第6章 二重积分 · 导图

一页看全章:结构图 → 题型四栏 → 题库 → 速查 → 掌握格 → 限时卷 → 复习日程。讲义在另一页;这里只放“做”和“查”。

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① 定义 不均匀总量=分割·近似·求和·取极限;λ 是最大格直径,不是格数
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② 直角坐标 降维:先沿条累加,再让条扫过去;划线定限:针入下限、针出上限、行程外层
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③ 换序 限→图→限;先还原区域,禁止直接换字母;内层积不出/要分块时用
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④ 极坐标 圆/环/扇、含 x²+y²;dσ=r dr dθ;三个动作:换函数、换面积元、换区域
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⑤ 对称与分段 对称三连问;奇函数+对称区域=0;绝对值/max 先找零点线再拆
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⑥ 反常与应用 先截后限;面积/体积/形心三译;形心反用是加速器

题型四栏(认题用)

题型识别线索原理变量关系变式
直接计算(直角)边界是一元函数;被积函数能积出划线定限外层常数、内层函数换区域/换函数;矩形可分离
换序内层积不出($e^{y^2}$、$\frac{\sin y}{y}$);或原次序要分块累次积分是区域的打包由边界解出新的针入针出两块拼一块;上下限全换
极坐标圆/环/扇;含 $x^2+y^2$ 或 $\frac yx$面积元 $r\,dr\,d\theta$$r$ 的上限是 $\theta$ 的函数偏心圆 $r=2a\cos\theta$;同心环
对称/分段区域对称;绝对值/max/min奇偶抵消;零点线切块每块符号恒定轮换对称;$\max(x,y)$

题库

基础 A1–A5 进阶 B1–B4 挑战 C1–C3。遮住答案先做;做完写“错在哪一步”。

基础

A1 概念·保序 $D=[0,1]^2$,比较 $\iint_D\sqrt{x+y}$ 与 $\iint_D(x+y)$ 谁大。
A1 答案

$\iint(x+y)=1$;$\iint\sqrt{x+y}=\frac{16\sqrt2-8}{15}\approx0.975<1$,所以 $(x+y)$ 大。注意不能凭“哪段看着占优”下结论:$[0,1]$ 上 $\sqrt t\ge t$、$[1,2]$ 上 $\sqrt t\le t$,两段净额一加减,反而小。

采分点:拆区间或直接算真值(5);比较结论(5)。

A2 概念·估值 估计 $\iint_D\frac{1}{1+x^2+y^2}d\sigma$ 的上下界,$D:x^2+y^2\le4$。
A2 答案

$m=\frac15,M=1,S=4\pi$,所以 $\frac{4\pi}5\le I\le4\pi$;真值 $\pi\ln5\approx5.06$。

采分点:最值(3)、面积(3)、夹出上下界(4)。

A3 直角·三连页空白 $\iint_D(x+y)d\sigma$,$D$ 由 $y=x$ 与 $y=2x$ 围成,$0\le x\le1$。
A3 答案

竖着扫:$0\le x\le1$,$x\le y\le2x$。$\int_0^1dx\int_x^{2x}(x+y)dy=\int_0^1\left[xy+\frac{y^2}{2}\right]_x^{2x}dx=\int_0^1\frac52x^2dx=\frac56$。

采分点:画图定限(4)、代限(3)、积分(3)。

A4 直角·可分离 $\iint_D e^{x+y}d\sigma$,$D=[0,1]\times[0,\ln2]$。
A4 答案

矩形且函数可分离:$(\int_0^1e^xdx)(\int_0^{\ln2}e^ydy)=(e-1)\cdot1=e-1$。

采分点:识别可分离(5)、两个定积分(5)。

A5 换序 交换 $\int_0^1dy\int_y^1f\,dx$ 的次序。
A5 答案

区域:$0\le y\le1,\ y\le x\le1$,即 $0\le x\le1,\ 0\le y\le x$。新序:$\int_0^1dx\int_0^xf\,dy$。自检:取 $f=1$,两序都是 $\frac12$。

采分点:还原区域(5)、新限(5)。

进阶

B1 对称 $\iint_Dxy\,d\sigma$,$D:x^2+y^2\le1$。
B1 答案

0。区域关于 $x$ 轴、$y$ 轴都对称,$xy$ 关于 $x$(也关于 $y$)是奇函数。

采分点:两个条件都说清(6)、结论(4)。

B2 极坐标 $\iint_D(x^2+y^2)d\sigma$,$D:x^2+y^2\le1$。
B2 答案

$\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1r^2\cdot r\,dr=2\pi\cdot\frac14=\frac\pi2$。

