📐 43/60 直角座標下的二重積分應用直覺 —— 先看區域,再寫積分式

🧭 導讀:積分前,先學會「看形狀」

在工程裡,二重積分真正難的不是算,而是:

▶︎ 積分範圍怎麼訂?

▶︎ 先對 x 積還是先對 y 積?

工程師的第一步永遠是:

👉 先看區域長什麼樣,再決定掃描方式。


🧩 一、直角座標下的二重積分基本形式

在區域 R 上的總量:

∬ᴿ f(x, y) dA

其中面積微元:

dA = dx·dy


🧭 二、兩種掃描寫法(先掃 x 或先掃 y)

✅ 若先對 x 積分(內層 x、外層 y)

想像「用垂直線」掃過整個區域:

∫ᵧ₌ₐᵇ [ ∫ₓ₌g₁(y)ᵍ₂(y) f(x, y) dx ] dy

工程直覺:

• 外層 y:決定你掃到哪一條水平位置

• 內層 x:描述該位置上 x 的可行範圍


✅ 若先對 y 積分(內層 y、外層 x)

想像「用水平線」掃過整個區域:

∫ₓ₌cᵈ [ ∫ᵧ₌h₁(x)ʰ₂(x) f(x, y) dy ] dx

工程直覺:

• 外層 x:決定你掃到哪一條垂直位置

• 內層 y:描述該位置上 y 的可行範圍


🔬 三、最常見的矩形區域(上下限是常數)

若區域是矩形:

a ≤ x ≤ b

c ≤ y ≤ d

則可直接寫:

∬ᴿ f(x, y) dA

= ∫ᵧ₌cᵈ [ ∫ₓ₌aᵇ f(x, y) dx ] dy

工程直覺:

✔ 上下限不會跟著變,最單純。


🛰️ 四、常見非矩形區域(上下限是函數)

很多工程區域不是矩形,會像這樣:

0 ≤ y ≤ 1

0 ≤ x ≤ y

這代表:

• y 先決定在 0 到 1 的哪一層

• 每一層的 x 範圍從 0 到 y(會變)

因此寫成:

∫ᵧ₌₀¹ [ ∫ₓ₌₀ʸ f(x, y) dx ] dy

工程直覺:

👉 內層上下限常常是「函數」,因為掃描線的長度會跟位置改變。


🧠 五、工程師實戰流程(最重要)

1️⃣ 先畫出區域 R(草圖即可)

2️⃣ 決定掃描方向(垂直掃 or 水平掃)

3️⃣ 寫內層上下限(掃描線的範圍)

4️⃣ 寫外層上下限(掃描到哪裡停止)

5️⃣ 最後才做計算


🧾 六、工程版一句話總結

直角座標二重積分的關鍵在於:

先看區域,再寫積分。


🧠 七、本單元你應該建立的直覺

✔︎ 積分順序可交換(只要區域能完整掃過)

✔︎ 上下限來自幾何形狀(不是背公式)

✔︎ 先畫圖比先算重要(先範圍,後計算)


✏️ 八、數學練習題:直角座標下寫出積分式(解答緊貼題目)

區域 R:

0 ≤ y ≤ 2

0 ≤ x ≤ y

分佈函數:

f(x, y) = x

(1)寫出二重積分式

✅ 解答:

總量 = ∬ᴿ x dA

= ∫ᵧ₌₀² [ ∫ₓ₌₀ʸ x dx ] dy


(2)計算總量

✅ 解答:

先對 x 積分:

∫ₓ₌₀ʸ x dx = [ ½x² ]₀ʸ = ½y²

再對 y 積分:

∫ᵧ₌₀² ½y² dy

= ½[ y³/3 ]₀²

= ½(8/3)

= 4/3

因此:

👉 總量 = 4/3


🎯 本題想建立的工程直覺

✔ 面不是一次算完,是「掃描累積」

✔ 範圍不是硬背,是從區域形狀讀出來

✔ 寫對上下限,就已完成一半工程分析


 

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