從一元微積分出發得到二重積分的空間結構原理

2020-12-05 電子通信和數學

一元微積分的性質概念大家耳熟能詳,就是將處於二維上的一個不規則的物體分成無限小塊,最後求黎曼和,所以一元微積分的所表述的幾何概念就是求面積。如下圖形形象直觀地描述了這一幾何性質

那對於二重積分呢,就是在一元微積分的基礎上增加了一個積分符號,也就增加了一個面,從此把二維空間變成了三維空間,即X,Y,Z坐標空間,一目了然面積的疊加就是體積,所以二重積分的幾何意義就是求體積,如下面積乘以微小的高度dy就得到了這個微小塊的體積,

上面只是一個微元小塊的體積,但對於一個龐大的不規則的物體,我們怎麼來求它的體積呢?請繼續往下看。

我們把面積寫成一元微積分的形式,運用微積分的逼近窮竭原理,把空間上的物體分成無限多個dY小塊,每個小塊的體積就是:底面積XdY

同樣的思路我們根據黎曼和原理,無窮疊加下的微元的體積就是整個物體的體積,將黎曼和換成積分符號,就得到了二重積分的結構形式

學過函數的人都知道,自變量x和因變量y的函數同樣可以寫成自變量y和因變量x的函數,兩者是等價的。那麼二重積分求體積也是同樣的原理,我們可以隨便換一個面作為底部,求物體的體積

上面是以Z,X作為底部,Y作為高度,現在我麼用Z,Y作為底部,X作為高度,看結果如何,同樣的原理Z,Y平面下物體底部的面積就是

在X所代表的高度方向上,把物體切分成無窮小份dX,最後疊加下的物體的體積就是二重積分的形式

所以以上兩種從任意坐標平面出發計算不規則物體體積的方法,在結果上都是等價的。

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