采分点:换极坐标(3)、乘 $r$(4)、结果(3)。

B3 极坐标·环 $\iint_D\ln(1+x^2+y^2)d\sigma$,$D:1\le r\le2$。
B3 答案

$2\pi\int_1^2\ln(1+r^2)r\,dr=\pi[(1+r^2)\ln(1+r^2)-(1+r^2)]_1^2=\pi(5\ln5-2\ln2-3)$。

采分点:面积元(3)、凑元(4)、代限(3)。

B4 换序·真题型 $\iint_Dx^2e^{-y^2}d\sigma$,$D=\{-1\le x\le1,\ |x|\le y\le1\}$。
B4 答案

$e^{-y^2}$ 无初等原函数,必须换序:区域即 $0\le y\le1,\ -y\le x\le y$。$\int_0^1e^{-y^2}dy\int_{-y}^{y}x^2dx=\int_0^1\frac{2y^3}{3}e^{-y^2}dy$,令 $u=y^2$ 得 $\frac13\int_0^1ue^{-u}du=\frac{1-2/e}{3}$。

采分点:认出必须换序(4)、还原区域(3)、凑元分部(3)。

挑战

C1 综合 $\iint_D|x+y|d\sigma$,$D:|x|+|y|\le1$。
C1 答案

令 $u=x+y,\ v=x-y$,$|J|=\frac12$,菱形化为 $[-1,1]^2$。$\frac12\int_{-1}^1|u|du\int_{-1}^1dv=1$。注意:$|x+y|\ge0$,积分必为正,不可判 0。

采分点:换元与雅可比(4)、区域转化(3)、积分(3)。

C2 综合 $\iint_De^{\max(x^2,y^2)}d\sigma$,$D=[0,1]^2$。
C2 答案

以 $y=x$ 拆块,两块轮换相等:$2\int_0^1dx\int_x^1e^{y^2}dy$,换序得 $2\int_0^1ye^{y^2}dy=e-1$。

采分点:拆块(3)、轮换(3)、换序(4)。

C3 应用 用形心公式报出 $\iint_D(2x+3y)d\sigma$,$D$:圆心 $(1,-2)$、半径 $3$。
C3 答案

形心 $(1,-2)$,$S=9\pi$:$2(1\cdot9\pi)+3(-2\cdot9\pi)=18\pi-54\pi=-36\pi$。

采分点:形心识别(4)、面积(3)、加权(3)。

速查

公式与动作

要用的写法最容易错的地方
面积元(直角)$d\sigma=dx\,dy$无
面积元(极坐标)$d\sigma=r\,dr\,d\theta$忘乘 $r$(最高频)
划线定限针入下限、针出上限、行程外层外层写成函数、上下限颠倒
换序限→图→限直接换字母
极坐标边界$x^2+y^2=2ax\Rightarrow r=2a\cos\theta$$\theta$ 范围默认 $0\sim2\pi$
华里士$\int_0^{\pi/2}\sin^n=\int_0^{\pi/2}\cos^n$;偶乘 $\frac{\pi}{2}$、奇不带 $\pi$奇偶的收尾记反
形心$\bar x=\frac{1}{S_D}\iint_Dx$忘记先算面积

五个迷思(一句话版)

① $\lambda\to0$ ≠ $n\to\infty$(细长条反例);② 外层限必是常数;③ 换序不是换字母;④ 极坐标别忘 $r$;⑤ 区域对称还要函数奇。

错因六码

码本章长什么样回哪一节
E1 不会不知道何时换极坐标/不知道换序§3、§4 的“何时用”
E2 会而不对代限错、凑元错、符号错§2 三连页第二页
E3 对而不全没画图、没写“一进一出”、没写收敛性§2 划线定限;§6
E4 超时没先看对称,硬算§5 对称三连问
E5 看错区域看错、上下限看反§2 正错例
E6 策略错次序选错、坐标系选错§2 次序双依据;§4 双条件

重建题(合上资料,自己推)

这三题不考计算,考“能不能把结论重新造出来”。推不出,说明那一节还只是背下来的。

R1 为什么极限条件用“最大格子的直径 $\lambda$”,而不是“格数 $n$”?给一个反例。
R1 答案

格数多不代表每格都小:把区域切成一万条 $0.1$ 毫米宽、$10$ 米长的细条,格数极大,但每格内函数值可以从 1 变到 3,“代表点”失效。$\lambda$ 同时管住长和宽,才堵住这个漏洞。

