第6章 二重积分 · 讲义

把一片区域切成小格,每格用“代表高度×格子面积”近似,再让格子无限变小取极限——这个极限就是二重积分,记作 $\iint_D f\,d\sigma$。
用“方向角 $\theta$+距离 $r$”定位平面点:$x=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta$。
切到无穷小的那一小块的面积,记作 $d\sigma$;直角坐标下是 $dx\,dy$,极坐标下是 $r\,dr\,d\theta$。
把二重积分拆成“先内层、再外层”两次定积分,例如 $\int_a^b dx\int_{y_1(x)}^{y_2(x)}f\,dy$。

一片形状不规则的池塘,每一点的水深 $h(x,y)$ 都不一样。你要回答:总水量是多少?

学完这一章,你能做三件事:①把“不均匀的总量”写成一个二重积分;②把它降成两次定积分并算出来;③认出什么时候该换序、换极坐标、用对称。

难点预告(先说,免得到时以为自己笨):这章有两处最容易卡——第一处是“为什么极限看最大格子的直径,不看格子数”,第二处是“极坐标为什么凭空多一个 $r$”。两处出现时都会停下来讲透,你不用自己补。

它值多少:数三每年 1–2 题(选择/填空/大题),约 5–10 分;它还是后面三重积分、概率密度、期望的地基。这一章花的时间,后面会还回来。

不翻书,先在心里答一遍;五问全过再往下读。

  1. 定积分那套“四步”是哪四步?
  2. 区域 $D:0\le x\le1,\ x^2\le y\le x$,竖线 $x=\text{常数}$ 与它交几次?
  3. 极坐标下 $dx\,dy$ 换成什么?
  4. $D$ 关于 $y$ 轴对称,$f(x,y)=x^3y^2$,积分等于多少?
  5. $\int_0^1dx\int_x^1 f\,dy$ 能不能直接写成 $\int_0^1dy\int_1^y f\,dx$?
五问答案(答错哪问,就回对应那一节)

1. 分割 → 近似 → 求和 → 取极限。答不出回第 3 章“定积分定义”。

2. 一次进、一次出(下边界 $y=x^2$、上边界 $y=x$),不用分块,可写“先 $y$ 后 $x$”。

3. $r\,dr\,d\theta$。那个 $r$ 是扇环的面积因子,忘了乘它结果就错;原因在 §4。

4. 0。区域关于 $y$ 轴对称,$x^3$ 关于 $x$ 是奇函数;两个条件缺一不可。

5. 不能。先还原区域 $0\le x\le1,\ x\le y\le1$,即 $0\le y\le1,\ 0\le x\le y$,新序是 $\int_0^1dy\int_0^y f\,dx$。

不均匀总量(池底高低不平)
→ 分割·近似·求和·取极限 → 二重积分 $\iint_D f\,d\sigma$
→ 降维:先沿一条线累加,再把线扫过去 → 两次定积分
→ 划线定限:针入下限、针出上限、行程做外层 → 能算
→ 三条加速路:换序(内层积不出/要分块)、极坐标(圆/环/扇)、对称(区域对称+函数奇偶)

这一章所有内容都挂在这条链上;哪一步断了,就回哪一步,不要从头重读。

读得顺 ≠ 学会。解释性知识最容易让人高估自己:读完觉得“懂了”,一合上书就说不出机制——这是有实验的(解释深度错觉)。本章的掌握判据只有两个:合上书写得出;没见过的题做对。读着顺不算。

§1 二重积分是什么:从“不均匀的总量”逼出来

这一节要解决的问题:菜地面积好算,因为高度恒为 1;泳池不行,因为每点深度不同。“长×宽”要高度均匀,“平均深×面积”又要先有总量才能算平均——老工具全部失效,必须造一个新工具。

第 3 章你已经在一条线段上干过同样的事:切竖条、每条当矩形、加起来、切细取极限。本章没有发明新思想,只是把“切竖条”换成“切小格”,把一条线上的累加换成一片面上的累加。

