多重积分与坐标系

积分区域(region of integration)

每个多重积分都活在某个集合上——二重积分活在平面的一块上,三重积分活在空间的一团实体上。这个集合就是积分区域。在你能写下任何一个上下限之前,你必须知道你在其上求和的形状:一个圆盘、一个三角形、两条抛物线之间的面积、一个被抛物面盖住的柱体。多重积分一半的难度根本不在被积函数——而在于把这个区域描述得足够精确,以钉死上下限。

区域有几种方便的类型。若一个区域夹在两条曲线 y = g(x) 与 y = h(x) 之间、横跨 x 区间 [a, b],就称它为 I 型(或竖直简单型);这时任一 x 处的竖直线在 g(x) 进入、在 h(x) 离开,给出 dy dx 的内层限。若它夹在 x = p(y) 与 x = q(y) 之间、横跨一个 y 区间,就是 II 型(水平简单型);水平线给出 dx dy 的内层限。许多区域两种都是,你就挑让积分更容易的那种。两种简单型都不是的区域,被切成几块、每块都是简单型,积分就是各块之和。关键在于:是区域的几何——而非被积函数——定下每一个积分限。

正确读出区域,是大多数设置错误诞生之处,也是大多数错误能被治好之处。纪律永远一样:画出来,找到边界曲线和它们的交点,决定次序,然后对内层变量画一条扫描线、记下它何处进入、何处离开。区域也决定了你是否该换坐标:圆盘或圆环呼喊极坐标,球体呼喊球坐标,柱体呼喊柱坐标——选取与区域对称性相符的坐标,通常会把丑陋的变量上下限变成纯常数。

y = x^2 与 y = x 之间的区域(它们在 (0,0) 和 (1,1) 相交)是 I 型:对每个 x 属于 [0,1],y 从 x^2 跑到 x。所以 f dA 在 R 上的积分 = 从 0 到 1 对 [从 x^2 到 x 对 f dy 的积分] dx 的积分。

找到边界曲线的交点定下外层常数限;曲线本身则是内层限。

被积函数从不决定上下限——区域才决定。一个常见错误是让 f 里出现的 x 或 y 渗进上下限;上下限只来自 R 的边界曲线。

又称
domain of integration积分域積分範圍