Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Матеша 3 семак.docx

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
28.02.2024
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

СЕМЕСТР 3. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ

1. Определение и свойства двойного интеграла.

Интегральной суммой для функции f(x,y) по области D называется сумма вида:

∑ ( , )∆ = ( 1, 1)∆1 + … + ( , )∆

=1

Если предел

 

 

,

 

∆

 

 

существует и не зависит ни от способа разбиения области D на части,

ни от выбора

∑

 

 

 

 

 

(или

 

 

), т.е

 

 

 

 

обозначается=1 (

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

точек в них, то он называется двойным интегралом от функции f(x,y) по области D и

 

 

 

( , )

 

 

 

( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

∆

, где

( , )

— интегрируемая по области D функция, D —

 

( , ) = ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

и

— переменные интегрирования,

 

(или

 

) — элемент площади.

область интегрирования,

Свойства двойного интеграла( )

:

 

 

 

 

 

 

 

 

1.∙ ( , ) = ∙ ( , ) , — const

2.(1( , ) ± 2( , )) = 1( , ) ± 2( , )

3.Если область D разбить на две области 1 и 2 такие, что 1 ∩ 2 = , а пересечение 1 и2 состоит лишь из одной линии, их разделяющей, то

( , ) = 1( , ) + 2( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Если в области

 

имеет место неравенство

( , )≥0

,

то и

( , )≥0

. Если в

области

 

 

функции

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

,

то

и

 

 

 

 

 

 

 

( , )

 

 

 

φ( , )

удовлетворяют

неравенству

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )≥φ( , )

 

 

 

( , ) ≥ φ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

=

, тк

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ ∆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

Если

функция

 

( , )

 

непрерывна

в замкнутой

области

 

 

,

площадь которой

 

,

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

— наименьшее и наибольшее

 

 

 

 

 

 

 

 

≤ ( , )≤

,

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

значения подынтегральной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функции в области

 

 

 

 

 

 

 

 

непрерывна в замкнутой области

 

,

площадь которой

 

, то в этой

7.

Если

функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)∙

 

 

 

 

 

 

 

 

области существует

такая точка

 

 

 

, что

 

 

 

 

 

. Величину

 

 

 

 

 

 

 

( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )

 

( , ) = ( ,

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называют0 0

средним значение функции0

0

 

 

 

в области .

 

 

 

 

 

( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , )

 

 

 

 

 

 

 

2. Вычисление двойного интеграла в декартовой системе координат путем сведения к повторному. Пределы интегрирования (два случая).

Примеры.

Различают два основных вида области интегрирования (правильные):

1. Область интегрирования ограничена слева и справа прямыми = и = ( < ), а снизу и сверху — непрерывными кривыми = φ1( ) и = φ2( ) (φ1( )≤φ2( )), каждая из

которых пересекается вертикальной прямой только в одной точке

φ2( )

∫( ∫ ( , ) ) В этом выражении сначала вычисляется интеграл скобках, причём

φ1( )

интегрирование производится по переменной , а — постоянная. В результате интегрирования

получается непрерывная функция от : Ф( ) =

φ2( )

∫ ( , ) . Эту функцию интегрируем по в

пределах от

 

до

 

:

 

 

.

φ1( )

 

 

 

= ∫ Ф( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Область интегрирования ограничена снизу и сверху прямыми = и = ( < ), а слева и справа — непрерывными кривыми = ψ1( ) и = ψ2( ) (ψ1( )≤ψ2( )), каждая из

которых пересекается горизонтальной прямой только в одной точке

ψ2( )

∫( ∫ ( , ) ) В этом выражении сначала вычисляется интеграл скобках, причём

ψ1( )

интегрирование производится по переменной , а — постоянная.

