多重积分百科

　　多重积分是定积分的一类，它将定积分扩展到多元函式（多变数的函式）。多重积分具有很多与单变数函式的积分一样的性质（线性，可加性，单调性等等）。

　　多重积分问题的解决在多数情况下依赖于将多重积分转化为一系列单变数积分，而其中每个单变数积分都是直接可解的。

　　基本介绍

　　：多重积分

　　：Multiple integrals

　　套用学科

　　所属领域

　　：微积分

　　：定积分

　　：求f(x,y,z)类型的多元函式的积分

　　例如求f(x,y)或者f(x,y,z)类型的多元函式的积分。

　　正如单参数的正函式的定积分代表函式图像和

　　轴之间区域的面积一样，正的双变数函式的

　　双重积分

　　代表函式所定义的曲面和包含函式定义域的平面之间所夹的区域的体积。（注意同样的体积也可以通过三变数常函式

　　) = 1在上述曲面和平面之间的区域中的

　　三重积分

　　得到。若有更多变数，则多维函式的多重积分给出超体积。

　　2,…,

　　)在定义域

　　上的多重积分通常用嵌套的积分号按照演算的逆序标识（最左边的积分号最后计算），后面跟着被积函式和正常次序的积分参数（最右边的参数最后使用）。积分域或者对每个积分参数在每个积分号下标识，或者用一个变数标在最右边的积分号下：

　　因为不可能计算多于一个变数的函式的不定积分，

　　多重积分是不存在的。因此所有多重积分都是

　　譬如，边长为4 × 6 × 5的长方体的体积可以通过两种方法得到：

　　通过函式

　　) = 5在

　　平面中的区域

　　，也就是长方体的底上的双重积分

　　或者是常函式1在长方体上的三重积分

　　数学定义

　　为大于1的自然数。考虑所谓的半开

　　n维矩形

　　（下面简称

　　）。对于平面，

　　= 2，而

　　多重积分

　　就是双重积分。

　　将每个区间[

　　)分成有限个不重叠的子区间，每个都是左闭右开。将子区间记为

　　。则，所有所有如下形式的子矩形的族

　　的一个划分，也即，子矩形

　　是互不重叠的，而且它们并集为

　　中的子矩形的

　　按照定义是

　　中最大的边长，而

　　的划分的直径就是划分中的子矩形的最大直径。

　　为定义在

　　上的函式。考虑如上定义的

　　是正整数。如下形式的和称为黎曼和

　　其中，对于每个

　　中，而m(

　　)是笛卡尔积为

　　的区间的边长之积。

　　黎曼可积

　　，如果如下极限存在

　　其中极限取遍所有直径最大为δ的

　　的划分。若

　　黎曼可积，

　　上的黎曼积分。记为

　　定义在任意有界

　　维集合上的函式的黎曼和可以通过将函式延拓到一个半开半闭矩形上来求出，其取值在原来的定义域之外为0。然后，原来的函式的积分就定义为延展的函式在矩形区域中的积分（如果存在的话）。

　　维黎曼积分简称

　　多重积分

　　而且，和单变数情况一样，可以用多重积分找出函式在给定集合上的积分。具体来讲，给定集合

　　上的可积函式

　　在定义域上的平均值为：

　　的测度。

　　2是，积分

　　双重积分

　　3，积分

　　三重积分

　　注意，按常规，双重积分用两个积分号，而三重积分有三个；这只是记法上方便，也是为了通过重複积分来计算多重积分（参看本条目后文）。

　　积分方法

　　直接检验

　　有时可以直接获得积分的结果，而无需任何直接计算。

　　在常函式的情况中，结果很直接：只要将常函式

　　乘以测度就可以了。如果

　　= 1，而且是在

　　2的子集中积分，则乘积就是区域面积，而在

　　3中，它就是区域的体积。

　　and 在

　　对于二重积分来说，关于x轴对称，而被积函式关于y为奇函式，则积分为0.

　　n中的函式，只要相关变数对于形成对称的轴是奇变数就可以了。

　　) = 2sin

　　+ 5以及

　　2 ≤ 1为积分区域（半径为1的圆盘，包含边界）。利用线性性质，积分可以分解为三部分：

　　2sin

　　都是奇函式，而且显然

　　轴都是对称的；因此唯一有贡献的部分是常函式

　　因为其它两个都贡献0.

