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

Higher_Mathematics_Part_3

.pdf
Скачиваний:
304
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.11 Mб
Скачать

y

 

 

 

 

 

 

 

y = x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– 1

 

 

 

 

 

 

 

x = y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore, we can apply here (5.20)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫(x + 2y)dxdy = dx (x + 2 y)dy = (xy + y2 )

 

x2x dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

0 x2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

5

 

 

 

2

 

 

4

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

x

 

x

 

x

 

 

 

 

 

2

 

1

 

1

 

1

 

9

 

= (x x + x x3 x4 )dx = (

 

+

 

 

 

 

)

 

10

=

+

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

5

2

4

5

 

 

 

 

5

 

2

4

 

5

 

20

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

I = ∫∫(x + 2y)dxdy

 

 

 

 

 

Example 2. We take the double integral

 

over a domain

 

y = 2 x and y = x2 .

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D bounded by the lines

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Our domain is regular in both directions (Fig. 5.11). Let’s find coordinates of intersection points of parabola y = x2 and straight lines y = 2 x.

We have x2 = 2 x,

then x2 + x 2 = 0. We obtain x

= −2, x = 1.

 

 

1

2

y = 2 – x

y

 

y = x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

–2 –1 O 1

y

 

 

Fig. 5.11

 

111

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

We obtain

 

 

 

 

 

 

 

1

2x

 

 

 

 

 

1

 

 

2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I = ∫∫ (x + 2y)dxdy = dx

(x + 2y)dy = dx(xy + y2 )

=

 

1

D

 

 

 

 

 

 

2

x2

 

 

 

 

1

2

 

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4 2x x3 x4 )dx =

=

(x(2 x) + (2 x)2 x3 x4 )dx =

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4x

x2

 

x4

 

x5

 

 

1

 

 

1

 

1

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

= 4 1

 

 

8 4 4 +

 

= 12,15.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

5

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 5

 

5

 

Example 3. Let’s change the order of integration. We preliminarily draw the

domain of integration: ∫∫ f (x,

y)dxdy

over the domain D bounded by the lines

 

 

D

 

 

 

 

 

 

y = 2x, x + y = 3, y =

0 .

 

 

 

 

 

 

Solution. Examine D. The straight lines

y = 2x

and

y = 3 x

meet at point

A(1, 2). Domain D is a triangle (Fig. 5.12).

 

 

 

 

1. This domain is regular. So, y

varies from 0 to 2, and ϕ1 (x) = 2x and

ϕ2 (x) = 3 x.

Any straight line y = const, (0 y 2)

meets the boundary of

the region at not more than two points.

 

 

 

 

 

Therefore, we can apply here

 

 

 

 

 

 

 

∫∫ f (x,

 

2

3x

 

 

 

 

 

y)dxdy = dy f (x,

y)dy.

 

 

 

D

 

 

0

2x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

y

 

 

 

3

 

y = 2x

 

 

3

 

 

 

 

А

 

 

 

 

А

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

y = 3 – x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

В

x

 

О

 

В

x

1

3

 

1

3

 

 

а

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

Fig. 5.12

 

 

 

2. Let’s change the order of the integration. The domain should be broken into two parts, each of which will be regular: if 0 x 1, then 0 y 2x ; if

1 x 3 , then 0 y 3 x . We obtain

∫∫ f (x,

1

2 x

3

3x

y)dxdy = dx

f (x, y)dy + dx f (x, y)dy.

D

0

0

1

0

112

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Example 4. Take the double integral ∫∫ f (x, y)dxdy, if

D

f (x, y) = x + 2y over a domain D is bounded by the lines

x = 0, y =

x

and y = 5 x2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. We have the domain D bounded by straight

lines x = 0,

y =

x

and the parabola

y = 5 x2 (Fig. 5.13).

 

 

 

2

 

x

 

 

 

 

x varies from 0 to 2, and ϕ (x) =

and ϕ

 

(x) = 5 x2 .

 

2

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

5

y = 5 – x2

D

х = 2у

 

1

О 2 x

Fig. 5.13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

5x2

 

 

2

 

 

 

 

 

y

2

 

 

5x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore ∫∫ f (x,

y)dxdy = dx

(x + 2 y)dy = (xy + 2

 

 

 

)

 

dx =

 

2

 

 

 

D

 

 

 

 

 

0

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

2

 

 

x

2

 

 

 

2

 

 

 

43

 

 

 

 

 

 

 

 

= (x(5 x2 ) + (5

x2 )2

 

 

 

 

)dx = (x4 x3

x2

+

5x + 25)dx =

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

 

 

 

0

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

x5

 

 

x4

 

 

43x3

 

5x2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

25

 

86

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+ 25x

 

 

=

 

4

 

 

+ 10

+ 50 34.

