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
将 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。
以 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。
如 ( 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 而 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 及 ,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
若 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。
为 轴正方向到 的夹角()。
为 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
从 轴 正方向 起算 极易出错
是 轴正方向 到 的夹角, 自顶而下 ,不是 自底而上 计算的。
常见错误:把 当成从 轴负方向起算,导致积分限写反
(如倒锥的 范围写成 而非 )。
记忆:
时 ; 时 。
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 即 )
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 , 为 与 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: 时 从 到 (下球上半球出); 时 从 到 (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 用 ,缺 )
对某面取转动惯量时,只用该面法向方向的变量(如 用 )
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(,):
积 (,)
积 (,,华里士公式)
积 (,,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, 对 为常数) 积 :
积 :
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 , 由 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
设 由锥面 ()与平面 围成,求形心坐标。
截面 :圆 ,圆心 ,半径 ,面积 。
体积
由 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:

