公式三条件齐备:

I=∬x2+y2≤1(∂Q∂x−∂P∂y)dσ=∬D(1−(−1)) dσ=2πI = \iint_{x^2+y^2\le1}\left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)d\sigma = \iint_D (1 - (-1))\,d\sigma = 2\pi

点评:先验证条件再动手是规范动作;此题若直接参数化 x=cos⁡t,y=sin⁡tx = \cos t, y = \sin t 硬算也能做(结果相同),但格林公式把被积式化成常数是"降维打击"。

例题 7(模拟题,仅数一):奇点挖洞

计算 I=∮L−y dx+x dyx2+y2I = \displaystyle\oint_L \frac{-y\,dx + x\,dy}{x^2+y^2},其中 LL 为任一包含原点在其内部的分段光滑正向闭曲线。

解析:P=−yx2+y2, Q=xx2+y2P = \dfrac{-y}{x^2+y^2},\ Q = \dfrac{x}{x^2+y^2},直接算得 ∂Q∂x=∂P∂y=y2−x2(x2+y2)2\dfrac{\partial Q}{\partial x} = \dfrac{\partial P}{\partial y} = \dfrac{y^2 - x^2}{(x^2+y^2)^2}(原点除外)。但 P,QP, Q 在原点无定义,不能对 LL 内部直接用格林公式。

挖去小圆 l:x2+y2=ε2l: x^2+y^2 = \varepsilon^2(逆时针),记 LL 与 ll 之间的环形区域为 D∗D^*,其外边界 LL 正向、内边界 ll 取顺时针(记 l−l^-)。在 D∗D^* 上格林公式条件满足:

∮L+∮l−=∬D∗0 dσ=0  ⟹  I=−∮l−=∮l\oint_L + \oint_{l^-} = \iint_{D^*} 0\,d\sigma = 0 \implies I = -\oint_{l^-} = \oint_{l}

在 ll 上参数化 x=εcos⁡t, y=εsin⁡tx = \varepsilon\cos t,\ y = \varepsilon\sin t(t:0→2πt: 0 \to 2\pi):

I=∫02π−εsin⁡t (ε(−sin⁡t))+εcos⁡t (εcos⁡t)ε2 dt=∫02π(sin⁡2t+cos⁡2t) dt=2πI = \int_0^{2\pi}\frac{-\varepsilon\sin t\,(\varepsilon(-\sin t)) + \varepsilon\cos t\,(\varepsilon\cos t)}{\varepsilon^2}\,dt = \int_0^{2\pi}(\sin^2 t + \cos^2 t)\,dt = 2\pi

点评:本题是"路径无关四等价"缺单连通条件的活教材。挖洞后环域上偏导差为 0,大圈积分转嫁到小圈上算——凡是 P,QP, Q 分母含 x2+y2x^2+y^2 且区域含原点,一律走这条路,答案必为 2π2\pi 的整数倍。

例题 8(模拟题,仅数一):高斯公式 + 补面

计算 I=∬Σx dydz+y dzdx+z dxdyI = \displaystyle\iint_\Sigma x\,dydz + y\,dzdx + z\,dxdy,其中 Σ\Sigma 为上半球面 z=R2−x2−y2z = \sqrt{R^2 - x^2 - y^2} 的上侧。

解析:Σ\Sigma 不闭合,补平面块 Σ0:z=0\Sigma_0: z = 0(x2+y2≤R2x^2+y^2 \le R^2)取下侧,使 Σ+Σ0\Sigma + \Sigma_0 构成半球体的外侧边界。由高斯公式:

I+∬Σ0=∭Ω(1+1+1) dV=3⋅23πR3=2πR3I + \iint_{\Sigma_0} = \iiint_\Omega (1+1+1)\,dV = 3\cdot\frac{2}{3}\pi R^3 = 2\pi R^3

在 Σ0\Sigma_0(z=0z=0,下侧,即 dxdydxdy 投影取负)上:

∬Σ0x dydz+y dzdx+z dxdy=0+0+∬x2+y2≤R20⋅(−dx dy)=0\iint_{\Sigma_0} x\,dydz + y\,dzdx + z\,dxdy = 0 + 0 + \iint_{x^2+y^2\le R^2} 0\cdot(-dx\,dy) = 0

故 I=2πR3I = 2\pi R^3。

点评:补面后"原积分 = 高斯结果 − 补面块积分"。补面必须指定与原曲面一致构成外侧(或明确说明内侧变号),这是解答题的给分点。

例题 9(模拟题,仅数一):斯托克斯公式

计算 I=∮Γz dx+x dy+y dzI = \displaystyle\oint_\Gamma z\,dx + x\,dy + y\,dz,Γ\Gamma 为圆周 x2+y2=1, z=0x^2 + y^2 = 1,\ z = 0,从 zz 轴正向看去为逆时针。

