二重积分的性质

1 齐次性与可加性
为常数,则有:
  • 齐次性:
  • 可加性:

以及通过两个性质可得:

下面举例说明下上述定理,首先是齐次性。下图中左侧的函数是右侧函数倍,根据上述定理中的齐次性可知,同样以为底的情况下,左侧曲顶柱体的体积是右侧曲顶柱体的体积的倍。

函数及对应的曲顶柱体

函数及对应的曲顶柱体

再来说说可加性。已知在上的两个函数,如下图所示。

函数及对应的曲顶柱体

函数及对应的曲顶柱体

那么根据二重积分的可加性,同样以为底的情况下,函数的曲顶柱体的体积,如下图所示,就是上面两个曲顶柱体的体积之和。

2 平顶柱体的体积
如果在的面积,那么:

上述定理说明了,

  • 如下图所示的以为底、高为的平顶柱体,其体积在数值上等于该柱体的底面积
  • 的面积也是通过定义的,即

为某正实数,结合二重积分的齐次性以及上面的定理,可得:

上式的几何意义是,对于为底、高为的平顶柱体而言,有:

3 区域可加性
如果被有限条曲线分为有限个部分,那么上的等于各部分上的的和。

举例说明下上述定理,下图左侧所示的是以及其上的函数,而下图右侧将分为两个

闭区域

闭区域

根据上述定理,那么有:

在区域上,有,则有:

若满足,则有:

4 二重积分的不等式
如果在上始终满足,那么有:

特殊的,由于有,所以有:

举例说明下上述定理,如下图所示,上始终有,从而同样以为底的情况下,左侧的体积小于右侧的体积。

函数及对应的曲顶柱体

函数及对应的曲顶柱体

上述几何意义可用不等式表示如下,这就是上述定理所阐述的内容:

5 二重积分估值的不等式
上的的面积,则有:

因为在上有,根据,结合上以及,可得:

举例说明下上述定理,如下图所示,其中标出了函数上的

函数及其在上的最值、曲顶柱体

根据上述定理,同样以为底的情况下,函数对应的曲顶柱体(上图中的曲顶柱体)的体积,大于等于下图左侧中高为的平顶柱体的体积,小于等于下图右侧中高为的平顶柱体的体积。

底为、高为的平顶柱体

底为、高为的平顶柱体

6 二重积分的中值定理
设函数的面积,则在上至少存在一点,使得:

根据上的存在。又根据二重积分估值的不等式,所以有:

显然,所以把上述不等式各除以,有:

上述不等式说明是介于之间的值,根据,所以在上至少存在一点,使得:

举例说明下上述定理,因为函数,所以函数上的存在,如下图所示。

函数及其在上的最值、曲顶柱体

根据二重积分估值的不等式可知,同样以为底的情况下,有:

上述结论用代数式表示即为:

所以在之间存在一个,如下图左侧所示。作以为底、高为的平顶柱体,如下图右侧所示,其体积和函数对应的曲顶柱体的体积相等,也就是有

底为、高为的平顶柱体,其体积为

由于是介于之间,根据,所以有,其中

综上,所以有:

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