Следовательно, двойной интеграл от непрерывной функции ( , ) по правильной области равен повторному интегралу от этой функции по области , те

 

 

 

 

 

ψ2( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ2( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , ) σ = ∫( ∫

( , ) ) = ∫( ∫

( , ) )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ1( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ1( )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Примеры №1. Вычислить

 

( − )

,

если область

 

ограничена линиями

= 2

−

и

= 2 − 1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение: Построим

область

 

. Первая линия — парабола

с

вершиной

 

в точке (0,2),

симметричная

относительно

 

 

 

. Вторая линия — прямая. Решая совместно уравнения

= 2 −

2

и

= 2 − 1

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

найдем координаты точек пересечения: А(-3,-7), В(1,1). Область

интегрирования принадлежит к первому виду. Находим:

2− 2

 

 

1

 

3

 

4

 

 

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2− 2

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( − ) = ∫

∫ ( − ) = ∫ ( −

2

)|

2 −1

=

∫ (−

 

−

2

+ +

2

 

−

2

)

5

 

 

4

 

−3

 

2 −1

 

 

 

 

 

−3

 

 

 

 

−3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (−

10

−

4

+

23

 

+

2

 

−

23

)|

−31

= 4

154

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Замена переменной в двойном интеграле (общий случай). Определитель Якоби. Примеры.

Если функции = φ( , ) и = ψ( , ) имеют в некоторой области * плоскости непрерывные частные производные первого порядка и отличный от 0 определитель

( , ) = |

∂

 

∂

 

∂

 

∂

|

— определитель Якоби или якобиан, а функция

( , )

непрерывна в

 

 

∂

 

∂

 

∂

 

 

| ∂

 

 

 

|

 

 

 

области , то справедлива формула замены переменной в двойном интеграле:

( , ) = *(φ( , ), ψ( , )) • |( , )|

4. Двойной интеграл в полярной системе координат. Вычисление якобиана. Пределы интегрирования (два случая). Примеры.

Пусть область интегрирования в полярных координатах определяется следующим образом: 0≤ (θ)≤ ≤ (θ), α≤φ≤β, где β − α≤2π. Тогда двойной интеграл в полярных координатах

описывается формулой:

 

 

 

β (θ)

 

 

 

Полярным

 

 

( , )σ = ∫( ∫ ( φ, φ)φ

 

 

0≤ ≤ ≤,

 

 

 

α (θ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямоугольником называется область интегрирования, удовлетворяющая условиям:

α≤φ≤β,

 

где

β − α≤2π

и

описывается

формулой:

β

( , )σ = ∫(∫ ( φ, φ)φ

α

5.Приложения двойного интеграла.

●Площадь плоской фигуры = = φ

●Объем тела = ( , )

● Площадь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поверхности

=

1 + (

∂∂

)2

+ (

∂∂

)2 =

1 + (

∂∂

)2

+ (

∂∂

)2 =

1 + (

∂∂

)2

+ (

∂∂

)2

●Масса плоской фигуры = γ( , )

● Статические моменты и координаты центра тяжести плоской фигуры = ∙γ( , ) и

;

=

 

и

=

 

= ∙γ( , )

 

 

●Момент инерции плоской фигуры — произведение массы на квадрат расстояния точки до оси,

те = 2∙γ( , ) и = 2∙γ( , )

6. Определение и свойства тройного интеграла.

Если предел интегральной суммы существует при неограниченном увеличении числа таким образом, что каждая «элементарная область» стягивается в точку, то его называют тройным

интегралом от функции = ( , , ) по области и обозначают

 

 

 

 

 

 

 

,

,

)∆

 

= ( , , )

 

 

( , , ) = ∑ (

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— элемент объема.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о существовании: Если функция

при

 

и

 

непрерывна в ограниченной замкнутой

области

, то предел интегральной суммы

= ( , , )

 

 

 

способа

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→∞

 

→0

 

в них.

 

 

разбиения области

 

на части, ни от выбора точек

( , , )

Свойства:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

∙ ( , , ) = ∙ ( , , )

 

 

 

 

 

 

2.(1( , , ) ± 2( , , )) = 1( , , ) ± 2( , , )

3.( , , ) = 1( , , ) + 2( , , )

4.

 

( , , )≥0,

если

( , , )≥0;

если

( , , )≥φ( , , ),

то

( , , ) ≥ φ( , , )

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

6. Оценка интеграла ≤ ( , , )≤

7.Теорема о среднем значении: если функция ( , , ) непрерывна в замкнутой области, то в

этой области существует такая точка ( , , ), что ( , , ) = ( , , )∙

0 0 0 0 0

0 0

7. Вычисление тройного интеграла в декартовой системе координат путем сведения к повторному.

