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

Лабораторные работы 8-12

.pdf
Скачиваний:
16
Добавлен:
27.02.2016
Размер:
459 Кб
Скачать
☆

15.

y =

 

x −1, x = 0,5, y = 0,

ρ = 2sin 2 ϕ,

 

 

0 ≤ϕ ≤ π,

 

y =1, ось Ох

 

 

 

 

 

 

полярная ось

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16.

y = x − x2 , y = 0, ось Ох

ρ = 2 cos 2ϕ ,

0 ≤ϕ ≤ π4 ,

 

 

 

 

 

 

 

полярная ось

 

17.

y = x, y = 2x, x = 2,

ось Ох

ρ = 2 2 sinϕ,

0 ≤ϕ ≤ π2 ,

 

 

 

 

 

 

 

полярная ось

 

18.

y =

x

,

y = x,

x = 4,

ось Ох

ρ = 4 (1 + cosϕ),

π ≤ϕ ≤ π,

 

 

2

2

полярная ось

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19.

y = x2 ,

y =

x , ось Оу

x = 2t −t 2 , y = 4t −t 3 ,

 

 

 

 

 

 

 

ось Оу

 

20.

y = 3 − x2 , y = x2 , ось Ох

ρ = 2 cos 2ϕ ,

34π ≤ϕ ≤ π,

 

 

 

 

 

 

 

полярная ось

 

2.Вычислить площадь поверхности вращения:

1.ρ = cos 2ϕ, 34π ≤ϕ ≤ π, полярная ось

2.y = e x +2e−x , −1 ≤ x ≤1, ось Ох

3.

ρ =

2

, 0 ≤ϕ ≤

π

, полярная ось

cos

2 ϕ

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.ρ = 6 sinϕ , полярная ось

5.

y =

x3

, 0 ≤ x ≤1, ось Ох

 

 

3

 

6.y = 4x , 1 ≤ x ≤ 4, ось Ох

7.ρ = 23 sinϕ , полярная ось

8.ρ = 2 cos 2ϕ, 0 ≤ϕ ≤ π4 , полярная ось

9.ρ = 3 cosϕ, 0 ≤ϕ ≤ π2 , полярная ось

34

10.ρ = 4sinϕ, 0 ≤ϕ ≤ π , полярная ось

11.ρ = 5 cos 2ϕ, 34π ≤ϕ ≤ π, полярная ось

12.

x = 5cos t, y = 6 sin t,

0 ≤ t ≤ π , ось Ох

 

 

 

 

 

13.

x = 3cos3 t, y = 3sin3 t,

0 ≤ t ≤

π

, ось Ох

 

 

 

2

 

14.ρ = 3cosϕ, − π2 ≤ϕ ≤ π2 , полярная ось

15. x = 3 cos t, y = 2sin t, 0 ≤ t ≤ π , ось Ох

16.x = 2 (t −sin t), y = 2 (1 −cos t), − π2 ≤ t ≤ π2 , ось Ох

17.y = tg x, 0 ≤ x ≤ π4 , ось Ох

18.

x =cost, y = 2 +sin t, 0 ≤ t ≤ π , ось Ох

 

 

 

 

 

19.

 

x

+ e−

x

y = e

 

 

, 0 ≤ x ≤ 2 , ось Ох

2

2

 

 

20.

x = 2 cos3 t, y = 2sin3 t, 0 ≤ t ≤ π , ось Ох

35

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12 Тема: Вычисление двойных интегралов

Цели работы:

1.Научиться изменять порядок интегрирования в повторных интегралах.

2.Научиться вычислять двойные интегралы в прямоугольных декартовых координатах.

12.1.Вычисление двойных интегралов в прямоугольной декартовой

системе координат

Вычисление двойного интеграла в прямоугольной декартовой системе координат сводится к вычислению повторных интегралов следующим образом. Пусть область D (рис. 3) ограничена кривыми y =ϕ1 (x), y =ϕ2 (x), x = a, x = b,

причем всюду на [a,b] функции ϕ1 (x) и ϕ2 (x) непрерывны и ϕ1 (x)≤ϕ2 (x). Тогда

 

b

ϕ2

(x )

∫∫ f (x,y)dxdy = ∫dx

∫ f (x, y)dy ,

D

a

ϕ1

(x )

причём сначала вычисляется внутренний интеграл по переменной y ( x

считается постоянной), потом полученный результат интегрируется по x . Интегралы такого вида называются повторными.

36

Если кривая ϕ1 (x) (или кривая ϕ2 (x)) в промежутке a ≤ x ≤ b задается различными аналитическими выражениями, то следует разбить область интегрирования на части и воспользоваться свойством аддитивности интеграла.

Аналогично, можно построить второй повторный интеграл. Если область

D ограничена

кривыми

x =ϕ1 (y), x =ϕ2 (y), y = c, y = d, причем всюду на [c, d ]

функции ϕ1 (y)

и ϕ2 (y) непрерывны и ϕ1 (y)≤ϕ2 (y) (рис. 4), то

 

 

d

ϕ2 (y )

 

∫∫ f (x, y)dxdy = ∫dy

∫ f (x, y)dx .