 

 

4

12

2

 

5

3

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For the replacement of integration order we shall construct area D on Оy, and receive a segment [0,5] . As the regular boundary of the domain consists of two

different lines, then we shall divide this domain into two parts by line

y = 1.

Defined from the equations

 

 

y =

x

and

y = 5 x2

a variable y through

x, we

 

shall receive

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2 y

 

5

 

 

5y

 

∫∫ f (x, y)dxdy = dy (x + 2 y)dx + dy (x + 2 y)dx =

 

D

 

 

0

0

 

 

1

 

 

0

 

1 x2

 

 

 

2 y

 

 

5 x2

 

 

 

5y

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+ 2yx

 

 

 

dy +

 

 

+ 2 yx

 

 

dy ≈ −21.56.

 

2

 

2

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 5. Calculate the integral

∫∫(6x 3y)dxdy, where D :{x + y = 1,

D

x + y = 2, 2x y = 1, 2x y = 3}.

Solution. Let’s construct the given domain D which is bounded by straight lines y = 1x, y = 2 x, y = 1+ 2x, y = 3 + 2x (Fig. 5.14).

113

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

We substitute

x + y = u, 2x y = v.

Therefore all equations of the straight lines can be written as

x + y = 1 into u = 1, x + y = 2 into u = 2, 2x y = 1 into v = 1, 2x y = 3 into v = 3.

Let’s construct the domain

D* :

{

}

in uv-plane (Fig. 5.15).

 

u = 1, u = 2, v = 1, v = 3

Further for a determination of a Jacobian, it is necessary to transform it so that to receive x and y through u and v. We have

 

 

 

 

x =

1

(u + v)

 

 

3x = u + v

 

 

 

 

3

x + y = u

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2x y = v

2x y = v

 

 

 

 

 

 

 

y =

 

 

(2u v)

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

x

Now we find partial derivatives of the first order with respect to u and v,

 

=

 

1

,

x =

1

,

y

=

2

,

y

= −

1

 

. Then Jacobian equals

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

u 3

v 3

u 3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I (u,v) =

 

x

 

x

 

 

 

1

 

1

 

 

 

= −

1

2

 

1

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

v

=

 

3

3

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y

 

 

 

2

1

 

 

9

9

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

v

 

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

2x y = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2x y = 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = 3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

1

2

3

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = 1

 

 

 

 

– 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + y = 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

– 3

 

 

x + y = 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.14

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.15

114

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

We obtain

 

I (ρ, ϕ)

 

=

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Now the given integral is equal to

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫(6x 3y)dxdy = ∫∫[6

1

(u + v)

3

1

(2u v)]

 

1

dudv =

3

 

3

D

 

 

 

 

 

 

 

D*

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2

3

 

2

v

2

 

 

 

 

 

 

2

9

 

 

 

1

 

 

=

∫∫3vdudv =duvdv =

 

 

 

 

13

du = (

 

 

)du = 4.

 

 

 

 

 

3

2

 

2

 

 

2

 

*

 

 

1

1

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 6. Take the

∫∫

1

 

 

dxdy

 

 

 

where D :

{

x2 + y2 1, x 0, y 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

}

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

is the quarter of the unit circle in the first quadrant.

Solution. Let’s consider a domain D (Fig. 5.16). We pass to polar coordinates

x = ρ cos ϕ and y = ρ sin ϕ,

then

D

*

=

 

 

≤ ρ ≤ 1; 0

≤ ϕ ≤

π

and our integrable

 

0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

function f (x, y) =

1

 

=

 

1

 

=

1

,

then the given

integral can be

 

 

 

ρ2

 

ρ

 

x2 + y2

 

 

 

 

 

 

 

 

transformed into

y

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.16

 

 

 

 

 

 

1

 

π

π

π

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π .

∫∫

ρdρdϕ = 02 dϕ01 dρ = 2 ρ

 

10 dϕ = 2 1dϕ = ϕ

 

 

02 =

 

 

 

 

 

 

2

D* ρ

 

 

0

 

 

0

 

 

 

Example 7. Find the area S if D: x = y2 2 y, x y = 0.