解析:P=z, Q=x, R=yP = z,\ Q = x,\ R = y。取 Σ\Sigma 为 Γ\Gamma 所围平面圆盘 z=0z = 0(x2+y2≤1x^2+y^2\le1),侧与 Γ\Gamma 方向符合右手规则,即上侧。斯托克斯公式:

rot⁡=(∂R∂y−∂Q∂z, ∂P∂z−∂R∂x, ∂Q∂x−∂P∂y)=(1−0, 1−0, 1−0)=(1,1,1)\operatorname{rot} = \left(\frac{\partial R}{\partial y} - \frac{\partial Q}{\partial z},\ \frac{\partial P}{\partial z} - \frac{\partial R}{\partial x},\ \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right) = (1 - 0,\ 1 - 0,\ 1 - 0) = (1,1,1)

上侧单位法向量 (0,0,1)(0,0,1),点积为 11,故

I=∬Σ1 dS=πI = \iint_\Sigma 1\,dS = \pi

点评:斯托克斯题先展行列式算旋度、再把 Σ\Sigma 取成 Γ\Gamma 张成的平面圆盘(最省事的曲面),最后只需算投影面积。注意旋度与法向量的点积代替了逐块计算三类曲面积分。

常见坑

  1. 极坐标丢 rr:dσ=r dr dθd\sigma = r\,dr\,d\theta 的 rr 忘写是本章第一大计算错误,没有之一
  2. 交换次序后边界描述错:反解边界时端点算错、该分段的不分段(如抛物线与直线交点多于两个)——还原区域必须画图,禁止纯代数"翻译"累次限
  3. 对称性看错对象:奇偶对称要求区域对称 + 被积函数奇偶同时成立;只看区域不看函数(或反之)就"归零"是典型陷阱
  4. 格林公式忘查三件事:闭不闭(补线)、有没有奇点(挖洞)、是不是正向(变号)。任何一个不满足,公式直接用就是零分步骤
  5. 路径无关忘了单连通:含 −y dx+x dyx2+y2\dfrac{-y\,dx + x\,dy}{x^2+y^2} 的曲线积分在含原点区域内绕一圈是 2π2\pi,不是 0
  6. 第二类曲线/曲面积分方向(侧)处理不当:参数化时起点对应下限(可大于上限);投影时上侧/前侧/右侧取正——反向全变号
  7. 高斯公式补面忘记扣除:补了面就算了总账,没有减掉补面块上的积分
  8. 截面法条件不满足硬用:被积函数含 xx 或 yy 时截面法内层二重积分并不好算,别把方法当信仰
  9. 三重积分球面坐标的 φ\varphi 范围:φ\varphi 从 zz 轴正向量起,上半球是 0≤φ≤π20 \le \varphi \le \frac{\pi}{2} 而非 π\pi;dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθdV = \rho^2\sin\varphi\,d\rho\,d\varphi\,d\theta 中 sin⁡φ\sin\varphi 也不能丢

自测

  1. 交换积分次序:I=∫01dx∫x21y1+y3 dyI = \displaystyle\int_0^1 dx \int_{x^2}^1 \dfrac{y}{\sqrt{1+y^3}}\,dy(写出交换后的累次积分并求值)。
  2. 计算 I=∬D(x3+y2+xy) dσI = \displaystyle\iint_D (x^3 + y^2 + xy)\,d\sigma,D:x2+y2≤2xD: x^2 + y^2 \le 2x。
  3. 计算 I=∫01dy∫y1sin⁡xx dxI = \displaystyle\int_0^1 dy\int_y^1 \dfrac{\sin x}{x}\,dx。
  4. (仅数一)计算 I=∮L(2xy−x2) dx+(x+y2) dyI = \displaystyle\oint_L (2xy - x^2)\,dx + (x + y^2)\,dy,LL 为由 y=x2y = x^2 与 y=1y = 1 围成区域的正向边界。
  5. (仅数一)计算 I=∯Σx3 dydz+y3 dzdx+z3 dxdyI = \displaystyle\oiint_\Sigma x^3\,dydz + y^3\,dzdx + z^3\,dxdy,Σ\Sigma 为球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2 = R^2 外侧。
  6. (仅数一)∭Ωz2 dV\displaystyle\iiint_\Omega z^2\,dV,Ω:x2+y2+z2≤R2\Omega: x^2 + y^2 + z^2 \le R^2,用截面法求值。