四步做什么为什么这么做
① 分割把区域 $D$ 打成小格,第 $i$ 格面积 $\Delta\sigma_i$不必均匀切,边界格可以是曲的;定义只要求“每格都小”
② 近似格内挑一个代表点 $(\xi_i,\eta_i)$,这一格 ≈ $f(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i$格子越小,格内高低差越小,“代表高度×格子面积”就越准
③ 求和$\sum_{i=1}^n f(\xi_i,\eta_i)\Delta\sigma_i$这是一个估计;格子有限,它就永远只是估计
④ 取极限让最粗格子的直径 $\lambda\to0$近似带来误差,极限消灭误差
为什么敢“以平代曲”?格子小到 1 平方厘米时,坡再陡,格内深度也几乎不变。微积分的全部狡猾就在这里:在小尺度上假装世界是均匀的,误差留给极限去吃。

原话:“格子越多越细,所以让 $n\to\infty$ 就行了。”

错因:格子多 ≠ 每格都小。把泳池切成一万条 $0.1$ 毫米宽、$10$ 米长的细条——格数够多,可每条里深度从 1 米变到 3 米,“代表深度”根本代表不了这一条。

正解:定义用的是 $\lambda$=最大格子的直径,它同时管住格子的长和宽,专门堵“细长条”这个漏洞。

判别例:看到“格数趋于无穷”这种说法,先问一句“每格的最大直径趋于零了吗?”没有,就是错的。

这个和式的极限记作 $\iint_D f\,d\sigma$,读作“在区域 $D$ 上对 $f$ 做二重积分”。对着认:$\iint$ 是拉长的 S(Sum),两重求和;$D$ 是切格子的地盘;$f$ 是每点的高度;$d\sigma$ 是无穷小格子的面积。当 $f\ge0$ 时,它就是曲顶柱体的体积;$f$ 有正有负时,积分是“正块体积 − 负块体积”的代数和——和定积分处理 $x$ 轴上下面积完全同构。

六条性质:一张“交通规则表”

什么函数可积?有界闭区域上的连续函数必可积,分块连续也可积。直觉:连续函数的图像没有“撕裂”,格子越切越细时,“代表点取谁”的分歧必然归零。严格证明属于数学分析,考研大纲不要求,记结论即可。

性质式子/人话什么时候用
线性性$\iint(\alpha f+\beta g)=\alpha\iint f+\beta\iint g$(拆开算的许可证)化简的第一步
区域可加$D=D_1+D_2$ 时积分也切开加分段函数、绝对值(§5)
保序性$f\le g\Rightarrow\iint f\le\iint g$(整体矮的总体积小)比大小选择题
估值定理$m\le f\le M\Rightarrow mS_D\le\iint f\le MS_D$估值、证明题
积分中值连续时存在 $(\xi,\eta)$:$\iint f=f(\xi,\eta)S_D$(存在一个“等效平均深度”)求平均、证明存在性

① 为什么“近似”可以以平代曲?——格小到一定程度,格内深度差可以忽略,误差交给极限。
② 为什么极限条件是 $\lambda\to0$ 而不是 $n\to\infty$?——格数多不代表每格小;细长条反例。
③ $f$ 有正有负时积分是什么?——正块体积减负块体积,代数和。

① 回看本节“四步表”第 ② 行,那里有一句“格子越小、格内高低差越小”;
② 还不行,就看上面的“细长条”反例,自己复述一遍;
③ 最后才看答案。看完合上页面重做一遍,不要停在“看懂了”。

