Тройные интегралы. Вычисление объема тела. Тройной интеграл в цилиндрических координатах

Три дня в деканате покойник лежал, в штаны Пифагора одетый,  В руках Фихтенгольца он томик держал, что сжил его с белого света, К ногам привязали тройной интеграл, и в матрицу труп обернули,  А вместо молитвы какой-то нахал прочёл теорему Бернулли.

Тройные интегралы – это то, чего уже можно не бояться =) Ибо если Вы читаете сей текст, то, скорее всего, неплохо разобрались с теорией и практикой «обычных» интегралов, а также двойными интегралами. А там, где двойной, неподалёку и тройной:

И в самом деле, чего тут опасаться? Интегралом меньше, интегралом больше….

Разбираемся в записи:

– значок тройного интеграла;  – подынтегральная функция трёх переменных;  – произведение дифференциалов.  – область интегрирования.

Особо остановимся на области интегрирования. Если в двойном интеграле она представляет собой плоскую фигуру, то здесь – пространственное тело, которое, как известно, ограничено множеством поверхностей. Таким образом, помимо вышеуказанного вы должны ориентироваться в основных поверхностях пространства и уметь выполнять простейшие трёхмерные чертежи.

Некоторые приуныли, понимаю…. Увы, статью нельзя озаглавить «тройные интегралы для чайников», и кое-что знать/уметь нужно. Но ничего страшного – весь материал изложен в предельно доступной форме и осваивается в кратчайшие сроки!

Что значит вычислить тройной интеграл и что это вообще такое?

Вычислить тройной интеграл – это значит найти ЧИСЛО:

В простейшем случае, когда  , тройной интеграл   численно равен объёму тела  . И действительно, в соответствии с общим смыслом интегрирования, произведение   равно бесконечно малому объёму  элементарного «кирпичика» тела. А тройной интеграл как раз и объединяет все этибесконечно малые частички по области  , в результате чего получается интегральное (суммарное) значение объёма тела:  .

Кроме того, у тройного интеграла есть важные физические приложения. Но об этом позже – во 2-ой части урока, посвящённой вычислениям произвольных тройных интегралов, у которых функция   в общем случае отлична от константы и непрерывна в области . В данной же статье детально рассмотрим задачу нахождения объёма, которая по моей субъективной оценке встречается в 6-7 раз чаще.

Как решить тройной интеграл?

Ответ логично вытекает из предыдущего пункта. Необходимо определить порядок обхода тела и перейти к повторным интегралам. После чего последовательно расправиться с тремя одиночными интегралами.

Как видите, вся кухня очень и очень напоминает двойные интегралы, с тем отличием, что сейчас у нас добавилась дополнительная размерность (грубо говоря, высота). И, наверное, многие из вас уже догадались, как решаются тройные интегралы.

Развеем оставшиеся сомнения:

Пример 1

С помощью тройного интеграла вычислить объем тела, ограниченного поверхностями

Пожалуйста, перепишите столбиком на бумагу:

И ответьте на следующие вопросы. Знаете ли Вы, какие поверхности задают эти уравнения? Понятен ли Вам неформальный смысл этих уравнений? Представляете ли Вы, как данные поверхности расположены в пространстве?

Если Вы склоняетесь к общему ответу «скорее нет, чем да», то обязательно проработайте урок Основные поверхности пространства, иначе дальше будет не продвинуться!

Решение: используем формулу  .

Для того чтобы выяснить порядок обхода тела и перейти к повторным интегралам нужно (всё гениальное просто) понять, что это за тело. И такому пониманию во многих случаях здОрово способствуют чертёжи.

По условию тело ограничено несколькими поверхностями. С чего начать построение? Предлагаю следующий порядок действий:

Сначала изобразим параллельную ортогональную проекцию тела на координатную плоскость  . Первый раз сказал, как эта проекция называется, lol =)

Коль скоро проецирование проводится вдоль оси  , то в первую очередь целесообразно разобраться с поверхностями, которые параллельны данной оси. Напоминаю, что уравнения таких поверхностей не содержат буквы «зет». В рассматриваемой задаче их три:

– уравнение   задаёт координатную плоскость  , которая проходит через ось  ; – уравнение   задаёт координатную плоскость  , которая проходит через ось  ; – уравнение   задаёт плоскость, проходящую через «одноимённую» «плоскую» прямую параллельно оси  .

Скорее всего, искомая проекция представляет собой следующий треугольник: Возможно, не все до конца поняли, о чём речь. Представьте, что из экрана монитора выходит ось   и утыкается прямо в вашу переносицу (т.е. получается, что вы смотрите на 3-мерный чертёж сверху). Исследуемое пространственное тело находится в бесконечном трёхгранном «коридоре» и его проекция на плоскость   вероятнее всего представляет собой заштрихованный треугольник.

Обращаю особое внимание, что пока мы высказали лишь предположение о проекции и оговорки «скорее всего», «вероятнее всего» были не случайны. Дело в том, что проанализированы ещё не все поверхности и может статься так, что какая-нибудь из них «оттяпает» часть треугольника. В качестве наглядного примера напрашивается сфера с центром в начале координат радиусом мЕньшим единицы, например, сфера    – её проекция на плоскость   (круг  ) не полностью «накроет» заштрихованную область, и итоговая проекция тела будет вовсе не треугольником (круг «срежет» ему острые углы).

На втором этапе выясняем, чем тело ограничено сверху, чем снизу и выполняем пространственный чертёж. Возвращаемся к условию задачи и смотрим, какие поверхности остались. Уравнение   задаёт саму координатную плоскость  , а уравнение    – параболический цилиндр, расположенный над плоскостью   и проходящий через ось  . Таким образом, проекция тела действительно представляет собой треугольник.

Кстати, здесь обнаружилась избыточность условия – в него было не обязательно включать уравнение плоскости  , поскольку поверхность  , касаясь оси абсцисс, и так замыкает тело. Интересно отметить, что в этом случае мы бы не сразу смогли начертить проекцию – треугольник «прорисовался» бы только после анализа уравнения  .

Аккуратно изобразим фрагмент параболического цилиндра: После выполнения чертежей с порядком обхода тела никаких проблем!

Сначала определим порядок обхода проекции (при этом ГОРАЗДО УДОБНЕЕ ориентироваться по двумерному чертежу). Это делается АБСОЛЮТНО ТАК ЖЕ, как и вдвойных интегралах! Вспоминаем лазерную указку и сканирование плоской области. Выберем «традиционный» 1-ый способ обхода: 

Далее берём в руки волшебный фонарик, смотрим на трёхмерный чертёж и строго снизу вверх просвечиваем пациента. Лучи входят в тело через плоскость   и выходят из него через поверхность  . Таким образом, порядок обхода тела:

Перейдём к повторным интегралам:

С интегралами опять рекомендую разбираться по отдельности:

1) Начать следует с «зетового» интеграла. Используем формулу Ньютона-Лейбница:

Подставим результат в «игрековый» интеграл:

Что получилось? По существу решение свелось к двойному интегралу, и именно – к формуле   объёма цилиндрического бруса! Дальнейшее хорошо знакомо:

2) 

3) 

Обратите внимание на рациональную технику решения 3-го интеграла.

Ответ: 

Вычисления всегда можно записать и «одной строкой»: Но с этим способом будьте осторожнее – выигрыш в скорости чреват потерей качества, и чем труднее пример, тем больше шансов допустить ошибку.

Ответим на важный вопрос: