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Calculus · real student question

计算 4x + 5y − 19z 的三重积分,其中 z 从 7 到 1,y 从 4 到 2,x 从 3 到 2。

Question

计算

∫32∫42∫71(4x+5y−19z)dz dy dx\int_{3}^{2}\int_{4}^{2}\int_{7}^{1}\left(4x+5y-19z\right)dz\,dy\,dx

Step-by-step solution

  1. 先注意到每一重的积分限都是反的。 每个积分都是从较大的值积到较小的值。由于 ∫ab=−∫ba\int_{a}^{b}=-\int_{b}^{a},这里一共变号三次,而 (−1)3=−1(-1)^{3}=-1:整个答案就是「把所有积分限都改成从小到大」那个积分的相反数。你可以一开始就把三重限全部翻过来,也可以像下面这样原样小心地算下去。

  2. 先对 zz 积分,把 xx 和 yy 当常数。 关于 zz 的一个原函数是 4xz+5yz−192z24xz+5yz-\tfrac{19}{2}z^{2},于是

    ∫71(4x+5y−19z)dz=(4x+5y−192)−(28x+35y−9312)=−24x−30y+456\int_{7}^{1}\left(4x+5y-19z\right)dz=\left(4x+5y-\tfrac{19}{2}\right)-\left(28x+35y-\tfrac{931}{2}\right)=-24x-30y+456

    次序不能乱:最内层的微元 dzdz 要最先积,用的是最内层那一对积分限。

  3. 把结果对 yy 积分。 原函数取 (−24x+456)y−15y2(-24x+456)y-15y^{2}:

    ∫42(−24x−30y+456)dy=(−48x+852)−(−96x+1584)=48x−732\int_{4}^{2}\left(-24x-30y+456\right)dy=\left(-48x+852\right)-\left(-96x+1584\right)=48x-732

  4. 再对 xx 积分。 原函数取 24x2−732x24x^{2}-732x:

    ∫32(48x−732)dx=(96−1464)−(216−2196)=−1368+1980=612\int_{3}^{2}\left(48x-732\right)dx=\left(96-1464\right)-\left(216-2196\right)=-1368+1980=612

  5. 解释一下符号。 在这个 zz 一直取到 7 的区域上,被积函数由 −19z-19z 主导,所以「积分限从小到大」的那个积分是很负的;三次反向把它翻成了正数。举例来说,如果只把 zz 的上下限翻过来,结果就会是 −612-612。

  6. 用数值黎曼和验算。 取带符号的步长 dz=−6/120dz=-6/120、dy=−2/120dy=-2/120、dx=−1/120dx=-1/120,做一个 1203120^{3} 的中点和,返回的正好是 612.0612.0 ✓。之所以能精确吻合,是因为被积函数是线性的,中点法则对线性函数是精确的。

Answer

612612

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