φ2( ) 2( , )

( , , ) = ∫

∫

∫ ( , , )

 

φ1( )

1( , )

8. Замена переменной в тройном интеграле (общий случай). Определитель Якоби.

Если функции

( , , ), ( , , ), ( , , )

 

имеют в

некоторой области

 

* плоскости

 

непрерывные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

частные производные первого порядка и отличный от 0 определитель

 

( , , ) = |

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

 

|≠0

—

определитель

Якоби

или якобиан, а

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂,

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

 

 

 

 

 

функция

( , , )

непрерывна

в области

 

то справедлива формула

замены переменной в

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тройном интеграле: ( , , ) = [ ( , , ), ( , , ), ( , , )]∙||

9. Тройной интеграл в цилиндрической системе координат. Вычисление якобиана. Примеры.

= • φ∂

,∂ =∂ •∂φ∂ ,

∂ =∂ ; ≥0∂

,∂0≤φ≤2π,

( , , ) = |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| = |φ

− φ 0 φ φ 0 0 0 1 | = ≥0

 

 

∂ ∂ ∂ ∂

∂ ∂ ∂

∂

| ∂

|

 

( , , ) = [ φ, φ, ]∙ φ

10. Тройной интеграл в сферической системе координат (два варианта). Вычисление якобиана. Примеры.

Сферическими координатами точки ( , , ) пространства называется тройка чисел , φ, θ, где

— длина радиуса-вектора точки , φ — угол, образованный проекцией радиуса-вектора на

плоскость и осью , θ — угол отклонения радиуса-вектора от оси .

= • φ • θ, = • φ • θ, = ∙ θ; ≥0, 0≤φ≤2π, 0≤θ≤π ( , , ) = |φ θ − φ θ φ θ φ θ φ θ φ θ θ 0 − θ | = φ( , , ) = ( φ θ, φ θ, θ)∙2θ∙ φ θ или

( , , ) = ( φ θ, φ θ, θ)∙2θ∙ φ θ

11.Приложения тройного интеграла.

●Объем области = = = φ = 2θ φ θ

●Масса тела = γ( , , )

●Статические моменты

 

= • γ( , , ) ,

= •

γ( , , ) , = • γ( , , )

●

Координаты центра тяжести

 

,

 

 

,

 

 

 

=

=

=

●Момент инерции

▪ относительно плоскостей = 2∙γ( , , ) ,

= 2∙γ( , , ) и

= 2∙γ( , )

 

▪относительно координатных осей = (2 + 2)∙γ( , , ) ,

= (2 + 2)∙γ( , , ) и = (2 + 2)∙γ( , )

12. Криволинейный интеграл 1–го рода. Определение и свойства.

Криволинейным интегралом по дуге от скалярной функции ( , ) называется предел интегральной суммы при условии, что ∆ →0 при →∞:

∫ ( , ) =

 

 

 

,

 

∆

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

непрерывна на кривой

 

, то интеграл

 

=1

 

 

 

 

( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема о существовании: Если функция

 

 

существует.

 

(

 

 

 

)

 

 

 

▪Если ( , , ) > 0, то крив интеграл ∫ ( , ) — масса кривой γ, где ρ = ( , ) —

переменная плотность (физ смысл)

▪Если ( , , )≥0, то крив интеграл ∫ ( , ) — площадь части цилиндр поверхности, у

которой направляющая лежит в плоскости , а образующая параллельна z; эта цилиндр поверхность ограничена сверху = ( , ), а снизу плоскостью (геом смысл)

Свойства:

●Не зависит от пути интегрирования ∫ ( , ) = ∫ ( , )

 

 

●∫ ∙ ( , ) = ∙ ∫ ( , ) , — const

●

∫

( , ) +

( , ) = ∫

( , ) + ∫

( , )

 

 

и

 

,

 

●

 

 

 

 

 

(

1

2

 

)

 

1

 

γ

 

2

 

 

γ1

 

γ2

 

 

 

Если

 

контур

интегрирования

 

разбит на

две части

 

 

 

 

то

 

∫ ( , ) = ∫ ( , ) + ∫ ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

γ1

 

 

γ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Вычисление криволинейного интеграла 1–го рода.

