核心洞察

无论取什么形式——、或常数 ——它始终是挂在三维空间 上的第四维标量场

中的 既是场值的构成因子,又隐含着该点的三维空间位置。三重积分就是对三维标量场按体积的累积量,“质量密度、温度、电荷密度“ 都是在对场累积。

三重积分 将一个定义在三维区域 上的标量场 按体积做累积。

最直觉的物理图像是求质量( 为体密度),但 也可以是电荷密度、温度、或常数 (退化为体积)。

本章与二重积分类似,介绍概念、对称性、计算方法及应用。

概念

分割为 个小区域 ,在每个小区域内任取一点

作和 , 当所有小区域的最大广义直径 时取极限:

为什么用 而不是

让分割份数 并不能保证每一份都足够小。

必须控制最大广义直径 ,才能确保每个小区域都趋于一个点,从而消除近似误差。

该说法同样适用于二重积分的定义

元素法对应:取微元

微元位置由 三维定位(所以是三重积分),微元体积 (长宽高)。

总质量

各符号的意义

是密度, 是体积(长宽高),三者共同构成质量微元。

“三重”源于需要 三个变量进行三维定位。

区域 必须完整描述空间范围,所有变量和符号均不可省略。

对称性

普通对称性(偶倍奇零)

先看积分域 关于哪个坐标面对称,再看被积函数是另外一个轴的奇还是偶。

关于 面前后对称为例:

  • (关于 为偶)→ 前后密度相同,积分 = 倍半域积分

  • (关于 为奇)→ 前后密度互为相反数,正负质量抵消,积分 =

同理:

关于 面左右对称 → 看 关于 的奇偶。

关于 面上下对称 → 看 关于 的奇偶。

解析判断对称性(无需画图)

添负号后积分域表达式不变 → 前后关于 面对称

添负号后积分域表达式不变 → 左右关于 面对称

添负号后积分域表达式不变 → 上下关于 面对称

抵消的是质量不是体积

奇函数时积分为零,是因为前后对称点的密度一正一负,质量抵消,不是体积抵消。

轮换对称性

三重积分的轮换对称性比二重积分更复杂,分为大轮换和小轮换。

大轮换:三个变量共同参与的闭环轮换
若轮换后积分域形式不变,则被积函数可做相应轮换。

小轮换:仅两个变量参与轮换,第三个不动。
不动)、 不动)、 不动)。

判断标准

唯一标准:轮换后积分域在形式上是否与原积分域完全相同。

球体 :大轮换和小轮换均成立

椭球 :大轮换不成立( 系数不同),但 小轮换成立

轮换必须是闭环

所有轮换必须是闭环操作,形成封闭环。

小轮换如 是局部闭环;大轮换 是完整回路。

不能只让 变成 不动。

加减项可拆分轮换:若被积函数为加减形式,可拆开对各部分分别进行闭环轮换,最后再合并。

乘除项不可拆分:若被积函数为乘除结构(如 ),不能 对个别变量轮换。

原因是乘积项耦合在一起,无法独立轮换。

1988 年真题(3 分)

设有空间区域 ,则

(A)   (B)

(C)   (D)


答案:C

\begin{gather} \Omega_1 \text{ 关于 } YOZ \text{ 对称,} z \text{ 不含 } x \Rightarrow \text{偶} \Rightarrow \times 2 \\ \\ \text{再关于 } XOZ \text{ 对称,} z \text{ 不含 } y \Rightarrow \text{偶} \Rightarrow \times 2 \\ \\ \text{两次偶倍:} \underset{\Omega_1}{\iiint} z\,dV = 4\underset{\Omega_2}{\iiint} z\,dV \end{gather}$$ $\quad \quad \quad \quad$A、B、D 错:$x$、$y$、$xyz$ 均为奇函数,$\underset{\Omega_1}{\iiint} = 0$ 而 $\underset{\Omega_2}{\iiint} > 0$。

计算

三重积分的计算核心是选择 合适的积分顺序 和 坐标系。

直角坐标系

直角坐标系下有先一后二和先二后一两种顺序;当积分域具有旋转对称性时,可改用柱坐标或球坐标。

方法选择优先级

被积函数不含 (只含 )→ **先二后一**最简便(先二只需算截面面积)

积分域为柱状(底面是圆)→ 先一后二 + 极坐标 = 柱坐标

积分域为球、半球、倒锥环 → 球坐标

先一后二 需要分段时 → 考虑 先二后一

柱坐标系

柱坐标是 伪命题:本质就是先一后二中后二改用极坐标,只是提前将 替换为

定位方式:先用 在底面确定位置,再沿 方向上升,形成柱状分层结构。

体积微元底面积为 (来自极坐标),高为

不必刻意区分"柱坐标"

