问题

请问这个三重积分怎么计算?

回答
这道三重积分的问题,咱们一步步来剖析,就像抽丝剥茧一样,把里面的门道都给捋清楚。毕竟,面对积分,细致和耐心是咱们的法宝。

咱们先来看一下这个三重积分的表达式。虽然你没有直接给出具体的函数和积分区域,但我猜想你遇到的可能是一个类似这样的形式:

$$ iiint_V f(x, y, z) , dV $$

其中 $V$ 是积分区域,而 $f(x, y, z)$ 是被积函数。三重积分的计算,说白了,就是一层一层地积,从最里面一层到最外面一层。关键在于怎么把这个三维的积分,变成我们更熟悉的可以一步步计算的定积分。

第一步:理解积分区域 $V$

这是整个计算的基础,要是区域都没搞明白,那后面就无从下手了。区域 $V$ 可以是各种形状,比如立方体、球体、圆柱体,甚至是更复杂的曲面围成的区域。

形状的理解是关键: 你得把这个区域在三维空间里“看”出来。是长宽高都是常数的那种规则长方体?还是以原点为中心,半径为 R 的球?或者是某个平面和曲面围成的区域?
边界的确定: 区域的边界是什么?这些边界会决定我们积分限的上下界。比如,一个立方体,它的边界就是 $x=a$, $x=b$, $y=c$, $y=d$, $z=e$, $z=f$ 这六个平面。一个球体,它的边界就是 $x^2+y^2+z^2=R^2$ 这个球面。
坐标系的选定: 大部分情况下,我们默认使用直角坐标系 $(x, y, z)$。但如果积分区域或者被积函数有球形或圆柱形的对称性,那么改用球坐标或柱坐标来计算会大大简化问题。

柱坐标 (r, $ heta$, z): 适用于有旋转对称性的区域,比如圆柱体。在这个坐标系下,$x = rcos heta$, $y = rsin heta$, $z=z$。体积微元 $dV = r , dr , d heta , dz$。
球坐标 ($ ho$, $ heta$, $phi$): 适用于球对称性的区域,比如球体。在这里,$ ho$ 是原点到点的距离,$ heta$ 是从 x 轴正向旋转到点在 xy 平面上投影的夹角(同柱坐标中的 $ heta$),$ phi$ 是从 z 轴正向旋转到点和原点连线的夹角。$x = hosinphicos heta$, $y = hosinphisin heta$, $z = hocosphi$。体积微元 $dV = ho^2sinphi , d ho , d heta , dphi$。

第二步:写出累次积分的形式

一旦我们确定了积分区域 $V$ 和采用的坐标系,就可以把三重积分写成累次积分的形式。这个顺序非常重要,它决定了我们计算的先后次序。

积分限的确定:
最内层积分: 通常是关于 $z$(直角坐标)或者 $ ho$(球坐标)或者 $r$(柱坐标)的积分。这一层的积分限,一般是以变量(比如 $z$)表示的,并且这两个限可能依赖于其他两个变量(比如 $x$ 和 $y$)。
中间层积分: 这是关于 $y$(直角坐标)或者 $phi$(球坐标)或者 $ heta$(柱坐标)的积分。这一层的积分限,一般是常数,或者是依赖于最外层积分变量的。
最外层积分: 这是关于 $x$(直角坐标)或者 $ heta$(球坐标)或者 $r$(柱坐标)的积分。这一层的积分限必须是常数。

积什么微元: 别忘了体积微元在不同坐标系下的形式,这个可是会影响到被积函数的!

直角坐标:$dx , dy , dz$ (顺序可以变)
柱坐标:$r , dr , d heta , dz$ (顺序一般是 $dr , d heta , dz$ 或者 $dz , dr , d heta$)
球坐标:$ ho^2sinphi , d ho , d heta , dphi$ (顺序一般是 $d ho , dphi , d heta$)

举个例子(如果可以,请你提供你的具体积分表达式,我能更具体地帮你分析):

假设我们要计算函数 $f(x, y, z) = x + y + z$ 在以原点为中心,半径为 $R$ 的球体上的三重积分。

这个区域 $V$ 是 $x^2+y^2+z^2 le R^2$。

在直角坐标系下: 这个区域的积分限会非常复杂, $z$ 的范围是从 $sqrt{R^2x^2y^2}$ 到 $sqrt{R^2x^2y^2}$,然后 $y$ 的范围是从 $sqrt{R^2x^2}$ 到 $sqrt{R^2x^2}$,最后 $x$ 的范围是从 $R$ 到 $R$。写出来是这样的:

$$ int_{R}^{R} int_{sqrt{R^2x^2}}^{sqrt{R^2x^2}} int_{sqrt{R^2x^2y^2}}^{sqrt{R^2x^2y^2}} (x+y+z) , dz , dy , dx $$

光是看这个,就觉得头大,对吧?

改用球坐标系: 这就瞬间变得简单了。在这个球体内:
$ ho$ 的范围是从 0 到 $R$(距离原点的远近)
$ heta$ 的范围是从 0 到 $2pi$(绕着 z 轴转一圈)
$phi$ 的范围是从 0 到 $pi$(从 z 轴向上到向下扫过整个圆锥面)

被积函数 $f(x, y, z) = x+y+z$ 在球坐标下变成 $f( ho, heta, phi) = hosinphicos heta + hosinphisin heta + hocosphi$。
体积微元 $dV = ho^2sinphi , d ho , d heta , dphi$。

所以,积分就变成:

$$ int_{0}^{pi} int_{0}^{2pi} int_{0}^{R} ( hosinphicos heta + hosinphisin heta + hocosphi) ho^2sinphi , d ho , d heta , dphi $$

这看起来就舒服多了!

第三步:逐层计算

确定了累次积分的形式之后,就一步一步地计算。记住,在积某一个变量的时候,其他变量都当作常数来处理。

先积最里面的变量: 比如在直角坐标下,先对 $z$ 积分。
得到中间结果: 这个结果会依赖于其他两个变量。
再积中间的变量: 比如对 $y$ 积分。这个结果可能会是常数,也可能还依赖于最外层积分的变量。
最后积最外面的变量: 比如对 $x$ 积分。这个积分必须是一个常数。

接着上面球体积分的例子(球坐标系):

$$ int_{0}^{pi} int_{0}^{2pi} int_{0}^{R} ( hosinphicos heta + hosinphisin heta + hocosphi) ho^2sinphi , d ho , d heta , dphi $$

咱们可以把被积函数拆开,更容易算:

$$ int_{0}^{pi} int_{0}^{2pi} int_{0}^{R} ( ho^3sin^2phicos heta + ho^3sin^2phisin heta + ho^3sinphicosphi) , d ho , d heta , dphi $$

第一层:对 $ ho$ 积分 (将 $sin^2phicos heta$, $sin^2phisin heta$, $sinphicosphi$ 看作常数):

$$ int_{0}^{R} ho^3 , d ho = left[ frac{ ho^4}{4} ight]_{0}^{R} = frac{R^4}{4} $$

所以,积分变为:

$$ int_{0}^{pi} int_{0}^{2pi} frac{R^4}{4} (sin^2phicos heta + sin^2phisin heta + sinphicosphi) , d heta , dphi $$

第二层:对 $ heta$ 积分 (将 $sin^2phicos heta$, $sin^2phisin heta$, $sinphicosphi$ 看作常数):

$int_{0}^{2pi} sin^2phicos heta , d heta = sin^2phi int_{0}^{2pi} cos heta , d heta = sin^2phi [sin heta]_{0}^{2pi} = sin^2phi (00) = 0$
$int_{0}^{2pi} sin^2phisin heta , d heta = sin^2phi int_{0}^{2pi} sin heta , d heta = sin^2phi [cos heta]_{0}^{2pi} = sin^2phi (1 (1)) = 0$
$int_{0}^{2pi} sinphicosphi , d heta = sinphicosphi int_{0}^{2pi} 1 , d heta = sinphicosphi [ heta]_{0}^{2pi} = 2pisinphicosphi$

所以,积分变为:

$$ int_{0}^{pi} frac{R^4}{4} (0 + 0 + 2pisinphicosphi) , dphi = int_{0}^{pi} frac{R^4}{4} (2pisinphicosphi) , dphi $$

第三层:对 $phi$ 积分

$$ frac{R^4}{4} (2pi) int_{0}^{pi} sinphicosphi , dphi $$

这里可以使用换元法,令 $u = sinphi$,则 $du = cosphi , dphi$。当 $phi=0$ 时,$u=0$;当 $phi=pi$ 时,$u=0$。

$$ int_{0}^{pi} sinphicosphi , dphi = int_{0}^{0} u , du = 0 $$

所以,这个三重积分的结果是 0。这也很容易理解,因为被积函数 $x+y+z$ 在球对称区域内,其关于原点的奇偶性抵消了。

第四步:检查和验算

检查积分限是否正确: 是否覆盖了整个积分区域?有没有遗漏或者重复?
检查体积微元是否写对: 特别是在使用柱坐标和球坐标时,常常会忘记那个因子 ($r$ 或 $ ho^2sinphi$)。
计算过程是否严谨: 每一个积分步骤是否正确?代入积分限有没有错误?
结果是否符合直觉: 对于一些简单的区域和函数,结果应该是有迹可循的。

总结一下,计算三重积分的核心流程就是:

1. 理解积分区域: 搞清楚边界在哪儿,形状是什么。
2. 选择合适的坐标系: 直角坐标、柱坐标、球坐标,哪个最省事就用哪个。
3. 确定累次积分的形式: 写出准确的积分限和体积微元。
4. 逐层计算: 从内往外,一步步求导数。
5. 验算: 检查每一步的正确性。

要是你把具体的积分表达式发给我,我肯定能给你更具针对性的指导,就像给一个具体的病人开药方一样。别犹豫,把你的题目亮出来吧!

网友意见

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各位看官大家好,是我,美⑨(*^▽^*)



============这是一条分割线=============
恭喜提问者,你成功的发现了 Ahmed积分 (Ahmed integral) 的计算方法之一(σ゚∀゚)σ..:*☆
这个式子通过换元不难得出等价于



如果我们通过暴力强行积分算掉两个变量(比如 )


可以强行分别对 算,也可以作换元


下面分别演示一下(大嘘)|ू・ω・` )



然后再换一下 , 对 求积分ヽ( ̄▽ ̄)ノ




对于 那一部分,直接暴力分部即可(゚▽゚*)




然后两式相加即可得ヾ(◍°∇°◍)ノ゙



然后代入

我们就得出了Ahmed积分的一种形式ヾ(๑╹◡╹)ノ"



另一种方法也是可行的而且计算量会小不少,就是做换元
来,咱画个图ヾ(^∀^)ノ



上面这个图是用 码的,就凭这个你就得给我点个赞(、(◕ᴗ◕✿)



我们可以得到(ノ゚∀゚)ノ



然后先对 算一下不定积分(凑微分)ヾ(^Д^*)/



所以定积分(✧◡✧)



然后对 积分,得到同样的结果(*´・v・)



其实Ahmed积分的一般形式是这个:(⁎˃ᴗ˂⁎)

其中

其中比较常见的一类就是O(≧▽≦)O



在这一题里面 ( 因为 本质是一样的)

问题转化为了这个φ(≧ω≦*)♪



(很明显三角换元什么的常规技巧似乎不太行,那咋办?)Σ (゚Д゚;)

觉得哪一块难处理?(꒪Д꒪)ノ

是不是( • ̀ω•́ )✧



这一部分似乎好丑啊,怎么把它整漂亮一点?o( ̄▽ ̄)d

想到

似乎给我们提供了一条路( ・´ω`・ )



然后回到原式╰( ̄▽ ̄)╭



似乎有点对称,我们把 互换(* ̄3 ̄)╭



不如我们相加除以二吧(ㄟ( ▔, ▔ )ㄏ )



然后发现后面可以约分?(=゚ω゚)ノ



然后爽了,我们可以分开来算(灬°ω°灬)



似乎就搞定了(?)●ヽ(゚∀゚)ノ●


没错确实搞定了∑d(*゚∀゚*)


我们得出结论(◑▽◐)



就这么结束是不是有点仓促((T▽T))


再写一下推论吧(^o^)/


由于

所以


理论上来说应该是结束了,但是我还想水一水(ε≡ (๑>₃<)


比如除了这种方法还有其他方法没有?[・_・?]


当然是有的(笑),否则我不会继续水(*๓´╰╯`๓)


我们还可以含参解决,比如我们令

我们要求的就是
现在我们对 求导



哦哟,有希望,积分回去?



似乎不大行,∑(O_O;)


试试倒代换吧



然后对 使用倒代换,然后我们惊奇的发现



Amazing!~~~(@[]@!!)


所以说



我们从另一个角度证明了我们的结果是正确的


啊终于写完了,不点个赞再走嘛?( ̄▽ ̄)~*

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