
ответы на теорию по математике / двойные интегралы 15 вопрос
.pdfМосковский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана.
Соболев С.К.
Двойные интегралы.
Методические указания к решению задач
Москва МГТУ им. Баумана
2008

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
2 |
Предисловие
Обычный определенный интеграл от функции одной переменной хорошо знаком студентам первого курса и имеет многочисленные приложения в различных отраслях знаний. Однако, существует иного задач в геометрии, физике, экономике, для которых недостаточно обычного определенного интеграла – интеграла по одномерному координатному отрезку. Таковы, например, задачи о вычислении площади поверхности (не являющейся поверхностью вращения), объема тела в общем случае, массы пластинки или тела переменной плотности. Для решения этих задач нужно уметь интегрировать по плоской или даже пространственной области. Такие интегралы называются двойными и тройными соответственно.
В данном пособии приводятся все необходимые теоретические сведения о двойных интегралах, подробно рассказывается о методах вычисления двойных интегралах и их приложениях, разобраны иллюстрирующие примеры.
Пособие будет полезно студентам экономических и технических специальностей.
1.Понятие двойного интеграла
1.1. Определение и интерпретация двойного интеграла.
Пусть D – некоторая замкнутая(1) ограниченная(2) плоская область, т.е. множество D R 2 , содержащее свою границу и находящееся внутри некоторого квадрата или круга конечного размера, и пусть функция двух переменных f ( x, y) определена во всех точках области D. Диаметром множества D назовем наибольшее расстояние между его точками:
d (D) = max{ AB : A, B D}.
def
Представим область D в виде объединения конечного числа частей, не пересекающихся между собой или пересекающихся разве что лишь по общей границе (если она есть):
n
D = D1 D2 ... Dn = Di , и обозначим площадь i-ой части через Si = S (Di ) . Пусть
i =1
λ – |
мелкость |
полученного |
разбиения: |
|||
λ = max d (Di ) . |
Выберем в каждой части |
Di по |
||||
1≤i ≤n |
|
|
|
|
|
|
точке |
M i ( xi , yi ) |
(см. |
Рис. 1) и |
составим |
||
|
|
|
|
n |
|
|
интегральную |
сумму. |
∑ f ( xi , yi ) |
Si . |
Если |
i =1
существует конечный предел этих интегральных сумм при λ → 0 , не зависящий от способа разбиения области D и выбора точек M i , то этот предел называется двойным интегралом от
функции f ( x, y) |
по области D, и обозначается: |
|
n |
∫∫ f ( x, y)dxdy = lim ∑ f ( xi , yi ) Si |
|
D |
λ →0 i =1 |
Y D
D1 |
|
D2 |
|
D3 |
|
Di |
Mi |
yi |
|
xi |
X |
Рис. 1 |
|

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
3 |
Экономическая интерпретация двойного интеграла.
Пусть D –область посевов некоторой сельскохозяйственные культуры, и пусть в каждой точке M ( x, y) D известна урожайность q( x, y) этой культуры (например, по
наблюдениям из космоса). Тогда величина Q = ∫∫ q( x, y)dxdy есть количество урожая,
D
которое можно собрать с области D при отсутствии потерь.
1. 2. Свойства двойных интегралов.
(а) Линейность. ∫∫(α f ( x, y) + β g ( x, y)) dxdy = α ∫∫ f ( x, y)dxdy + β ∫∫ g( x, y)dxdy ;
D D D
(Имеется в виду, что если существуют оба интеграла в правой части, то существует интеграл и в левой части).
(б) Аддитивность. Если область D есть объединение областей D1 и D2, пересекающихся только по своей общей границе (см. Рис. 2), то
∫∫ |
f ( x, y)dxdy = ∫∫ |
f ( x, y)dxdy + ∫∫ f ( x, y)dxdy ; |
Y |
|
D1 D2 |
D1 |
D2 |
|
|
|
|
|||
(Аналогично, если существуют оба интеграла в правой |
|
|
||
части, то существует интеграл и в левой части). |
|
D2 |
||
(в) Интеграл от константы: Двойной интеграл от |
|
D1 |
||
константы по области D равен произведению этой |
|
|||
|
|
|||
константы на площадь области D: |
|
|
||
∫∫C dxdy = C S (D) , если C = const ; |
O |
X |
||
D |
|
|
||
|
|
|
Рис. 2 |
|
( S (D) – площадь области D). |
|
|||
|
|
|||
(г) Переход к неравенству: |
|
|
||
Если для всех точек M ( x, y) D верно неравенство |
|
|
||
f ( x, y) ≤ g( x, y) , то |
|
|
|
|
|
∫∫ f ( x, y)dxdy ≤ ∫∫ g( x, y)dxdy ; |
|
|
|
|
D |
D |
|
|
(д) Теорема об оценке:
Если числа т1 и т2 таковы, что для всех точек M ( x, y) D верны неравенства
m1 ≤ f ( x, y) ≤ m2 , то
m1 S (D) ≤ ∫∫ f ( x, y)dxdy ≤ m2 S (D) ;
D
Определение. Средним значением функции f ( x, y) на множестве D называется число
ˆ |
D def |
S ( D ) ∫∫ |
|
|
f |
= |
|
|
f ( x, y)dxdy . |
D
(ж) Теорема о среднем. Если множество D замкнуто(1), ограниченно(2) и связно(3), а
функция f ( x, y) непрерывна(4) на множестве D, то найдется точка M |
0 |
( x ; y |
0 |
) D такая, |
|
что f |
D = f ( M 0 ) , т.е. такая, что ∫∫ f ( x, y)dxdy = f (M 0 ) S (D) . |
0 |
|
||
|
|
|
|
||
ˆ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
4 |
2. Вычисление двойного интеграла
2.1. Повторный интеграл.
Повторным интегралом называется выражение вида
b |
|
h( x ) |
|
b h( x ) |
|
∫ |
|
∫ |
f ( x, y)dy = |
∫ ∫ |
|
|
dx |
|
|
f ( x, y)dy dx , |
|
a |
|
g ( x ) |
|
a g ( x ) |
|
Повторный интеграл вычисляется справа налево, т.е. сначала находится интеграл
h( x )
∫ f ( x, y)dy = F ( x) , в котором х является параметром, т.е. постоянной, а затем
g ( x )
b
вычисляется интеграл ∫F ( x)dx .
a
Аналогично вычисляется и повторный интеграл вида
d |
ψ ( y ) |
|
d |
ψ ( y ) |
|
|
∫ |
|
∫ |
f ( x, y)dx = |
∫ |
∫ |
|
|
dy |
|
|
|
f ( x, y)dx dy . |
|
c |
|
ϕ ( y ) |
|
c ϕ ( y ) |
|
2y +2
Пример 1. Вычислить повторный интеграл ∫dy ∫ ( y2 + 2x)dx .
01
Решение. Сначала находим внутренний, т.е. правый интеграл (в котором y = const ):
y +2
∫ ( y2 + 2 x)dx = ( y2 x + x2 ) x = y +2 |
= y 2 ( y + 2) + ( y + 2)2 − y2 − 1 = y3 + 3 y 2 + 4 y + 3 = F ( y). |
||||||
1 |
|
|
|
|
x =1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
y +2 |
|
2 |
2 |
||
Следовательно, ∫dy ∫ ( y2 + 2x)dx = ∫F ( y)dy = ∫( y3 + 3y2 + 4 y + 3 )dy = |
|||||||
|
0 |
1 |
|
|
|
0 |
0 |
= ( 1 y4 |
+ y3 + 2 y2 |
+ 3 y ) |
|
y =2 |
= 4 + 8 + 8 + 6 − 0 = 26. |
||
|
|||||||
4 |
|
|
|
y =0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2.2. Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах. |
(а) Пусть область D задается неравенствами (см. Рис. 3):
|
a ≤ x ≤ b, |
yнижн( x) ≤ y ≤ yверхн( x) , |
|
(1) |
||||
где функции yнижн( x) и |
yверхн( x) непрерывны на отрезке |
[a; b] , и функция f ( x, y) |
||||||
непрерывна в области D. |
Тогда двойной интеграл от функции f ( x, y) |
по области D |
||||||
Y |
y = yверхн( x) |
