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

ответы на теорию по математике / двойные интегралы 15 вопрос

.pdf
Скачиваний:
39
Добавлен:
20.04.2015
Размер:
343.94 Кб
Скачать

Московский 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 =

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

 

4y2

 

 

∫∫ 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 11y 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

 

 

 

 

 

=

f (r cosϕ , r sinϕ ) r dr +

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 =

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 .

 

 

 

= −4t 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 =

 

rdr = (

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