考试时无需专门想”我要用柱坐标”。

先一后二时 后二 自然转极坐标,先二后一时 先二 自然转极坐标,都等同于柱坐标。

柱坐标只是将极坐标转换提前完成,不构成独立方法。

球坐标系

球坐标系用于具有球对称性或旋转对称性的区域(球体、半球、倒锥、倒锥环体等)。

坐标转换

其中 为原点到点 的距离。

轴正方向到 的夹角()。

面上的方位角()。

体积微元

几何理解

是点在 轴上的投影高度(即

是点在 平面上的投影半径(即极坐标的

是不同坐标系间体积微元的压缩比例系数

正方向 起算 极易出错

正方向 的夹角, 自顶而下 ,不是 自底而上 计算的。

常见错误:把 当成从 负方向起算,导致积分限写反

(如倒锥的 范围写成 而非 )。


记忆:

球坐标—例题1(圆环型)

积分域

下界锥夹角 ),上界锥夹角 ),顶部被平面 截断。

球坐标积分限:(平面

结果:

先二后一法更简便

上例中被积函数为 ,不含

先二后一法只需算截面面积——截面为圆环,内半径 (标准锥),外半径 (非标准锥)。

面积

积分 ,比球坐标更简便。

球坐标—例题 2(两球相贯)

【例 5】计算 的公共部分。

交线位于 处(球心距离 = 半径,形成正三角形,夹角 而非

球坐标需分段:(下球上半球出);(上球下半球出)

结果:。先二后一法同样可解但计算量相当。


使用 球坐标系积分 过程相当复杂,适合没事的时候练练计算量

应用

体积与质量

体积:被积函数为 时,密度为 ,质量退化为体积。

质量

质心与形心

质心(密度不均匀):

分子 分别为相对于 面的静矩。


形心(密度均匀, 为常数): 约去后仅由几何形状决定。

反用形心公式

若已知规则区域的形心和体积,可反用公式快速计算含单一变量的三重积分:

球的形心即球心,椭球的形心即椭球心,体积有初等公式,直接代入即可。

反用形心公式

计算 为球心 、半径 的球。

形心 即球心 ,体积

合计:

转动惯量

对坐标轴

对坐标面

对原点

记忆规律

对某轴取转动惯量时,距离平方中缺少该轴对应的变量(如 ,缺

对某面取转动惯量时,只用该面法向方向的变量(如

球体对切平面的转动惯量

设切平面为 ,微元到该面的距离为

展开 ,由对称性 为奇函数, 项积分为

球坐标代入():

,华里士公式)

,华里士公式)

立方体对棱边的转动惯量

【例 6】求边长为 、密度为常数 的立方体关于其任一棱边的转动惯量。

设立方体位于第一卦限,一个顶点在原点,棱边即 轴。微元到 轴距离为

逐次积分(直角坐标, 为常数) 积

万有引力

实体对质点的引力:取微元 ,引力 ,方向沿两点连线。

力是矢量,需分解后积分。

利用对称性,只积分某方向的分量即可(其他方向分量由对称性抵消)。

以均匀柱体 对正上方 )处单位质点的引力为例:

由对称性 ,只需算 方向分量。

微元到质点距离

方向分量需乘

引力模型只研究实体对质点

所有万有引力的三重积分模型中,被吸引的一端都是质点。

一维可研究棒吸引点,二维研究圆片吸引点,三维研究实体吸引点。

两个实体之间的引力模型过于复杂,不在此研究范围。

常见题型

先二后一(截面法)

例1:球域 ∭ f(z) dV 的先二后一通式

证明:对 ,有

截面 ,面积

先二后一 将三重积分降为一重,关键在于被积函数只含 时截面面积可直接写出。

上半球 ∭ z dV(先二后一)

,计算

截面 ,面积

轮换对称性

例2(2015 数一 第12题):轮换对称性 + 反用形心

计算 及三个坐标面围成。

四面体 在轮换 下形式不变

体积 ,形心 ,反用形心公式:

形心计算

例3(2019 数一 第19题 10分):锥体形心

由锥面 )与平面 围成,求形心坐标。

截面 :圆 ,圆心 ,半径 ,面积

体积

的对称性( 关于 面对称),

:截面圆心纵坐标即

:同一积分

形心:

例4:上半椭球体质心(椭圆截面)

求密度均匀的上半椭球体 的质心。

由对称性 ,只需算

体积(椭球体积公式的一半):

截面 :椭圆 ,面积

质心: