二重积分是什么
一元不定积分 ∫f(x)dx就是找一个函数 F(x),它求导等于已知的 f(x)。这种只有一个变量 x 的积分,叫一元积分、一重积分。
二重积分是有两个自变量的积分,记作:∬Df(x,y)dxdy
二重积分:变量是 (x、y),研究一个平面区域 D 上的变化
- 一元定积分 ∫abf(x)dx
曲线下的面积
- 二重定积分 ∬Df(x,y)dxdy
曲面 (z=f(x,y)) 底下、平面区域 D 上方的立体体积
二重积分的性质
设二元函数f(x,y),g(x,y)在区域D上可积,k为常数。
1. 线性性质
∬D[kf(x,y)±g(x,y)]dxdy=k∬Df(x,y)dxdy±∬Dg(x,y)dxdy
2. 积分区域可加性
若把区域D拆成无重叠的D1,D2:
∬Df(x,y)dxdy=∬D1f(x,y)dxdy+∬D2f(x,y)dxdy
3. 被积函数为1
∬D1dxdy=SD
SD 是平面区域D的面积。
4. 保号比较性质
若在D上恒有f(x,y)≥0,则
∬Df(x,y)dxdy≥0
若D上f(x,y)≥g(x,y),则
∬Df(x,y)dxdy≥∬Dg(x,y)dxdy
5. 估值不等式
设m≤f(x,y)≤M,S为D面积:
m⋅S≤∬Df(x,y)dxdy≤M⋅S
同时类似的:
−∣f(x,y)∣⩽f(x,y)⩽∣f(x,y)∣−∬D∣f(x,y)∣dσ⩽∬Df(x,y)dσ⩽∬D∣f(x,y)∣dσ
6. 二重积分中值定理
f(x,y)在闭区域D连续,则存在(ξ,η)∈D:
∬Df(x,y)dxdy=f(ξ,η)⋅SD
7. 奇偶对称性*
区域D关于x轴对称
f(x,−y)=−f(x,y)(对y奇函数):
∬Df(x,y)dxdy=0
f(x,−y)=f(x,y)(对y偶函数):
∬Df(x,y)dxdy=2∬D上半f(x,y)dxdy
区域D关于y轴对称
f(−x,y)=−f(x,y)(对x奇函数):
∬Df(x,y)dxdy=0
f(−x,y)=f(x,y)(对x偶函数):
∬Df(x,y)dxdy=2∬D右半f(x,y)dxdy
8. 轮换对称性*
区域D互换x,y后不变:
∬Df(x,y)dxdy=∬Df(y,x)dxdy
二重积分的计算
直角坐标(累次积分法)
累次积分法
累次积分法(Iterated Integration),就是把重积分(二重 / 三重)拆成一串单变量定积分,一层一层往里算,核心是先固定一个变量,积另一个,再积外层变量。
一、核心思想(二重积分)
重积分:
∬Df(x,y)dxdy累次积分(两种顺序):
先 y 后 x(X 型区域):
∫ab(∫φ1(x)φ2(x)f(x,y)dy)dx
先 x 后 y(Y 型区域):
∫cd(∫ψ1(y)ψ2(y)f(x,y)dx)dy先把一个变量当常数,算内层定积分,再算外层。
而选择x型还是y型,取决于哪个好算
- 区域垂直于哪个轴
- 哪个型不用分段积分
- 哪个型能算出来用哪个
累次积分法(在长方形区域上时)
被积函数可分离变量,可拆成两个定积分乘积
若 f(x,y)=g(x)⋅h(y),则:
∬Dg(x)h(y)dxdy=(∫abg(x)dx)⋅(∫cdh(y)dy)
分离变量 → 二重积分变两个一元积分相乘。因为此时两个一元积分算出来都是常数

极坐标
xy坐标 ↔ 极坐标替换式
x=ρcosθ,y=ρsinθ
x2+y2=ρ2
dxdy=ρdρdθ
关键点:一定要多乘一个 ρ,考试最容易漏。
二重积分极坐标变换公式
∬Df(x,y)dxdy=∬Df(ρcosθ,ρsinθ)ρdρdθ