R2 用“弧长×径向宽度”推三行,说明极坐标面积元为什么是 $r\,dr\,d\theta$。
R2 答案

①角度占 $d\theta$、半径占 $dr$;②弧长=半径×角度=$r\,d\theta$;③扇环格近似窄矩形,面积=弧长×径向宽度=$r\,d\theta\cdot dr$。

R3 为什么换序必须先还原区域,不能直接交换字母和上下限?用“两块拼一块”说明。
R3 答案

上下限是区域边界的翻译。例 3 里原次序按竖条分成两块,换序后一根横线穿完,块数从 2 变 1——直接换字母会保持“两块”,与几何不符;取 $f=1$ 验算,数值立刻不对。

掌握格

节点能复述能独立做对能限时做对
① 定义与性质☐☐☐
② 直角坐标/划线定限☐☐☐
③ 换序☐☐☐
④ 极坐标☐☐☐
⑤ 对称与分段☐☐☐
⑥ 反常与应用☐☐☐

三格不是一回事:能复述=合上书说得出来;能独立做对=不看答案做对;能限时做对=30 分钟内做对。只钩第一格,就等于“以为自己会”。

限时卷(30 分钟·闭卷)

配比:直接计算 2 题、换序 1 题、极坐标 1 题、对称 1 题、应用 1 题。先计时做,再用下面的评分卡判分。

题题目分值
1$\iint_Dxy\,d\sigma$,$D$ 由 $y=x$ 与 $y=x^2$ 围成15
2交换 $\int_0^1dx\int_x^1f\,dy$ 的次序15
3$\iint_D(x^2+y^2)d\sigma$,$D:x^2+y^2\le2x$20
4$\iint_D|x|\,d\sigma$,$D:x^2+y^2\le1$15
5$\iint_De^{-x^2-y^2}d\sigma$,$D$ 为第一象限20
6用形心报出 $\iint_D(x+2y)d\sigma$,$D$:圆心 $(0,1)$、半径 $2$15
答案与评分卡(先做完再开)

1 $\int_0^1dx\int_{x^2}^{x}xy\,dy=\frac1{24}$。采分点:定限 6、代限 5、结果 4。

2 区域 $0\le x\le1,\ x\le y\le1$ → $0\le y\le1,\ 0\le x\le y$;新序 $\int_0^1dy\int_0^yf\,dx$。采分点:还原区域 8、新限 7。

3 $r\le2\cos\theta,\ \theta\in[-\frac\pi2,\frac\pi2]$;$\int_{-\pi/2}^{\pi/2}d\theta\int_0^{2\cos\theta}r^3dr=\frac{3\pi}{2}$。采分点:边界化极坐标 6、乘 $r$ 6、积分 8。

4 区域双轴对称,$|x|$ 关于 $x$ 偶:$2\iint_{x\ge0}x=2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\,d\theta\int_0^1r^2dr=\frac43$。采分点:对称判断 6、极坐标 5、结果 4。

5 $\frac\pi4$(全平面的四分之一)。采分点:极坐标 6、凑元 6、收敛说明 4、结果 4。

6 形心 $(0,1)$、$S=4\pi$:$0\cdot4\pi+2(1\cdot4\pi)=8\pi$。采分点:形心 5、面积 5、加权 5。

判分后填这张表:E1 不会丢几分/E2 会而不对/E3 对而不全/E4 超时/E5 看错/E6 策略错——六码之和应等于 100−得分(±1)。有说不清来路的丢分,就是还没找到断点。

复习日程

考期按 2027-12-18 算,距今约 414 天。最优间隔约为保持期的 5%–20%,即 21–83 天;但新学内容不能等到第 21 天才第一次回想,所以用“先密后疏”:

时点做什么方式
当天合上书复述因果链 5 环;做 A1–A3闭卷
D1只做“五问”+ 错题重做闭卷,10 分钟
D21做 B 组 4 题;错题打码闭卷,25 分钟
D60限时卷整卷;对评分卡闭卷,30 分钟
D150只做 C 组 + 速查页自问闭卷,30 分钟

每次复现只做“提取”,不重读;答案紧随,错题当场写一句错因。

回访口:哪一题错得最冤、哪一句最想搜?写下来告诉我。掌握格三格都钩满、限时卷 ≥85,这一章才算过;否则回到对应题型的讲义节,不要从头重读。