将三重积分展开为什么最内层积分表示的是线段长度
在三维空间中,固定$x $ 和$y $ 相当于选择了一条平行于$z $-轴的直线。这条直线的方程可以表示为$x = a $,$y = b $,其中$a $ 和$b $ 是常数。在这条直线上,$ z $ 从$z_1(a, b) $ 变化到$z_2(a, b) $。因此,$ z $ 的变化范围$z_2(a, b) - z_1(a, b) $ 就是这条直线在积分区域$V $ 内的“长度”。
如果$f(x, y, z) = 1 $,那么最内层的积分就是:
$ \int_{z_1(a, b)}^{z_2(a, b)} 1 , dz = z_2(a, b) - z_1(a, b) $
这直接给出了在$(a, b) $ 处$z $ 方向上线段的长度。
对于一般的$f(x, y, z) $,最内层积分可以看作是在这条线段上对$f $ 的累积。
三重积分可以理解为将区域$V $ 分割成许多小的“柱子”,每个柱子对应于固定的$x $ 和$y $,在$z $ 方向上的延伸。
最内层的积分就是计算每个这样的“柱子”在$z $ 方向上的贡献,即“柱高”或“线段长度”。
例子:
假设积分区域$V $ 是一个长方体,定义为:
$ 0 \leq x \leq 1, \quad 0 \leq y \leq 1, \quad 0 \leq z \leq 1 $
三重积分为:
$ \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} f(x, y, z) , dz, dy, dx $
最内层积分:
$ \int_{0}^{1} f(x, y, z) , dz $
对于固定的$x $ 和$y $,$ z $ 从 0 到 1,即线段的长度为 1。
如果$f(x, y, z) = 1 $,则积分值为 1,即线段长度。
中间层积分:
$ \int_{0}^{1} \left( \int_{0}^{1} f(x, y, z) , dz \right) dy $
对于固定的$x $,$ y $ 从 0 到 1,将每个$y $ 对应的线段长度(或累积值)相加。
最外层积分:
$ \int_{0}^{1} \left( \int_{0}^{1} \int_{0}^{1} f(x, y, z) , dz, dy \right) dx $
对所有$x $ 进行积分,最终得到整个体积的积分值。
另外,
从物理意义上讲:
如果$f(x, y, z) $ 表示密度,那么三重积分表示物体的总质量。
最内层积分$\int_{z_1}^{z_2} \rho(x, y, z) , dz $ 表示在$(x, y) $ 处沿$z $ 方向的“线密度”或“线质量”。
然后对$y $ 积分得到“面密度”,最后对$x $ 积分得到总质量。
类似地,如果$f = 1 $,则三重积分就是体积,最内层积分就是“线”的长度。
从数学严格的角度来看,三重积分的展开是基于Fubini定理,该定理允许我们在一定条件下将多重积分转化为累次积分。最内层积分的“线段长度”解释对应于在固定其他变量时,对一个变量的积分。
懂了懂了,谢谢
请给出具体例子,你的问题没有完全。