Y |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
||
|
D |
|
|
x = x |
|
( y) |
D |
x = xправ( y) |
|
|
|
лев |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
y = yнижн( x) |
|
|
с |
|
|
||
O |
a |
b |
X |
O |
|
X |
||
|
Рис. 3 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 4

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
5 |
вычисляется в виде повторного интеграла:
byверхн ( x )
∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫dx |
∫ f ( x, y)dy |
(2) |
|
D |
a |
yнижн( x ) |
|
(б) Пусть область D задается неравенствами: |
|
||
c ≤ y ≤ d , |
xлев( y) ≤ x ≤ xправ( y) |
(3) |
(см. Рис. 4). Тогда двойной интеграл по области D от функции f ( x, y) вычисляется в виде повторного интеграла:
dxправ( y )
|
∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫dy |
∫ |
f ( x, y)dx . |
|
|
|
|
|
(4) |
||||
|
D |
|
|
c xлев( y ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание 1. Если область D нельзя задать в виде неравенств (1) или (3), то её разбивают на |
|||||||||||||
две или несколько частей D1, D2 , ... , каждую |
|
|
|
|
|
||||||||
из |
которых |
можно |
задать |
такими |
|
Y |
ϕ = β |
|
|||||
неравенствами. И тогда двойной интеграл по |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
области |
D |
есть |
сумма |
интегралов |
по |
|
|
|
|
r = Rвнешн(ϕ ) |
|||
областям D1, D2 , ... . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|||||
Замечание 2. Если при вычислении двойного |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
интеграла в виде повторного по формуле (2) |
|
|
|
|
|
||||||||
переходят к вычислению в виде повторного |
r = R |
|
|
|
ϕ = α |
||||||||
внутр(ϕ ) |
|
||||||||||||
по формуле (4) (или наоборот), то говорят, |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
что |
в |
двойном |
интеграле |
изменяется |
|
O |
|
|
X |
||||
порядок интегрирования. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 5 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2.3. Вычисление двойного интеграла в полярных координатах. |
|||||||||||
|
Пусть |
в |
полярных |
координатах(5) область |
D задается |
неравенствами: |
|||||||
α ≤ ϕ ≤ β , Rвнутр(ϕ ) ≤ r ≤ Rвнешн(ϕ ) . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(см. Рис. |
5), где функции |
Rвнутр(ϕ ) |
и |
Rвнешн(ϕ ) непрерывны на отрезке [α; β ] . Тогда |
|||||||||
двойной |
интеграл |
по области |
D от |
функции f ( x, y) |
вычисляется |
в виде повторного |
интеграла:
βRвнешн(ϕ )
∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫dϕ |
∫ |
f (r cosϕ , r sin ϕ ) r dr |
|
D |
α |
Rвнутр(ϕ ) |
|
Обращаем внимание на дополнительный множитель r во втором (правом) интеграле.
Это якобиан(6), который всегда появляется в двойном интеграле при переходе к другим координатам. В полярных координатах якобиан равен r.
Пример 2. В повторном интеграле:
|
|
|
|
13 x2 |
|
|
|
|
|
4− x2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||||
∫ dx |
|
∫ |
|
f ( x, y)dy + ∫ dx |
|
∫ |
|
f ( x, y)dy |
(5) |
||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
2 x − x |
2 |
|
3 |
− |
2 x − x |
2 |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
изменить порядок интегрирования и перейти в нем к полярным координатам.
Решение. Данный повторный интеграл (точнее, сумма двух повторных) представляет собой двойной интеграл от функции f ( x, y) по области D , являющейся объединением

|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С.К. Соболев. Двойные интегралы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 x − x2 |
|
≤ y ≤ 1 x2 |
|
|
||||||||
двух областей: области D , заданной неравенствами: |
0 ≤ x ≤ |
3, − |
|
, |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2x − x2 |
|
|
|
|
|
|
4 − x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
и области D , заданной неравенствами: |
3 ≤ x ≤ 2, − |
|
≤ y ≤ |
|
|
|
(см. Рис. 6). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Нарисуем границы области D (см. Рис. 7): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
(1) |
y = 1 x2 3y = x2 |
(парабола), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y ≥ 0 |
|
|
|
|
y ≥ 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
(2) |
y = |
4 − x2 { |
|
|
|
|
{ |
|
|
|
|
– верхняя часть окружности радиуса R = 2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
y |
2 |
= 4 − x |
2 |
x |
2 |
+ y |
2 |
= 4 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
с центром в точке в начале координат; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
{ |
|
|
|
y ≤ 0 |
|
|
|
|
|
{ |
y ≤ 02 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
(3) |
y = − |
|
2x − x2 |
|
2 |
|
2 |
+ y |
2 |
= 1 |
– нижняя половина окружности |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
= 2x − x |
|
|
|
|
|
|
( x − 1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
радиуса R = 1 с центром в точке A(1; 0 ) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y = 1 x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3y = x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 + y 2 = 4 |
|
|
|||||||||||||||
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
y = 4 − x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
А |
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( x − 1)2 + y2 = 1 |
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
y = − 2x − x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
Рис. 6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 7 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Теперь каждую границу этой области |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
зададим уравнением, в котором |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
переменная х будет выражена через у: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
(а) 3y = x2 , x ≥ 0 x = 3y ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x = 4 − y 2 |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x = 3y |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
(б) ( x − 1)2 + y2 = 1 x = 1 ± 1 − y2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D4 |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(в) x2 + y2 = 4, x > 0 x = 4 − y2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
Левая граница области D составная: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
она состоит из четверти окружности и |
|
|
|
|
x = 1 − |
1 − y2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
дуги параболы, правая граница также |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x = 1 + |
1 − y2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||
составная: состоит из двух дуг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
окружностей. Поэтому область D |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
представим в виде объединения областей D3 и D4 |
|
(см. Рис. 8: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
D3 |
: −1 ≤ |
y ≤ 0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D4 |
: 0 |
≤ |
y ≤ 1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
1 − 1 − y 2 ≤ x ≤ 1 + 1 + y 2 ; |
|
|
|
|
|
|
|
3 y ≤ x ≤ 4 − y 2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Изменим в двойном интеграле порядок интегрирования: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
1+ 1+ y 2 |
|
|
|
|
|
1 |
|
4− y2 |
|
|
||||||||||||||||
∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫∫ f ( x, y)dxdy + ∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫ dy |
|
|
∫ f ( x, y)dx + ∫dy |
∫ f ( x, y)dx . |