 

 

 

 

Solution. We write the given equation of

x = y2 2 y

in canonical form,

y2 2y + 11 = x, then we have ( y 1)2 = x + 1 . It is parabola with centre in the point A(–1; 1). Second equation x y = 0 is a straight line (Fig. 5.17).

115

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

y

 

 

 

 

 

 

 

 

y = x

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1 O

1 2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

–1

 

 

x = y2 – 2y

 

 

 

Hence

 

 

Fig. 5.17

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

y

3

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

S = ∫∫ dxdy = dy

dx = x

 

 

 

dy = ( y ( y2 2y))dy =

 

 

 

D

0

y2 2 y

0

 

y2 2 y

 

 

0

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3y

2

 

y

3

 

 

 

 

 

9

 

 

= (3y y2 )dy = (

 

 

)

 

 

30

=

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2

 

3

 

 

 

 

2

 

Example 8. Find the area S if D: x2 + y2

= 4x,

y = x, y = 0.

Solution. We construct the given figure (Fig. 5.18). The equation x2 + y2 = 4x is a circle of radius 2 with the centre at the point A(2; 0). Let’s find perfect square with respect to x, we obtain

x2 4x + y2 = 0, (x2 4x + 4) + y2 = 4, (x 2)2 + y2 = 4.

The graph of the equations y = x and y = 0 are straight lines. They together

with the arc of a circle determine the domain D, which is a curvilinear sector with a top in the origin of coordinates.

y

 

y = x

 

 

C

 

 

 

 

 

 

ρ = 4cosφ

 

 

D

 

 

O

π/4

B

x

A(2; 0)

Fig. 5.18

Taking into account the form of the domain, we shall calculate a double integral in a polar system.

116

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

In polar coordinates the equation of the circle can be written as

 

 

ρ2 cos2 ϕ + ρ2 sin2 ϕ = 4ρ cosρ,

ρ2

= 4ρ cosρ,

ρ = 4cos ϕ .

 

Straight lines

y = 0 and y = x in the polar components have the form ϕ = 0

and

ϕ = π

correspondently. Hence, polar components ϕ and ρ of the points which

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π ,

 

 

 

belong to the domain, are changed within the limits: 0 ≤ ϕ ≤

0 ≤ ρ ≤ 4cos ϕ.

 

We have

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

4cos ϕ

π

ρ2

 

4cos ϕ dϕ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S = ∫∫ dxdy = ∫∫ρdρdϕ = 4 dϕ

ρ dρ = 4

 

 

 

 

 

D

 

D

0

0

 

 

0

 

2

 

0

 

 

 

 

π

 

 

 

π

1

 

 

sin 2ϕ

 

 

π

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

1+ cos 2ϕ

 

 

 

 

 

 

1

 

4

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

4

 

 

 

 

= 8cos

 

ϕdϕ = 8

 

dϕ = 4

ϕ +

 

 

 

 

 

= 4

+

 

= π + 2.

 

 

2

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

0

 

 

2

 

0

 

 

4

 

 

Example 9. Find the volume V bounded by a parabolic cylinder y = x2 and planes z = 0, z = 2 – y.

Solution. Examine D. Let’s consider a projection of the given figure on the xy-plane. We obtain:

2 x 2

and x2 y 2.

From Fig. 5.19 it is clear that the figure bounded from above by the plane z = 2 – y. Therefore,

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

y

2

 

 

 

 

 

V = ∫∫(2 y)dxdy =

dx (2 y)dy =

 

(2y

 

 

)

 

2x2 dx =

 

 

 

 

 

 

D

 

 

2

x2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

2

 

x4

 

 

 

 

2x3

 

 

x5

 

2

 

 

 

32 2

 

= (2 2x

+

)dx =

2x

+

 

 

2 =

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

10

 

 

15

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

2

O

y

2

x

Fig. 5.19

117

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Example 10. Find the volume V bounded by surfaces z = 4 2y2 , z = 0, x = 0, y = 0 and x + 2 y = 2.

Solution. The given body is limited from above by parabolic cylinder z = 4 2y2 , from below is bounded by a coordinate plane Оху, from sides are bounded by planes Охz, Оyz and x + 2 y = 2 (Fig. 5.20).

z

4

(1; 3)

2 3

y

2

x

Fig. 5.20

Therefore, the cylindrical body is given. Domain of an integration D is a triangle: 0 y 1, 0 x 2 2y. We receive

 

 

1

22 y

 

 

 

1

 

 

 

 

 

22 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V = ∫∫(4 2y2 )dxdy = dy

(4 2y2 )dx =(4 2y2 )x

 

0

dy =

D

0

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2(4 2y2 )(1y)dy =2(4 2y2 4y + 2y3 )dy =

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2(4y

2y3

2y2 +

y4

)

 

 

1

= 2(4

2

 

2 +

1

) =

11

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

 

0

3

 

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 11. Find the surface area of the part of a paraboloid of rotation 2z = x2 + y2 (x 0), between planes x = 0 and z = 8.