§2 直角坐标:把一片区域变成两次定积分

这一节要解决的问题:按定义切格子加极限,一道题要算一辈子。计算的全部智慧只有一句话——降维:把一个二维问题拆成两个你会的一维问题。

回到泳池,讲究点算:先固定一个 $x$,盯住那一条竖条。条上深度随 $y$ 变,这一条的水量就是一个定积分(第 3 章的旧武器):

$$A(x)=\int_{y_1(x)}^{y_2(x)} f(x,y)\,dy$$

注意:算这个积分时 $x$ 是冻结的常数——你正盯着这一条看,没让条动。再让条从左扫到右,全池水量就是所有条之和,又是一个定积分:

$$V=\int_a^b A(x)\,dx=\int_a^b dx\int_{y_1(x)}^{y_2(x)} f(x,y)\,dy$$
一个二维累加=先沿条累加(内层),再把条累加(外层)。内层算的时候,外层变量是“照片”,冻住不动;外层算的时候,内层已经算完了。

X 型与 Y 型:区域的两种“顺毛方向”

针出针入 X 型:竖线扫,一进一出 针入针出 Y 型:横线扫,一进一出
同一条区域,换扫描方向,穿线次数可能从 1 次变 2 次——这就是“要不要分块”的来源。
① 参数变什么?——扫描线是竖(固定 $x$)还是横(固定 $y$)。
② 曲线怎么动?——边界是 $y$ 关于 $x$ 的函数,还是 $x$ 关于 $y$ 的函数。
③ 区域去哪?——针入处是下限、针出处是上限;扫描线的行程是外层限。
④ 与哪张图易混?——和“外层写函数、内层写常数”的错法只差一眼,写完念一遍就能分开。

划线定限(考试就靠这四个字):先定“谁先积”,就拿平行于其坐标轴的直线扫区域。竖着扫(先积 $y$):针入处是下限 $y_1(x)$、针出处是上限 $y_2(x)$,都在曲线上、都是解出来的函数;针的行程 $[a,b]$ 是外层限,必须是常数。横着扫同理。

两条铁则:①外层限必须是常数,内层限是函数——写反了,就是没画图;②每个积分的上限不小于下限,负限翻转是高频事故。第一条的原理是:外层是扫描线的行程,行程只看区域的最左最右(投影),必然是常数;内层是针入针出的纵坐标,边界是弯的,当然是函数。

三连页:先看全解,再补最后一步,最后自己来

第一页 · 全解

例 2:计算 $\iint_D \frac{x^2}{y^2}\,dxdy$,$D$ 由 $x=2,\ y=x,\ xy=1$ 围成。

三线交点 $A(1,1),\ B(2,\tfrac12),\ C(2,2)$。竖着扫:固定 $x\in[1,2]$,下边界 $y=1/x$、上边界 $y=x$,一进一出,不用分块。如果横着扫,左边界在 $y\in[\tfrac12,1]$ 段要从 $x=1/y$ 换成 $x=y$,必须拆两块——所以选先 $y$。

$$\text{原式}=\int_1^2 dx\int_{1/x}^{x}\frac{x^2}{y^2}\,dy=\int_1^2 x^2\left[-\frac1y\right]_{1/x}^{x}dx=\int_1^2(x^3-x)\,dx=\frac94$$

每一步的依据:内层把 $x$ 当常数,所以 $\int x^2y^{-2}dy=-x^2/y$;代上下限时 $1/x$ 和 $x$ 分别代入;外层是多项式积分。

第二页 · 挖掉最后一步

同类题:计算 $\iint_D (x+y)\,d\sigma$,$D:0\le x\le1,\ x^2\le y\le x$。

先画图:下边界 $y=x^2$、上边界 $y=x$,在 $[0,1]$ 上 $x^2\le x$,一进一出。竖着扫,外层 $x\in[0,1]$,内层 $y\in[x^2,x]$:

$$\text{原式}=\int_0^1 dx\int_{x^2}^{x}(x+y)\,dy=\int_0^1\left[xy+\frac{y^2}{2}\right]_{x^2}^{x}dx=\underline{\qquad\qquad}$$

最后一步(把上下限代进去、算出定积分)留给你。写完再展开对照。

对答案(先写完再看)

$\left[xy+\frac{y^2}{2}\right]_{x^2}^{x}=x^2+\frac{x^2}{2}-x^3-\frac{x^4}{2}=\frac32x^2-x^3-\frac12x^4$;积分得 $\frac12-\frac14-\frac1{10}=\frac{3}{20}$。

第三页 · 空白

换一个区域,同样的动作,你自己走一遍:$\iint_D (x+y)\,d\sigma$,$D$ 由 $y=x$ 与 $y=2x$ 围成,$0\le x\le1$(这次两条边界都是直线,先判断谁在上)。

第三页在导图页的题族 A3(同结构、换区域)。先做,再看答案;答案和采分点都在那里。

$\displaystyle\int_0^1dx\int_{x^2}^{x}f(x,y)\,dy$

念一遍:“外层 $x$ 从 0 到 1(常数,好),内层 $y$ 从 $x^2$ 到 $x$(函数,好)。”念着顺,基本就对了。

错法 1:$\displaystyle\int_0^1dy\int_{x^2}^{x}f\,dx$——外层写了函数、内层写了常数。原因是没画图,把“行程”和“针程”弄反了。

错法 2:$\displaystyle\int_0^1dx\int_{x}^{x^2}f\,dy$——上下限颠倒。针入是 $x^2$、针出是 $x$;颠倒后结果变号。

错法 3:$\displaystyle\int_{x^2}^{x}dx\int_0^1f\,dy$——内外层限位置放错。行程(0 到 1)永远在外层。

三种错法有一个共同的 10 秒自检:写完念出来,听“外层常数、内层函数”是否成立。

① 为什么外层限一定是常数?——外层是扫描线的行程,只由区域的最左最右决定。
② 区域既可 X 型又可 Y 型时,选哪个?——先看哪个方向穿线不分块(区域依据),再看哪个变量先积能积出来(函数依据)。
③ 矩形区域是不是随便选?——区域没意见,但函数可能有意见,见下面的次序双依据。

次序选择的双依据

依据怎么判断典型信号
区域依据(先查)哪个方向穿线一进一出、不用分块边界“一顺”的区域
函数依据哪个变量先积能凑元/能积出矩形区域、$\cos(xy^2)$、$e^{y^2}$ 这类

例 1(函数依据):计算 $\iint_D x^2y\cos(xy^2)\,dxdy$,$D:0\le x\le\frac{\pi}{2},\ 0\le y\le2$。

矩形区域,次序本来随便挑;但被积函数说了算:$xy^2$ 对 $y$ 求导恰是 $2xy$,先积 $y$ 能凑元;先积 $x$ 则寸步难行。区域没意见时,听函数的。

先 $y$:内层令 $u=xy^2$($x$ 冻结为常数),$du=2xy\,dy$:

$$\int_0^2x^2y\cos(xy^2)\,dy=\frac{x}{2}\int_0^{4x}\cos u\,du=\frac{x}{2}\sin(4x)$$ $$\text{原式}=\int_0^{\pi/2}\frac{x}{2}\sin4x\,dx=\frac12\left[-\frac{x\cos4x}{4}+\frac{\sin4x}{16}\right]_0^{\pi/2}=-\frac{\pi}{16}$$

换一个被积函数,结论会翻转:$\iint_D y\cos(xy)\,dxdy$(同区域),先积 $y$ 要分部,先积 $x$ 却一步凑元。区域不变、函数一换,“听函数的”指向反方向——这就是次序选择的真实含义。

① 回看“划线定限”那一段,把“针入下限、针出上限、行程外层”复述一遍;
② 只看正错例里的“念一遍”自检;
③ 还不行,看全解例 2,然后合上重做第二页。

§3 交换积分次序:先画图,永远先画图

这一节要解决的问题:有些题,按原来的次序内层根本积不出来。比如 $\int_0^1dx\int_x^1\frac{\sin y}{y}\,dy$——$\frac{\sin y}{y}$ 没有初等原函数,硬积是死路。换一个次序,内层变成 $\int_0^y dx=y$,分母恰好约掉,一步出数 $1-\cos1$。