D |
D3 |
D4 |
−1 1− 1− y 2 |
0 |
3 y |

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
7 |
Теперь перейдем к полярным координатам. Выразим уравнения всех границ в полярных координатах:
(а) x2 + y2 = 4 r = 2;
(б) ( x − 1)2 + y2 = 1 x2 + y2 = 2 x r = 2 cosϕ ;
(в) 3 y = x2 3r sinϕ = r2 cos2 ϕ r = 3sinϕ . cos2 ϕ
Крайняя верхняя точка В области D имеет координаты B(1; 3) , поэтому луч ОВ образует с
осью ОХ угол arctg |
1 |
|
= |
π |
. Область опять удобно |
|
|
|
|
6 |
|||
|
||||||
3 |
|
|
представить в виде объединения тех же областей D3 и D4, которые в полярных координатах задаются неравенствами (см. Рис. 9):
|
|
− |
π |
≤ ϕ ≤ 0, |
|
0 ≤ ϕ ≤ |
π |
, |
|
D3 |
|
|
|
|
|
6 |
|
||
: |
|
2 |
|
D4 : |
3sin ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
≤ r ≤ 2 cosϕ ; |
|
≤ r ≤ 2. |
||||
|
|
|
|||||||
|
0 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
cos2 ϕ |
|
|
Y |
3sinϕ |
|
|
π |
|
|
r = |
|
ϕ = |
||
|
cos2 ϕ |
|
6 |
||
|
|
|
|||
1 |
|
|
B |
|
|
|
|
|
r = 2 |
||
|
|
|
|
||
|
|
|
D4 |
|
|
0 |
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
D3
r = 2 cosϕ
Рис. 9
Следовательно, наш двойной интеграл в полярных координатах выглядит так:
∫∫ f ( x, y)dxdy = ∫∫ f ( x, y)dxdy + ∫∫ f ( x, y)dxdy =
D |
|
D3 |
D4 |
|
|
|
|
|
|
|
2 cosϕ |
|
π |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
6 |
2 |
|
|
|
|
|
|
= ∫ dϕ |
∫ f (r cosϕ , r sinϕ ) r dr + ∫dϕ |
∫ |
f (r cosϕ , r sinϕ ) r dr. |
(6) |
|||||
−π |
0 |
|
0 |
3sinϕ |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
cos2 ϕ |
|
|
|
|
|
Пример 3. Вычислить двойной интеграл |
|
Y |
|
|
|||||
∫∫ x y dxdy |
по области |
|
|
|
|
|
2 |
||
D |
|
|
|
|
0 |
|
X |
||
|
|
|
|
|
|
||||
D: x2 + y 2 ≤ 2x, y ≤ 0 |
|
|
|
|
|
D3 |
|||
(а) в декартовых координатах; |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
y = − 2x − x2 |
|
r = 2 cosϕ |
|||||
(б) в полярных координатах. |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
Решение. Неравенство |
|
|
|
|
|
Рис. 10 |
|||
x2 + y2 ≤ 2x ( x − 1)2 + y 2 ≤ 1 задает круг |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
радиуса R = 1 с центром в точке A(1; 0 ) , поэтому данная область совпадает с областью D3 из примера 2 (см. Рис. 10), и в декартовых координатах вычисление двойного интеграла будет такое:
|
2 |
|
0 |
2 |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
∫∫ x ydxdy = ∫dx |
∫ |
x ydy = ∫dx x ( 12 y2 ) |
|
= |
|||||
|
|
||||||||
D |
0 |
|
|
0 |
|
|
y =− |
2 x − x2 |
|
− |
2 x − x2 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|||||
|
2 |
|
|
|
8 |
|
2 . |
|
|
= ∫( − x2 + 21 x3 )dx = − 13 x4 + 81 x4 = − |
+ 2 = − |
|
|
||||||
|
0 |
|
|
|
3 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(б) Вспомним, что x = r cosϕ , y = r sinϕ , поэтому двойной интеграл в полярных координатах будет выглядеть так:
|
|
|
|
С.К. Соболев. Двойные интегралы |
8 |
||
|
0 |
|
2 cosϕ |
|
0 |
2 cosϕ |
|
∫∫ x ydxdy = ∫ dϕ |
∫ |
r cosϕ r sinϕ r dr = ∫ cosϕ sinϕ dϕ |
∫ r3dr = |
||||
D |
−π |
|
0 |
|
|
−π |
0 |
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
0 |
|
|
|
r =2 cosϕ |
0 |
|
|
|
|
|
|
|||
= ∫ cosϕ sinϕ dϕ ( 14 r4 ) |
= 4 ∫ cos5 ϕ sinϕ dϕ = {t = cosϕ} = |
||||||
|
−π |
|
|
|
r =0 |
−π |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
1 |
1 |
|
2 . |
|
|
|
= −4∫t 5dt = −4 |
= − |
|
|
|
|||
|
0 |
6 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Замечание 3. Значение интеграла получилось отрицательное, т.к. подынтегральная функция f ( x, y) = xy отрицательна в области интегрирования.
Замечание 4. В данном примере вычисление двойного интеграла и в декартовых, и в полярных координатах довольно несложное. Однако часто вычисление двойного интеграла в декартовых координатах в виде повторного (в каком-то определенном порядке) весьма затруднительно, и вычисления значительно упрощаются при изменении порядка интегрировании или переходе к полярным координатам.
3.Приложения двойных интегралов.
3.2.Геометрические и физические приложения двойного интеграла
(а) Площадь плоской фигуры.
S (D) = ∫∫1 dxdy = ∫∫dxdy .
D D
(б) Масса плоской материальной пластинки.
Если плоская материальная пластинка D расположена в плоскости XOY и имеет переменную плотность µ( x, y) , то масса пластинки D вычисляется по формуле
m(D) = ∫∫µ( x, y)dxdy .
D
(в) Координаты центра масс(14) плоской материальной пластинки. Координаты центра масс C( x0 ; y0 ) плоской материальной пластинки D , имеющей переменную плотность
µ( x, y) , находятся по формулам:
x0 |
= |
|
M x |
, |
y0 = |
M y |
, где |
|
m(D) |
m(D) |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|||
M x = ∫∫ x µ( x, y) dxdy , |
M y |
= ∫∫ y µ( x, y) dxdy , |
m(D) = ∫∫µ( x, y)dxdy ; |
|||||
D |
|
|
|
|
D |
|
|
D |
(г) Координаты центрóида(7) плоской геометрической фигуры. Центрóидом
(нематериальной!) геометрической фигуры D называется центр масс этой фигуры в предположении, что её плотность во всех точках одинакова и равна, например, единице. Тогда масса плоской фигуры равна её площади, и координаты центроида C( x0 ; y0 ) плоской фигуры D находятся по формулам:
x0 = |
M |
x |
, y0 = |
M y |
, где M x |
= ∫∫ x dxdy , |
M y = ∫∫ y dxdy , S (D) = ∫∫dxdy ; |
|
S (D) |
S (D) |
|||||||
|
|
|
|
|
D D D

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
9 |
(д) Вторая формула Гульдина(13): Объем тела, полученного вращением вокруг некоторой оси плоской фигуры, расположенной в плоскости оси по одну сторону от неё, равен произведению площади этой фигуры на длину окружности, описываемую при вращении центрóидом(7) этой фигуры, т.е.
V = S (D) 2π R0 ,
где S (D) – площадь фигуры D, R0 – расстояние от центроида этой фигуры до оси вращения.
(е) Площадь поверхности в пространстве.
Если поверхность σ задана уравнением z = f ( x, y) , где M ( x; y) D (см. Рис. 11), то площадь поверхности σ вычисляется по формуле:
|
∫∫ |
x |
y |
S (σ ) = |
|
1 + ( f ′( x, y))2 |
+ ( f ′ ( x, y))2 dxdy . |
|
D |
|
|
(ж) Объем тела в пространстве.
Если тело Т проецируется на плоскость XOY в фигуру D и задано неравенствами
zнижн( x, y) ≤ z ≤ zверхн( x, y), M ( x; y) D , (см. Рис. 12), то объём тела Т вычисляется по
Z
O
z = f ( x, y)
σ
Y
D
формуле: |
Рис. 11 |
|
|
|
|
|||
V (T ) = ∫∫(zверхн( x, y) − zнижн( x, y))dxdy . |
X |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||
|
D |
|
|
|
|
|
||
|
|
3.2. Примеры на приложения двойных интегралов |
|
|
|
|
||
Пример 4. Найти площадь фигуры, ограниченной одной петлей кривой |
|
|
|
|
||||
( x2 + y2 )2 = 2a2 xy ( x, y ≥ 0 , |
a = const > 0 ). |
z = zверхн |
( x, y) |
|||||
|
|
|
Z |
|||||
Решение. Перейдем к полярным координатам(5), |
|
|
|
|
||||
т.е применим формулы: |
T |
|
|
|
|
|||
x = r cosϕ , y = r sinϕ , x2 + y 2 = r2 . Получим |
|
|
|
|
||||
r4 = 2a2r2 cosϕ sin ϕ r2 = a2 sin 2ϕ |
Y |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
r = a sin 2ϕ . Это лемниската Бернулли. Найдем |
z |
= zнижн |
( x, y) |
|||||
площадь фигуры, ограниченной одной её петлей |
||||||||
|
|
|
|
|||||
(см. Рис. 13): |
D |
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 2ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
2 a |
2 |
|
|
|
|
|
r =a sin 2ϕ |
||||||
S = ∫∫1 dxdy = ∫dϕ |
|
∫ rdr = ∫dϕ ( |
1 |
r2 ) |
= |
|||||||||||
2 |
||||||||||||||||
|
|
D |
0 |
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
r =0 |
|||
|
|
π |
|
|
|
|
|
ϕ = |
π |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
= |
1 |
∫ a2 sin 2ϕ dϕ = − |
1 |
a2 cos 2ϕ |
|
2 = |
a2 |
. |
|
|
|
|||||
2 |
4 |
|
|
|
|
|
||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
ϕ =0 |
|
|
|
Этот пример показывает, что применение двойных интегралов к вычислению площадей не дает ничего нового по сравнению с определенным интегралом.