常用积分次序
先ρ后θ(最常用)
∫αβdθ∫ρ1(θ)ρ2(θ)f(ρcosθ,ρsinθ)ρdρ
五、常见区域极限(用ρ)
- 原点为圆心、半径R整圆
θ∈[0,2π], ρ∈[0,R]
- 上半圆 y≥0
θ∈[0,π], ρ∈[0,R]
- 第一象限四分之一圆
θ∈[0,2π], ρ∈[0,R]
- 圆环 a≤x2+y2≤b
θ∈[0,2π], ρ∈[a,b]
六、适合用极坐标的情况
- 区域:圆、圆环、扇形、心形线、双纽线
- 被积函数含:x2+y2,x2+y2,xy
替换:
f(x2+y2)⇒f(ρ2),xy⇒tanθ,x2+y2⇒ρ
七、解题标准步骤
- 画区域D,判断换极坐标
- 定出θ范围
- 代换 x=ρcosθ, y=ρsinθ, x2+y2=ρ2到区域D的表达式里,算出用θ表示的ρ
- 定出ρ上下限
- ∬Df(x,y)dxdy 换成 ∬Df(ρcosθ,ρsinθ)ρdρdθ
- 化为累次积分计算
二重积分的换元法
一、基本原理
二重积分换元法的核心思想:通过坐标变换,将复杂的积分区域 D 映射为一个更简单的新区域 D′,从而简化积分计算。
设变换为:
T:x=x(u,v),y=y(u,v)
它将 uOv 平面上的区域 D′ ——映射到 xOy 平面上的区域 D。
则换元公式为:
∬Df(x,y)dxdy=∬D′f[x(u,v),y(u,v)]⋅∣J∣dudv
其中 ∣J∣ 是 雅可比行列式(Jacobian)的绝对值。
二、雅可比行列式
J=∂(u,v)∂(x,y)=∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y=∂u∂x⋅∂v∂y−∂v∂x⋅∂u∂y
几何意义:∣J∣ 表示面积微元的缩放比例,即 dxdy=∣J∣dudv。
例子:极坐标变换
3.1 变换公式
x=rcosθ,y=rsinθ
(r≥0,0≤θ≤2π)
3.2 雅可比行列式
J=∂(r,θ)∂(x,y)=cosθsinθ−rsinθrcosθ=rcos2θ+rsin2θ=r
∴∣J∣=r
3.3 极坐标下的二重积分公式
∬Df(x,y)dxdy=∬D′f(rcosθ,rsinθ)⋅rdrdθ
⚠️ 容易漏掉:不要忘记乘 r!
极坐标换元
θ 型区域(放射扇形)
区域由两条射线 θ=α, θ=β 和两条曲线 r=r1(θ), r=r2(θ) 围成:
∬Dfdσ=∫αβdθ∫r1(θ)r2(θ)f(r,θ)⋅rdr
r 型区域(同心圆型)
区域由两个圆弧 r=a, r=b 和两条曲线 θ=θ1(r), θ=θ2(r) 围成:
∬Dfdσ=∫abdr∫θ1(r)θ2(r)f(r,θ)⋅rdθ
其他常用换元
6.1 广义极坐标(椭圆区域)
当积分区域为椭圆 a2x2+b2y2≤1 时:
x=arcosθ,y=brsinθ
J=acosθbsinθ−arsinθbrcosθ=abr
dxdy=abrdrdθ
6.2 线性变换
当积分区域是平行四边形时,可使用线性变换将其变为矩形。
解题步骤
- 分析区域和被积函数,选择合适的变换
- 写出变换公式 x=x(u,v), y=y(u,v)
- 确定新区域 D′ 的边界
- 计算雅可比行列式 J 并取绝对值
- 代入换元公式,化为新坐标系下的累次积分
- 计算累次积分
常见易错提醒
- 换元后必须乘 ∣J∣,极坐标下是 r
- 累次积分的积分次序要与区域类型匹配
- θ 的范围要画图确认,不要想当然取 [0,2π]
- 定限时从原点出发的射线先交的是下限,后交的是上限