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2重積分

多重積分として最も簡単な,2重積分 $\displaystyle \iint_D f(x, y) \,dx \,dy $ が表す立体の体積とは…

2重積分の定義

1変数の場合の積分,例えば \(\displaystyle \int_a^b f(x)\,dx\) は何を表していたかというと,曲線 \( y = f(x)\) と \(y = 0\)(\(x\)軸)と,\(x = a, \ x = b\) で囲まれた部分の面積を表していたのであった。
多重積分(多変数関数の積分)として最も簡単な,2変数の積分を
$$ \iint_D f(x, y) \,dx \,dy $$
と書き,これを領域 \(D\) での2重積分と呼ぶことにすると,この2重積分が表しているのは,曲面 \(z = f(x, y)\) と \(z = 0\)(\(xy\) 平面)の間で,領域 \(D\) の上にある部分の体積 $V$ を表していることになる。

特に,\(\displaystyle \iint_D \,dx\, dy \) は(高さ \(1\) の立体の体積であり,体積とは底面積×高さであるから)領域 \(D\) の面積を与える。

面積分,体積積分

… と以上のように説明すると,1変数関数の積分が面積,2変数関数の積分つまり2重積分が体積と短絡的に考えてしまいそうなので,補足。

面積は面積分から

本来は,$xy$ 平面上のある領域 $D$ の面積 $S$ は

$$ S \equiv \iint_D dx\, dy$$

のように(被積分関数が $1$ の)2重積分(面積分)で定義される。さらには一般的に曲面上のある領域 $D$ の場合には,(デカルト座標 $x, y$ 以外も使うだろうから)微小面積要素を $dx\, dy \rightarrow dS$ と書いて

$$ S = \iint_D dS$$

などと書く。

領域 $D$ が特に $D: a \leq x \leq b, \ 0 \leq y \leq f(x)$ と書ける場合には,後で説明する累次積分の要領で

\begin{eqnarray}
S &=& \iint_D dx\, dy \\
&=& \int_a^b dx \int_0^{f(x)} dy  \\
&=& \int_a^b dx \,f(x) \\
&=& \int_a^b f(x)\,dx
\end{eqnarray}

となる。本来,面積というものは(被積分関数が $1$ の)2重積分(面積分)であり,領域 $D$ がこのyほうに書ける場合には1変数関数の積分に帰着するんだよ,と理解する。

体積は体積積分から

同様に体積についても,本来は3次元空間内のある領域 $D_3$ の体積 $V$ は

$$ V \equiv \iiint_{D_3} dx\, dy\, dz$$

のように(被積分関数が $1$ の)3重積分(体積積分)で定義される。さらには一般的には(デカルト座標 $x, y, z$ 以外も使うだろうから)微小面積要素を $dx\, dy\,dz \rightarrow dV$ と書いて

$$ V = \iiint_{D_3}  dV$$

などと書く。領域 $D_3$ が特に $D_3: D(x, y), \ 0 \leq z \leq f(x, y)$ と書ける場合には,後で説明する累次積分の要領で

\begin{eqnarray}
V &=& \iiint_{D_3} dx\, dy\, dz \\
&=& \iint_D dx\, dy \int_0^{f(x, y)} dz \\
&=& \iint_D dx\, dy \, f(x, y) \\
&=& \iint_D f(x, y)\, dx\, dy
\end{eqnarray}

となる。本来,体積というものは(被積分関数が $1$ の)3重積分(体積積分)であり,領域 $D_3$ がこのように書ける場合には2変数関数の2重積分(面積分)に帰着するんだよ,と理解する。