Solution. Half-circle of the

radius R = 4

with the centre in the origin:

x2 + y2 = 16, x 0 is projection of

the given surface on the xy-plane. We

receive

 

 

 

 

 

 

 

z =

x2

+ y2

,

z

= x,

z

= y.

 

2

x

y

 

 

 

 

 

118

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Then by the formula (5.32) we have

Sσ = ∫∫ 1+ x2 + y2 dxdy.

Dxy

Let’s conduct calculations in a polar system:

 

 

 

 

 

π

4

 

 

1

π

4

 

 

Sσ = ∫∫ 1+ x2 + y2 dxdy = dϕ

 

1+ ρ2 ρdρ =

dϕ1+ ρ2 d(1+ ρ2 ) =

 

2

D

 

 

 

0

0

 

 

0

 

0

 

 

xy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

π

3

4

 

1

π

 

 

17

17 1

 

=

(1+ ρ2 )2

 

dϕ =

(17 17 1)dϕ

π.

 

3

3

 

3

 

 

0

 

0

 

0

 

 

 

 

 

Example 12. Find the mass m of D: y = 0, x + y = 2, y = x2 and γ = y2 x.

Solution. Let’s find the mass of the figure (Fig. 5.21) bounded by two

straight lines

y = 0, x + y = 2 and a parabola y = x2 . The point of intersection

of the y = x2

and x + y = 2 is (1,1).The density is γ = y2 x.

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = x2

 

 

 

 

 

 

 

x + y = 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Accordingly, the mass is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2y

 

 

 

 

1

 

 

 

x

2

 

 

 

 

 

 

m = ∫∫ y2 xdxdy = dy

 

 

y2 xdx = y2

 

 

 

2yy dy =

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

0

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

y2 ((2 y)2 y)dy =

 

(4 y2 4y3 + y4 y3 )dy =

2

2

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

(

4y3

 

5y4

+

y5

 

)

 

 

1

=

1

(

4

5

 

+

1

) =

 

17

.

 

 

 

 

 

 

 

2

3

 

4

5

 

 

 

0

2

3

4

 

5

120

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

119

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Example 13. Find coordinates of the center of mass (xc, yc) for homogeneous

plate, γ = 1, if D: y

y

= cos x,

−π

x

π

.

 

2

 

2

 

Solution. The given plate is symmetrical with respect to Oy, then xc = 0 (Fig. 5.22).

Let’s find the static moment of inertia and mass. With the help of the formula (5.35) we find the static moment of inertia of the planar figure

 

π

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

cos x

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

y2

cos x

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mx = ∫∫ y

1dxdy = dx

ydy =

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

Fig. 5.22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

π

 

0

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2

 

 

 

 

 

 

 

2

cos2

x

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= (

 

 

 

 

(1+ cos 2x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

)dx =

 

 

 

 

 

 

x +

 

sin 2x

 

 

 

− π

=

 

 

 

 

 

 

 

π

2

 

 

 

 

 

 

4

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 π

 

 

 

1

 

 

 

 

 

π

 

1

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

+

 

 

 

sin π −

(

 

+

 

sin(−π))

=

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Now we calculate mass of the figure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

cos x

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = ∫∫ dxdy = dx

 

 

 

 

dy =

y

 

0cos x dx = cos xdx = sin x

 

2π

= 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

− π

 

0

 

 

 

− π

 

 

 

 

 

 

 

− π

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hence yc

=

 

 

=

 

π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Coordinates

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

homogeneous plate

is

equal to

 

 

of

the center of mass

(x ,

y

) = (0,

π ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

c

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Micromodule 5

CLASS AND HOME ASSIGMENTS

To place limits of an integration in a double integral ∫∫ f (x, y)dxdy over the

domain D if:

D

1.D is a triangle АВС, where A(0; 0) , B(4;1) , C(4; 4) .

2.D is a tetragon АВСD, where A(1; 1) , B(1; 4), C(1; 6) and D(4; 6).

120

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]