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各类积分的定义及表达

一、不定积分(Indefinite Integral)#

数学定义:

f(x)dx=F(x)+C,其中 F(x)=f(x)\int f(x)\,\mathrm{d}x = F(x) + C,\quad \text{其中 } F'(x) = f(x)

通俗解释:
找到一个函数,其导数为已知函数 f(x)f(x),即反导数。

二、定积分(Definite Integral)#

数学定义:

abf(x)dx=limni=1nf(xi)Δxi\int_a^b f(x)\,\mathrm{d}x = \lim_{n \to \infty} \sum_{i=1}^{n} f(x_i^*) \Delta x_i

通俗解释:
表示函数图像与 xx 轴之间在 [a,b][a, b] 区间的带符号面积或某种累积总量。

三、二重积分(Double Integral)#

数学定义:

Df(x,y)dxdy=limmax(Δxi,Δyj)0i,jf(xij,yij)ΔxiΔyj\iint_D f(x, y)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y = \lim_{\max(\Delta x_i, \Delta y_j) \to 0} \sum_{i, j} f(x_{ij}^*, y_{ij}^*) \Delta x_i \Delta y_j

通俗解释:
在一个平面区域 DD 上对函数 f(x,y)f(x,y) 进行“面积加权求和”,可用于计算面积、体积、质量等。

四、三重积分(Triple Integral)#

数学定义:

Ωf(x,y,z)dxdydz=limmax(Δxi,Δyj,Δzk)0i,j,kf(xijk,yijk,zijk)ΔxiΔyjΔzk\iiint_\Omega f(x, y, z)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z = \lim_{\max(\Delta x_i, \Delta y_j, \Delta z_k) \to 0} \sum_{i,j,k} f(x_{ijk}^*, y_{ijk}^*, z_{ijk}^*) \Delta x_i \Delta y_j \Delta z_k

通俗解释:
在三维区域 Ω\Omega 内,对函数 f(x,y,z)f(x, y, z) 进行体积积分,比如求体积、总质量、总能量等。

五、第一类曲线积分(Line Integral of the First Kind)#

数学定义:

设曲线 CC 参数化为 r(t)=(x(t),y(t)), t[a,b]\vec{r}(t) = (x(t), y(t)),\ t \in [a,b],则

Cf(x,y)ds=abf(x(t),y(t))(dxdt)2+(dydt)2dt\int_C f(x, y)\,\mathrm{d}s = \int_a^b f(x(t), y(t)) \sqrt{\left( \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} \right)^2 + \left( \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right)^2}\,\mathrm{d}t

通俗解释:
沿着曲线 CC 累加标量函数 f(x,y)f(x,y) 的值,比如计算弯曲线上的质量或能量总量。

六、第二类曲线积分(Line Integral of the Second Kind)#

数学定义:

设向量场 F=(P(x,y),Q(x,y))\vec{F} = (P(x,y), Q(x,y)),曲线 CC 参数化为 r(t)=(x(t),y(t))\vec{r}(t) = (x(t), y(t)),则

CFdr=CPdx+Qdy=ab[P(x(t),y(t))dxdt+Q(x(t),y(t))dydt]dt\int_C \vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{r} = \int_C P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \int_a^b \left[ P(x(t), y(t)) \frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + Q(x(t), y(t)) \frac{\mathrm{d}y}{\mathrm{d}t} \right] \mathrm{d}t

通俗解释:
计算向量场沿曲线 CC 所做的“功”或“推力总量”。

七、第一类曲面积分(Surface Integral of the First Kind)#

数学定义:

设曲面 SS 可参数化为 r(u,v)\vec{r}(u,v),则

Sf(x,y,z)dS=Df(r(u,v))ru×rvdudv\iint_S f(x, y, z)\,\mathrm{d}S = \iint_D f(\vec{r}(u,v)) \left\| \frac{\partial \vec{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \vec{r}}{\partial v} \right\|\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v

通俗解释:
在曲面上“加总”一个标量场的值,如计算分布在膜面上的质量或热量等。

八、第二类曲面积分(Surface Integral of the Second Kind)#

数学定义:

F=(P,Q,R)\vec{F} = (P, Q, R),单位法向量为 n\vec{n},则

SFdS=S(P,Q,R)ndS=SPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_S \vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{S} = \iint_S (P, Q, R) \cdot \vec{n}\,\mathrm{d}S = \iint_S P\,\mathrm{d}y\,\mathrm{d}z + Q\,\mathrm{d}z\,\mathrm{d}x + R\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y

或参数化为:

DF(r(u,v))(ru×rv)dudv\iint_D \vec{F}(\vec{r}(u,v)) \cdot \left( \frac{\partial \vec{r}}{\partial u} \times \frac{\partial \vec{r}}{\partial v} \right)\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v

通俗解释:
表示向量场穿过曲面的通量,如流体穿过曲面、磁场穿过线圈等。

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各类积分的定义及表达
https://www.laoguantx.cn/posts/definitionsandexpressionsofvariousintegrals/
作者
老官童鞋gogo
发布于
2025-05-12
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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