换序的第二个动机是“某种次序要分块太麻烦”。两个动机指向同一个动作:换一种打包方式。

三步法,一步不能跳:①由原来的上下限列不等式,还原区域 $D$;②画草图,边界曲线和交点全标出来;③按新次序重新划线定限。原理是:累次积分只是区域的一种“打包写法”,区域本身才是内容物;换序=换打包方式,必须先拆包、再重包,禁止直接交换字母和上下限。

例(换序的最短路径):$\int_0^1dx\int_x^1\frac{\sin y}{y}\,dy$。内层积不出;还原区域 $0\le x\le1,\ x\le y\le1$,即 $0\le y\le1,\ 0\le x\le y$;换序后内层变成 $\int_0^y dx=y$,分母恰好约掉:

$$\int_0^1dy\int_0^y\frac{\sin y}{y}\,dx=\int_0^1\sin y\,dy=1-\cos1$$

注意:换序不是“把积不出的函数变可积”,而是“把它挪到外层,让内层先把它约掉”。这个区分很重要——有些题换序后外层仍然积不出,那考的是换序动作本身,不是数值。

换序:两块可以拼成一块 左入右出
原次序按竖条分成两块;换序后一根横线就穿完,块数从 2 变成 1——这就是“必须重画图”的铁证。
① 参数变什么?——扫描方向从竖变横。
② 曲线怎么动?——左边界由 $y=x^2$ 解出 $x=\sqrt y$,右边界由 $y=\frac{3-x}{2}$ 解出 $x=3-2y$。
③ 区域去哪?——两块在 $x=1$ 处接壤,合成一块“山丘”。
④ 与哪张图易混?——和“直接换字母”的错法只差这一步:你有没有把区域重新画出来。

例 3:交换 $\int_0^1dx\int_0^{x^2}f\,dy+\int_1^3dx\int_0^{\frac{3-x}{2}}f\,dy$ 的次序。

① 还原:$D_1:0\le x\le1,\ 0\le y\le x^2$;$D_2:1\le x\le3,\ 0\le y\le\frac{3-x}{2}$。② 画图:两块在 $x=1$ 处接壤,最高到 $y=1$。③ 横着扫:$0\le y\le1$,左入 $x=\sqrt y$,右出 $x=3-2y$:

$$\text{原式}=\int_0^1dy\int_{\sqrt y}^{3-2y}f(x,y)\,dx$$

两块合成了一块——块数会变,这就是“必须重画图、禁止直接换字母”的铁证。自检:取 $f=1$,两种次序都算得 $\frac43$。

原话:“换序就是把 $dx\,dy$ 换个位置,上下限跟着换一下。”

错因:累次积分是区域的一种写法,上下限不是独立的数字,是区域边界的翻译。直接换字母等于把“地图”当“地名”改。

正解/判别例:例 3 直接换字母会得到“两块还是两块”,而正确答案是“一块”;用 $f=1$ 验算,数值不对,立刻露馅。

① 为什么必须先画图?——上下限是区域边界的翻译;不画图就不知道新的针入针出在哪。
② 换序后块数会变吗?——会。例 3 从 2 块变 1 块,所以“换字母”必错。
③ 什么时候该想到换序?——内层积不出($e^{y^2}$、$\frac{\sin y}{y}$),或原次序分块太麻烦。

§4 极坐标:圆的东西用圆的尺子量

这一节要解决的问题:区域是圆、环、扇,或者函数里出现 $x^2+y^2$ 时,直角坐标会把圆写成 $\sqrt{1-x^2}$,越算越繁。换一套坐标:用“方向角 $\theta$+距离 $r$”定位。

换算:$x=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta$。什么时候换:①区域是圆/环/扇;②被积函数含 $x^2+y^2$ 或 $\frac yx$——满足其一就认真考虑。

面积元为什么多一个 $r$:极坐标的网格不是方格,是“射线×圆弧”织成的扇环格。一小格角度占 $d\theta$、半径占 $dr$;弧长=半径×角度=$r\,d\theta$;扇环格是窄曲矩形,面积 ≈ 弧长×径向宽度=$r\,d\theta\cdot dr$。所以

$$d\sigma=r\,dr\,d\theta$$

它不是规定,是几何自己长出来的。再感受一层:同样转 1°、同样推进 1 厘米,圆心附近只圈住指甲盖大的地,10 米外圈住一张桌面——角度这把尺子离圆心越远越“铺张”,铺张系数就是 $r$。

原话:“$dx\,dy$ 换成 $dr\,d\theta$ 就行,那个 $r$ 是记号。”

错因:把面积元当成了坐标变换的“附属品”。面积是几何量,换网格必须换面积。

正解/判别例:单位圆面积。正确:$\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1 r\,dr=\pi$;忘乘 $r$:$\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1 dr=2\pi$——一眼错。

换元的三个动作,每次走全:①换函数($x,y$ 全换成 $r\cos\theta,r\sin\theta$,残留 $x$ 就报废);②换面积元($dxdy\to r\,dr\,d\theta$);③换区域(把 $D$ 画到 $r\theta$ 平面上,射线穿线定限)。

动作做什么漏掉的下场
① 换函数$x,y$ 全换成 $r\cos\theta,r\sin\theta$函数里残留 $x$,整题报废
② 换面积元$dxdy\to r\,dr\,d\theta$忘乘 $r$:最高频丢分
③ 换区域把 $D$ 画到 $r\theta$ 平面,射线定限新区域是画出来的,不是抄出来的

例 4:计算 $\iint_D(x^2+y^2)\,d\sigma$,$D:x^2+y^2\le2x$。

边界是 $(x-1)^2+y^2\le1$,圆心 $(1,0)$、半径 1——区域是圆、函数含 $x^2+y^2$,双条件全中。代入 $x=r\cos\theta$:$r^2\le2r\cos\theta$,即 $r\le2\cos\theta$,要求 $\cos\theta\ge0$,所以 $\theta\in[-\frac\pi2,\frac\pi2]$。

$$\text{原式}=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}d\theta\int_0^{2\cos\theta}r^2\cdot r\,dr=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{(2\cos\theta)^4}{4}d\theta=4\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4\theta\,d\theta=\frac{3\pi}{2}$$

最后一步用第 3 章的华里士公式:$\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4=2\cdot\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2=\frac{3\pi}{8}$,乘 4 得 $\frac{3\pi}{2}$。

① 参数变什么?——$\theta$ 扫过的张角、$r$ 的进出口。
② 曲线怎么动?——边界 $x^2+y^2=2x$ 变成 $r=2\cos\theta$。
③ 区域去哪?——偏心圆,射线从原点出发,$\theta\in[-\frac\pi2,\frac\pi2]$,$r$ 从 0 到 $2\cos\theta$。
④ 与哪张图易混?——和同心圆环只差“$r$ 的上限是不是常数”;同心环 $r$ 是常数,偏心圆 $r$ 是 $\theta$ 的函数。

① 什么时候该换极坐标?——区域圆/环/扇,或函数含 $x^2+y^2$、$\frac yx$。
② $\theta$ 的范围怎么定?——看区域张角;扇形可能只扫 $[0,\frac\pi2]$,别默认 $0$ 到 $2\pi$。
③ 圆过原点时边界长什么样?——常化成 $r=2a\cos\theta$ 这类,$r$ 的上限是 $\theta$ 的函数。

§5 对称性与分段:先看 10 秒,省算 3 分钟

这一节要解决的问题:有些积分硬算要十分钟,但区域和函数一配合,答案一眼就是 0 或两倍。判错了会白算,所以要先学会“什么时候能用”。

对称三连问:①区域关于 $x$ 轴/$y$ 轴/$y=x$ 对称吗?②被积函数关于对应变量是奇还是偶?③能不能轮换($x\leftrightarrow y$ 互换值不变)?

奇函数+对称区域=0(两半抵消);偶函数=2 倍单边。前提缺一不可:只看函数就判 0,区域不对称时翻车。轮换对称:若 $D$ 关于 $y=x$ 对称,则 $\iint_D f(x,y)=\iint_D f(y,x)$;配合奇偶可以“平均”掉复杂表达式:$\iint_D f(x)=\frac12\iint_D[f(x)+f(y)]$。

例 5(轮换的用法):$D:x^2+y^2\le R^2$,求 $\iint_D x^2\,d\sigma$。用轮换:$\iint x^2=\iint y^2=\frac12\iint(x^2+y^2)=\frac12\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^R r^3dr=\frac{\pi R^4}{4}$。硬算要处理 $\cos^2\theta$,轮换直接把它平均掉——这就是“先看 10 秒,省算 3 分钟”。

原话:“区域对称,积分就是 0。”

错因:漏了第二个条件——函数关于该变量必须是奇函数。

正解/判别例:$D$ 关于 $y$ 轴对称,$f=x^2$(偶)→ 积分是 $2\iint_{x\ge0}x^2$,不是 0;换成 $f=x^3$(奇)才是 0。

分段与绝对值:出现 $\min/\max$/绝对值时,两步走——先拆区域,再拆函数。找 $f=0$ 的曲线,它把 $D$ 切成正负两块,$|f|$ 分别变成 $f$ 与 $-f$;$\min/\max$ 同理按大小关系切换表达式。拆完每块都是普通题,别忘了每块先查对称性。

例 6:$\iint_D|x+y|\,d\sigma$,$D:-1\le x\le1,\ 0\le y\le1$。

切割线 $x+y=0$(即 $y=-x$)把矩形切成两块:$x+y\ge0$ 的大块 $D_1$,和左上角 $x+y\le0$ 的小三角 $D_2$(顶点 $(-1,0),(0,0),(-1,1)$)。

$D_2:-1\le x\le0,\ 0\le y\le-x$,此块上 $|x+y|=-(x+y)$:

$$\iint_{D_2}|x+y|=-\int_{-1}^0dx\int_0^{-x}(x+y)\,dy=\int_{-1}^0\frac{x^2}{2}dx=\frac16$$

$D_1$ 用“总量减负块”:$\iint_D(x+y)=1$,而 $\iint_{D_2}(x+y)=-\frac16$,所以 $\iint_{D_1}=\frac76$。合计 $\frac76+\frac16=\frac43$。

① 参数变什么?——切割线 $x+y=0$ 的位置。
② 曲线怎么动?——它把矩形切成一大一小两块。
③ 区域去哪?——小块是左上角三角形,大块是剩下的部分。
④ 与哪张图易混?——和“直接去掉绝对值”只差“符号在哪块变”;先找零点线,就不会错。

① 对称秒杀的两个条件?——区域对称 且 函数关于该变量为奇。
② 轮换对称什么时候用?——区域关于 $y=x$ 对称,且式子互换后能化简(如 $f(x)$ 与 $f(y)$ 配对)。
③ 绝对值题的固定动作?——找零点线 → 拆区域 → 每块定符号 → 每块先查对称。

§6 反常二重积分与应用:数三特色

这一节要解决的问题:区域无界(全平面、第一象限)或函数无界时,积分还能不能算?答案是:先在有界部分算,再让边界扩大取极限。

例 7:$\iint_D e^{-(x^2+y^2)}\,d\sigma$,$D$ 是全平面。

全平面 → 极坐标,$\theta\in[0,2\pi]$、$r\to\infty$:

$$\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^{+\infty}e^{-r^2}r\,dr$$

内层凑元 $u=r^2,\ du=2r\,dr$:$\frac12\int_0^\infty e^{-u}du=\frac12$;乘 $2\pi$ 得 $\pi$。

