【Matlab】如何使用MATLAB可视化二重积分（附完整MATLAB代码）

前言

二重积分是指在二维空间中对函数进行积分。二重积分的公式如下：
$${\int }_a^b{\int }_c^{d}f(x,y)dxdy$$
其中， $a$ 和 $b$ 是 $x$ 的积分上限和下限， $c$ 和 $d$ 是 $y$ 的积分上限和下限， $f(x,y)$ 是被积函数。

二重积分可以用来计算函数在二维区域上的面积、体积、重心等。
例如，要计算函数 $f(x,y)=x^2+y^2$ 在区间 $[0，1{]}^{\wedge }2$ 上的面积，可以使用以下公式:
${\int }_0^1{\int }_0^1\left(x^2+y^2\right)dxdy$

计算结果为:
$${\int }_0^1{\int }_0^1\left(x^2+y^2\right)dxdy=0.3333333333333333$$

这意味着，函数 $f(x,y)=x^2+y^2$ 在区间 $[0,1{]}^2$ 上的面积为 $0.3333333333333333$ 。

二重积分可以采用多种方法进行计算，常见的方法包括:

• 直接求积: 将二重积分公式展开进行求积。
• 变量替换：将被积函数进行变量替换，使其变得容易求积。
• 分部积分：将被积函数进行分部积分，将二重积分分解为多个一重积分。
• 高斯积分：使用高斯积分公式进行计算。

对于复杂的二重积分，可以采用数值积分的方法进行计算。

正文

针对以下这个二重积分：
$${\int }_0^1{\int }_0^1(x^2+y^2)e^{(}{x}^2+y^2)dxdy$$
这个积分函数是$(x^2+y^2)e^{(x^2+y^2)}$，它是一个指数函数。指数函数在区间 $[0,1{]}^2$ 上是单调递增的，因此这个积分是可积的。

这个积分可以用来计算函数$(x^2+y^2)e^{(x^2+y^2)}$在区间$[0,1{]}^2$ 上的面积。

首先，我们需要计算积分函数的值。我们可以使用 MATLAB 的 integral() 函数来计算：

x = linspace(0, 1);
y = linspace(0, 1);

[X, Y] = meshgrid(x, y);

Z = (X^2 + Y^2) * exp(X^2 + Y^2);

integral = integral2(Z, x, y);

上述这段代码将计算积分函数 $(x^2+y^2)e^{(x^2+y^2)}$ 在区间 $[0,1{]}^2$ 上的值，并将结果存储在变量 integral 中。

接下来，我们可以使用 MATLAB 的 contour() 函数来绘制积分函数的等高线图：

x = linspace(0, 1);
y = linspace(0, 1);

[X, Y] = meshgrid(x, y);

Z = (X^2 + Y^2) * exp(X^2 + Y^2);

contour(X, Y, Z);

这段代码将绘制一个等高线图，该图表示积分函数 $(x^2+y^2)e^{(x^2+y^2)}$ 在区间 $[0,1{]}^2$ 上的等高线。

生成的等高线图如下所示：

从等高线图中可以看到，积分函数 $(x^2+y^2)e^{(x^2+y^2)}$ 在区间$[0,1{]}^2$ 上是一个单调递增的函数。

我们还可以使用 MATLAB 的 surf() 函数来绘制积分函数的三维曲面图：

x = linspace(0, 1);
y = linspace(0, 1);

[X, Y] = meshgrid(x, y);

Z = (X^2 + Y^2) * exp(X^2 + Y^2);

surf(X, Y, Z);

完整代码代码实现

% 定义被积函数
f = @(x, y) (x.^2 + y.^2) .* exp(x.^2 + y.^2);

% 计算二重积分
result = integral2(f, 0, 1, 0, 1);

% 显示结果
disp(['Result of the double integral: ', num2str(result)]);

% 生成网格点
[x, y] = meshgrid(0:0.01:1, 0:0.01:1);

% 计算被积函数在网格点上的值
z = f(x, y);

% 可视化
figure;
surf(x, y, z);
title('Visualization of \int_0^1 \int_0^1 (x^2 + y^2) e^{x^2 + y^2} dx dy');
xlabel('x');
ylabel('y');
zlabel('f(x, y)');

可视化结果

可视化结果如下：