自测答案与简析

  1. 区域 D:0≤x≤1, x2≤y≤1D: 0 \le x \le 1,\ x^2 \le y \le 1,改写为 0≤y≤1, 0≤x≤y0 \le y \le 1,\ 0 \le x \le \sqrt y: I=∫01y1+y3 dy∫0ydx=∫01yy1+y3 dy=13∫12duu (u=1+y3)=23(2−1)I = \int_0^1 \frac{y}{\sqrt{1+y^3}}\,dy\int_0^{\sqrt y} dx = \int_0^1 \frac{y\sqrt y}{\sqrt{1+y^3}}\,dy = \frac13\int_1^2 \frac{du}{\sqrt u}\ (u = 1+y^3) = \frac{2}{3}(\sqrt2 - 1) (考点:还原区域 + 反解边界;换元 u=1+y3u = 1+y^3 时 du=3y2dydu = 3y^2 dy,配合 yy=y3/2y\sqrt y = y^{3/2})。
  2. DD 关于 xx 轴对称:x3x^3、xyxy 关于 yy 为奇 ⇒ 积分为 0,只剩 ∬Dy2dσ\iint_D y^2 d\sigma;DD 是圆心 (1,0)(1,0)、半径 1 的圆,不轮换对称但可用极坐标平移思想或直接 x=rcos⁡θx = r\cos\theta 边界 r≤2cos⁡θr \le 2\cos\theta。用质心/对称性:y2y^2 关于 yy 偶 ⇒ I=2∫0π/2∫02cos⁡θr2sin⁡2θ⋅r dr dθ=2∫0π/2sin⁡2θ⋅16cos⁡4θ4 dθ=8∫0π/2sin⁡2θcos⁡4θ dθI = 2\int_0^{\pi/2}\int_0^{2\cos\theta} r^2\sin^2\theta \cdot r\,dr\,d\theta = 2\int_0^{\pi/2}\sin^2\theta\cdot\frac{16\cos^4\theta}{4}\,d\theta = 8\int_0^{\pi/2}\sin^2\theta\cos^4\theta\,d\theta。用 Wallis 型公式 ∫0π/2sin⁡2θcos⁡4θdθ=12⋅34⋅π8?\int_0^{\pi/2}\sin^2\theta\cos^4\theta d\theta = \frac{1}{2}\cdot\frac{3}{4}\cdot\frac{\pi}{8}? 逐项计算:∫0π/2sin⁡2θcos⁡4θdθ=Γ(32)Γ(52)2Γ(3)=π2⋅3π44=3π32\int_0^{\pi/2}\sin^2\theta\cos^4\theta d\theta = \frac{\Gamma(\tfrac32)\Gamma(\tfrac52)}{2\Gamma(3)} = \frac{\tfrac{\sqrt\pi}{2}\cdot\tfrac{3\sqrt\pi}{4}}{4} = \frac{3\pi}{32}。故 I=8⋅3π32=3π4I = 8\cdot\dfrac{3\pi}{32} = \dfrac{3\pi}{4}(考点:奇偶归零 + 圆 r≤2cos⁡θr \le 2\cos\theta 的极坐标描述 + Wallis 积分)。
  3. 与例题 1 同型:I=∫01sin⁡xxdx∫0xdy=∫01sin⁡x dx=1−cos⁡1I = \int_0^1 \dfrac{\sin x}{x} dx\int_0^x dy = \int_0^1 \sin x\,dx = 1 - \cos 1(考点:sin⁡xx\frac{\sin x}{x} 积不出 ⇒ 交换次序)。
  4. 闭合、正向、偏导连续,格林公式:Qx−Py=1−2yQ_x - P_y = 1 - 2y。区域 −1≤x≤1-1 \le x \le 1,x2≤y≤1x^2 \le y \le 1: I=∫−11dx∫x21(1−2y) dy=∫−11[(y−y2)∣x21]dx=∫−11(x2−x4) dx=23−25=415I = \int_{-1}^1 dx\int_{x^2}^1 (1-2y)\,dy = \int_{-1}^1\left[(y - y^2)\Big|_{x^2}^1\right]dx = \int_{-1}^1 (x^2 - x^4)\,dx = \frac{2}{3} - \frac{2}{5} = \frac{4}{15} (考点:格林公式条件自查 + 抛物线区域的 X 型描述)。
  5. 高斯公式:I=∭3(x2+y2+z2) dV=3⋅4πR55=12πR55I = \iiint 3(x^2+y^2+z^2)\,dV = 3\cdot\dfrac{4\pi R^5}{5} = \dfrac{12\pi R^5}{5}(利用例题 5 结果;考点:高斯公式把三次方和化为球坐标常数积分)。
  6. 截面 DzD_z 面积 π(R2−z2)\pi(R^2 - z^2):I=∫−RRz2⋅π(R2−z2) dz=π(2R53−2R55)=4πR515I = \int_{-R}^R z^2\cdot\pi(R^2 - z^2)\,dz = \pi\left(\frac{2R^5}{3} - \frac{2R^5}{5}\right) = \dfrac{4\pi R^5}{15}(考点:先二后一;被积函数只含 zz 是信号)。