对比:直角坐标下 $e^{-x^2}$ 没有初等原函数,处处碰壁;极坐标一步通天——坐标系选对,“积不出”变“积得出”。

应用三译:面积、体积、形心,三件事都是“认出它就是二重积分”的翻译题。

翻译被积函数取什么公式
面积取 1$S_D=\iint_D1\,d\sigma$
体积取高度 $f\ge0$$V=\iint_D f\,d\sigma$
形心取 $x$(或 $y$)再平均$\bar x=\frac{1}{S_D}\iint_D x\,d\sigma$

反过来用更有用:已知形心(圆心、对称中心),可以白得 $\iint_D x=\bar x\cdot S_D$。例:$D$ 是圆心 $(1,0)$、半径 1 的圆,$\iint_D x\,d\sigma=1\cdot\pi=\pi$,不用算。

① 反常二重积分的动作?——先截(有界部分)→ 再取极限;极限不存在就是发散。
② 全平面为什么用极坐标?——无穷远变成 $r$ 的无穷限,回到会算的定积分。
③ 形心公式反过来怎么用?——$\iint_D x=\bar x\cdot S_D$;对称区域直接读出 0 或已知值。

规则账:本章每条规则,为什么可以用

规则三选一一句话交代
划线定限(针入下限、针出上限、行程外层)〔原理〕外层是扫描线的行程,只由区域最左最右决定,必为常数;内层是边界的纵坐标,边界弯,所以是函数。
上下限颠倒要变号〔约定〕定积分“从下到上”是人为规定的方向,没有为什么;继承下来就要守。
极坐标面积元 $r\,dr\,d\theta$〔原理〕扇环面积=弧长×径向宽度=$(r\,d\theta)\cdot dr$;$r$ 是几何长出来的,不是记号。
换序三步(限→图→限)〔原理〕累次积分只是区域的一种打包写法;换打包必须先拆包,所以要先还原区域。
奇函数+对称区域=0〔原理〕沿对称轴对折,两半函数值一正一负,恰好抵消。
华里士公式〔欠条·已还〕第 3 章已证,本章直接用;忘了就回第 3 章补 10 分钟。
形心公式〔超纲工具〕数三考纲未明确列出,只当加速器用;答题时用直算交叉验证。

一页回顾:合上书,先说一遍

① 二重积分=不均匀总量的极限:分割、近似、求和、取极限;$\lambda$ 是最大格子的直径,不是格数。② 算它=降维:先沿条累加,再让条扫过去;划线定限四件事——外层常数、内层函数、针入下限、针出上限。③ 三条加速路:内层积不出/要分块就换序(限→图→限);圆/环/扇或含 $x^2+y^2$ 就换极坐标(别忘 $r$);区域对称先查函数奇偶。④ 绝对值/$\max$:先找零点线拆区域,再拆符号。⑤ 反常积分先截后限;面积、体积、形心都是“认出它是二重积分”的翻译。

如果这五句你能合上书说出来,说明这一章的骨架已经在你脑子里;说不出来,回对应的那一节,不要从头重读。

卡住怎么办:三步,不要先开 AI

第一步(30 秒):把“我卡在哪一句”写下来。写不出,说明还没定位,不是不会——回到本节最后一段状态句。
第二步(2 分钟):只看本节“你可能会问”里对应的那一问,或回看本节加粗的那一句。
第三步:还不行,看最近的一个全解,然后合上页面重做;不要停在“看懂了”。

要用 AI 时:先写出你自己的尝试(哪一步、用了什么依据),再让 AI 只给提示或追问,不要它直接给答案;拿到提示后关掉 AI,自己重做一遍。做完 48 小时内,再做一次“无 AI”的同型题。

本章的题库、题型四栏、速查、掌握格、限时卷都在导图页:第6章-二重积分-导图.html。做完讲义每节,去对应题族做 1–2 题,再回来。

回访口:哪一句让你卡住、想去搜?把那一句抄下来告诉我——下一版就改那一句。建议回看时点:学完当天(轻提取)、第 21 天、第 60 天、第 150 天(按考期反推,见导图页)。