 

 

 

 

●

Если кривая задана

= φ( )

:

∫ ( , ) = ∫ ( , φ( ))

1 + (φ'( ))2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●Если кривая задана параметрически:

 

2

( '( ))2 + ( '( ))2

∫ ( , ) = ∫ ( ( ), ( ))

●

Если

кривая

 

задана

 

1

 

в

 

 

 

пространстве:

 

 

2

 

 

'( ) 2 + '( ) 2 + '( ) 2

 

 

 

∫ ( , , ) = ∫ ( ( ), ( ), ( ))

 

 

 

●

 

1

∫ ( , ) = ∫ ( φ, φ)

(

2

+ '(φ)

 

2 φ

В полярных координатах:

 

 

(

β )

(

)

 

)

(

)

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

14.Приложения криволинейного интеграла 1–го рода.

●Длина кривой: = ∫

●Площадь цилиндр поверхности:

Если ( , , )≥0, то крив интеграл ∫ ( , ) — площадь части цилиндр поверхности, у которой

направляющая лежит в плоскости , а образующая параллельна z; эта цилиндр поверхность ограничена сверху = ( , ), а снизу плоскостью

●Масса кривой:

Если ( , , ) > 0, то крив интеграл ∫ ( , ) — масса кривой γ, где ρ = ( , ) — переменная

плотность

 

= ∫ ∙γ( , )

● Статические моменты:

= ∫ ∙γ( , ) ,

 

 

 

●Координаты центров тяжести: = , =

●

Моменты инерции: = ∫

2∙γ( , ) , = ∫ 2∙γ( , ) ,

= ∫ (2 + 2)∙γ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Криволинейный интеграл 2–го рода. Определение и свойства.

 

Криволинейным

интегралом

 

 

от

вектор-функции

 

 

от

векторного

поля

→

 

 

 

→

 

 

 

→

по направленной дуге

 

называется предел интегральной суммы

( , ) = ( , ) + ( , )

 

 

 

 

→

 

^

^

 

 

 

^

^

 

 

 

при условии

 

 

 

 

и

 

 

 

 

:

→

 

 

 

 

 

 

∆

→0

∆

→0

∫ ( , ) = ∑ [ ( ,

)∆

 

+ (

,

)∆

]

 

Частные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

случаи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ( , ) =

 

^

 

^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ (

, )∆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

^

 

^

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)∆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ( , ) = ∑ (

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физический смысл — работа, совершенная переменной силой.

Свойства:

●∫ + =− ∫ +

●

 

→

 

 

→

 

→

→

 

 

→

 

→

→

 

 

 

 

 

●

∫

1

 

 

2

 

 

 

1

( , ) ±

 

2

( , )

 

и

 

,

 

 

( , ) ±

( , ) =

∫

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

 

γ1

 

γ2

 

 

 

Если

 

контур

интегрирования

разбит на две части

 

 

то

 

 

→

 

→

 

→

→

 

→

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ( , ) =

∫ ( , )

+ ∫ ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

→

→

γ1

→

 

γ2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

●

 

 

 

→,

— const

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ∙ ( , )

= ∙ ∫ ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ + ∫

 

 

 

 

 

● Крив интеграл по замкнутой кривой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16. Вычисление криволинейного интеграла 2–го рода.

●Кривая задана = , = φ( ): ∫ + = ∫[ ( , φ( )) + φ'( ) ( , φ( )) ]

 

 

2

●Параметрически: ∫ + = ∫[ ( ( ), ( ))∙ '( ) + ( ( ), ( ))∙ '( )]

 

1

17.Приложения криволинейного интеграла 2–го рода.

●Работа переменной силы

●Площадь плоской фигуры

18.Условия независимости криволинейного интеграла 2–го рода от пути

интегрирования.

19. Формула Грина. Интегрирование полного дифференциала.

20. Поверхностный интеграл 1–го рода. Определение и свойства.