　　考虑函式

　　exp(

　　)以及圆心在原点的半径为2的球

　　该球显然是对于三条轴都对称，但是只要对于

　　轴积分就可以看出结果是0，因为

　　对于该变数是奇函式。

　　简化公式

　　简化公式基于简单积分区域来将多重积分转化为单变数积分的序列。它们必须从右至左计算，过程中将其它变数暂时视为常数（和偏导数的计算类似）。

　　R2常规区域

　　参见：积分次序

　　此种方法通用于满足下述条件的任何定义域

　　轴任一轴，形成一个有边界的範围, 以

　　代表边界值。

　　两点并与 垂直的直线与

　　相交后的两个端点，可以用 2 个函式定义。

　　轴做垂直投影，函式是连续函式，并且

　　可以视为（定义在[

　　]区间上的）α(

　　)和β(

　　)之间的区域。则

　　轴做垂直投影，函式是连续函式，并且

　　可以视为（定义在[

　　]区间上的）α(

　　)和β(

　　)之间的区域。则

　　例：可以採用简化公式的D区域。

　　考虑区域：

　　该区域可以沿x或者y轴分解。要採用公式，必须先找到限制

　　的两个函式和定义区间。这个例子中，这两个函式为：

　　。而区间为

　　（这里为了直观起见採用沿x轴分解）。套用简化公式，得到：

　　（首先第二个积分将

　　作为常数）。然后就是用积分的基本技术：

　　如果沿着y轴分解，可以计算

　　并得到同样的结果。

　　R3中的分解

　　这些公式可以推广到三重积分：

　　T是一个可以投影到xy平面的体，它夹在α (x,y)和β(x,y)两个函式之间。那幺：（此定义和其它R3中的分解类似）。变数替换积分的极限常常不易交换（区域无法分解或者公式很複杂），这时可以採用变数替换来重写积分，令区域更加简易，从而可以用更简单的公式表达。为此，函式必须变换到新坐标系下。例：函式为若採用替换则可以得到新函式对于定义域要进行类似处理，因为原来是採用变换前的变数表达的（本例中的x和y）。微分dx和dy要通过包含被替换的变数对于新变数的偏微分的雅可比行列式来变换。（譬如，极坐标的微分变换）。常用的变数替换有三种（R2中一种，R3中两种）；但是，更普遍的变换可以用同样的原理来发现。极坐标参见：极坐标系在R2中，若定义域有某种圆形对称性而函式也有某种特徵，则可以採用极坐标变换（参看图中的例子），也就是说将点P(x,y)从笛卡尔坐标变换到相应的极坐标中。这使得定义域的形状改变，从而简化运算。该变换的基本关係如下：例2-a：函式为套用该变换得到例2-b：函式为这里有：这里使用了勾股定理（在简化操作时很有用）。定义域的变换是根据x和y通过环厚和角度的幅度来限定ρ, φ的区间。例2-c：区域为，圆周半径2；很明显，这个区域所覆盖的角度是整个圆周角，所以φ从0变化到2π，而环半径从0变化到2（内环为0的环形就是圆）。例2-d：区域为，这是在正y半平面中的圆环；注意φ表示平面角而ρ从2变化到3。因此变换出来的区域为矩形：该变换的雅可比行列式为：这可以通过将x= ρ cos(φ),y= ρ sin(φ)代入关于ρ的第一行和关于φ的第二行的偏微分中得到，所以微分dx dy变换为ρdρdφ.一旦函式和区域的变换完成后，可以定义极坐标中的变数变换公式：。注意φ在[0, 2π]区间中有效，而ρ测量长度，因此只能取正值。例：函式为。从前面对D的分析，我们知道ρ的区间为[2,3]，而φ的为[0,π].函式变换为：最后，套用积分公式：一旦区间给定，就可以得到柱极坐标R3中，在有圆形底面的定义域上的积分可以通过变换到柱极坐标系来完成；函式的变换用如下的关係进行：区域的变换可以从图形中得到，因为底面的形状可能不同，而高遵循初始区域的形状。例（3-a）:区域为（也即底面为例2-d中的圆环的高度为5的"管道"）；如果採用变换，可以得到区域（这是一个底面为例2-d中的矩形而高为5的长方体）。因为z分量没有变化，dx dy dz和在极坐标中一样变化：变为ρ dρ dφ dz。最后，变换到柱极坐标的最后公式为：这个方法在柱形或者锥形区域的情况较为适用，也适用于容易分辨z区间和变换圆形底面和函式的其它情况。球极坐标R3中，有些区域有球形对称性，所以将积分区域的每点用两个角度和一个距离标识较为合适。因此可以採用变换到球极坐标系；函式变换由如下关係产生：注意z轴上的点没有唯一表示，可以在0到2π间变化。这个方法最为适用的区域显然是球。例（4-a）:区域为（球心在原点半径为4的球）；套用变换后得到：。坐标变换的雅可比行列式为：{\displaystyle {\frac {\partial (x,y,z)}因此dx dy dz变换为ρsin(φ)dρdθdφ.得到最后公式：。应当在积分区域为球形对称并且函式很容易通过基本三角公式简化的时候才使用这个方法。（参看例4-b）；其它情况下，可能使用柱极坐标更为合适（参看例4-c）。。注意从雅可比行列式来的和因子。注意下面例子中，φ和θ的作用反过来了。例（4-b）:D和例4-a相同，而是被积函式。很容易变换为：而从D到T的变换是已知的：套用积分公式：并展开：数学套用範例利用上面描述的方法，很容易计算一些立体的体积。圆柱半径为R的圆形底面作为定义域，将等于高度h的常函式作为积分对象。可以在极坐标中将体积写作：体积验证：体积=底面积×高 =球可以作为常函式1在球极坐标下的半径为R的球中积分：体积四面体(三稜锥或者说3维单纯形)：顶点在原点，三条长度为l的边沿着各个笛卡尔坐标系轴向的四面体的体积可以通过简化公式计算，因为xy平面和'z'轴互相垂直，x和y垂直，被积函式是常数1。体积验证：体积 = 底面积×高/3 =。多重广义积分定义域无界或者函式值在靠近定义域边界时无界的情况下，可以引入二重广义积分或者三重广义积分。多重积分定义参见：积分次序富比尼定理断言若也即，积分绝对收敛，则多重积分和累次积分给出同样的结果，一个特例是如果是有界函式而A和B为有界集时。如果积分不是绝对收敛，必须小心，不要混淆多重积分和累次积分的概念，特别是当它们採用形式上相同的记法的时候。记法在某些情况下表示累次积分而非真正的双重积分。累次积分中，外围的积分是对于如下x的函式关于x的积分双重积分却是定义在xy平面的区域上。若双重积分存在，则它等于两个累次积分中的任何一个（或者"dydx"或者"dxdy"），它也就是通过其中之一来计算的。但是有时这两个累次积分存在，而双重积分不存在。这种情况下，有时两个累次积分不相等，也即，这是条件收敛的积分的重排序的一个例子。如果要强调使用双重积分而非累次积分时，可以採用如下记法实际套用很普遍地，像单变数一样，我们通过多重积分可以找到给定集合上的函式的平均值。给定一个集合D⊆R和一个在D上可积的函式f，f在区域上的平均值是。其中m(D)是D的测度。此外，这些积分在物理中有大量套用。力学中，转动惯量可以作为密度乘以刚体和转轴的距离的平方的体积分（三重积分）计算：与三维欧氏空间R中的质量测度dm表示的质量分布关联的引力势：如果存在一个连续函式 ρ(x) 表示x处的密度分布, 那幺dm(x) = ρ(x)dx, 其中dx是欧几里得体积元, 那幺引力势就是在电磁学中，麦克斯韦方程组可以写作多重积分，用以计算总磁场和电场。下例中，由电荷分布产生的电场通过向量函式的三重积分得到：。点击展开全文多重积分百科