Рис. 12
|
X |
|
|
|
|
Y |
r = a sin 2ϕ |
|
|
|
0 |
Рис. 13 |
Х |
|
|

С.К. Соболев. Двойные интегралы |
10 |
Пример 5. Найти координаты центра масс плоской пластинки D, заданной неравенствами 0 ≤ x ≤ 3, 0 ≤ y ≤ 3 − x2 + 2x , имеющей плотность = x .
Решение. Область D ограничена осями координат и дугой параболы y = − x2 + 2 x + 3 (см. Рис. 14). Сначала найдем массу этой пластинки:
|
|
|
3 |
3+2 x − x |
2 |
Y |
|
|
|
|
|
||
m(D) = ∫∫ dxdy = ∫∫ x dxdy = ∫dx |
∫ x dy = |
y = − x2 + 2 x + 3 |
||||
D |
|
D |
0 |
0 |
|
3 |
3 |
|
y =3+2 x − x2 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
= ∫dx x y |
|
= ∫(3x + 2 x2 − x3 )dx = |
D |
|||
0 |
|
y =0 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
3
= (23 x2 + 23 x3 − 14 x4 )
0
Теперь вычислим
|
|
|
|
|
|
|
3 |
= |
27 |
+ 18 − |
81 |
= |
45 |
0 |
Х |
2 |
4 |
4 . |
|
|
Рис. 14
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 3+2 x − x2 |
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M x |
= ∫∫ x ( x, y)dxdy = ∫∫ x2dxdy = ∫dx |
∫ |
x2 dy = ∫(3x2 + 2 x3 − x4 )dx = |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 27 + 81 − 243 = 189 x = |
M x |
= 189 : 45 |
= 42 = 1, 68. |
|
|
||||||||||||||||||
= (x3 + |
1 |
x4 |
− 1 x5 ) |
x =3 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
5 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
5 |
10 |
0 |
m(D) |
10 |
4 |
25 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x =0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
3+2 x − x2 |
|
3 |
|
|
|
|
y =3+2 x − x |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
M y |
= ∫∫ y ( x, y)dxdy = ∫∫ xydxdy = ∫dx |
∫ |
xy dy = ∫ x dx ( |
1 |
y2 ) |
= |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|
|
0 |
0 |
|
0 |
|
|
|
|
y =0 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
1 |
∫ x (3 + 2 x − x2 )2 dx = |
1 |
∫(9 x + 12 x2 − 2 x3 − 4 x4 + x5 )dx = |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1 |
( |
9 |
x2 + 4 x |
3 − |
1 |
|
x4 − |
4 |
|
x5 + |
1 |
x6 ) |
|
x =3 |
= 81 |
+ 54 − 81 − 2 243 + 243 = 351 |
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
2 |
|
6 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
4 |
5 |
4 |
|
20 |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x =0 |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
= |
|
|
M y |
= |
351 : |
|
45 = 39 = 1, 56. |
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
M (D) |
|
|
20 |
|
|
4 |
|
25 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 + y 2 = R2 |
R |
|
|
|
||||||||||||||
Ответ: центр масс имеет координаты |
|
|
r = R |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
42 |
|
|
39 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y0 C |
|
|
|
|||
C(1, 68; 1,56) = C (25 ; |
25 ). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
D |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
Пример 6. На каком расстоянии от диаметра |
|
|
|
|
–R |
0 |
R |
X |
||||||||||||||||||||||||||||||
находится центрóид(7) полукруга радиуса R? |
|
|
Рис. 15 |
|
|
|
|
Первое решение. Поместим начало координат в центр полукруга, и пусть ось его диаметр лежит на оси ОХ. (см. Рис. 15). Тогда полукруг D задаётся неравенствами:
x2 + y2 ≤ R2 , y ≥ 0 . Центроид любой симметричной фигуры лежит на её оси симметрии,
поэтому центрóид C( x0 ; y0 ) полукруга лежит на оси OY, т.е. x0 = 0 . Вычислим
координату y |
0 |
= |
M y |
, где S (D) = |
1 |
π R2 . |
|
|
|||||
|
|
S (D) |
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|