 

D

c

ϕ1 (y )

Для двойного интеграла справедливы свойства линейности и аддитивности:

а) линейность:

∫∫(α f (x, y)± β g(x, y))dxdy =α ∫∫ f (x, y)dxdy ± β ∫∫g(x, y)dxdy,

D

D

 

D

(α, β - постоянные числа).

 

 

 

б) аддитивность:

 

 

 

если D = D1 + D2 (D1 ∩ D2

= ), то ∫∫ f (x, y)dxdy = ∫∫ f (x, y)dxdy + ∫∫ f (x, y)dxdy .

 

D

D1

D2

37

Чтобы изменить порядок интегрирования в повторном интеграле, необходимо:

1.Определить подынтегральную функцию как функцию переменных x и y .

2.Задать кривые, ограничивающие область интегрирования в двух видах:

выражая y как функцию от x и, наоборот, x как функцию от y .

3.Построить на одном графике линии, ограничивающие область интегрирования.

4.Графически определить координаты точек пересечения графиков функций – пределы интегрирования.

5.Найти точное значение координат точек пересечения графиков. Сравнить полученные результаты.

6.Вычислить искомый интеграл, расставив пределы интегрирования (двумя способами).

 

Пример 1. Изменить порядок интегрирования в повторном интеграле

∫2 dxx∫3

 

x2

 

dy , построить область интегрирования.

 

2

2

0 x

x

+ y

 

 

Решение. Задаём подынтегральную функцию и определяем границы области интегрирования по пределам повторного интеграла:

f(x,y) :=

x2

 

 

 

 

 

 

x2 + y2

 

 

 

 

 

y1(x) := x

 

y2(x) := x

3

x1(y) := 0

 

x2(y) := 2

 

 

5

 

 

 

 

y1(x)

 

2.67

 

 

 

 

y2(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

y

 

0.33

 

 

 

 

1

0.5

 

2

3.5

5

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

x,x,x1(y) ,x2(y)

 

 

 

 

 

 

38

 

 

Изменим порядок интегрирования. Для этого выразим уравнения границ в виде: x =ϕ(y):

y − x

3

y − x

1

y

3

y

3

 

 

 

Область интегрирования разбивается на две части. Исходный интеграл запишется в виде суммы двух интегралов. Вычисляем искомый интеграл двумя способами (используя оба порядка интегрирования) и сравниваем полученные результаты:

Указание. Для того, чтобы задать уравнения границ в виде: y = f (x) или x =ϕ(y), надо определить границу в виде: F (x, y)= 0 и записать функцию F (x, y).

Затем в меню «Символика» (Symbolics) выбрать команду «Разрешить относительно переменной» (Variable Solve), выделив сначала y или x в

зависимости от того, какое уравнение хотим получить.

Пример 2. Вычислить двойной

интеграл ∫∫

x

2

dxdy , если область

 

 

2

 

 

1

D y

 

 

интегрирования D ограничена линиями:

y = x, y =

, x = 2.

 

 

x

Решение. Задаём подынтегральную функцию и определяем кривые, ограничивающие область интегрирования:

39

Строим область интегрирования:

Найдём точки пересечения графиков функций. Для этого решим систему уравнений:

 

 

Система имеет два решения, но из графика видно, что подходит точка с

координатами

(1;1), т.е. x =1 − абсцисса точки пересечения графиков функций

y =

1

и y = x .

Точка пересечения графиков функций y

=

1

 

и x = 2

имеет

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

координаты 2;

 

, а точка пересечения графиков функций

y = x

и x = 2

имеет

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

координаты (2;2).

Найдём другое выражение для границ области интегрирования

(используя меню «Symbolics», команда «Varieble Solve»):

40

y −

1

 

x

y − x

 

1

 

 

y

 

y

 

 

 

 

Вычислим двойной интеграл, переходя к повторному интегралу, двумя способами:

⌠2

⌠x

f(x,y) dy dx →

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

⌡

⌡1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

⌠1

⌠2

 

⌠2

⌠2

9

 

f(x,y) dxdy + f(x,y) dxdy →

4

 

 

 

⌡

⌡

⌡1

⌡1

 

1

y

 

 

2

 

y

 

 

 

 

Вычислим заданный интеграл аналитически, используя один любой порядок интегрирования (без использования программного продукта

MathCAD).

Область интегрирования D заштрихована на рис. 5.

41

Порядок интегрирования выберем следующий: сначала по y вдоль любой прямой x = const , проходящей через область D , от точки «о» её входа в область в D , в которой y = 1x , до точки выхода «×», в которой y = x , затем проведём

интегрирование по x от крайней левой границы области x =1 до правой x = 2. Имеем:

 

x2

2

2

x

dy

∫∫

 

 

dxdy = ∫x

 

dx∫

 

 

y

2

 

y

2

D

 

1

 

1

 

x

 

2

2

 

 

1

 

 

x

 

2

 

2 1

 

2

(x

3

x4

 

x2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

dx = −

∫

x

 

 

− x dx =

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

−

 

 

 

 

−

 

=

 

x

 

 

 

 

 

 

 

− x)dx =

 

 

 

 

 

1

 

 

 

y

 

1

 

1

 

x

 

1

 

 

 

4

 

2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

(24

−14 )−

1

(22

−12 )=

15

−

3

=

15 −3 2

=

9

.

4

2

 

4

2

 

4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12.2.Задания для самостоятельного решения

1.Изобразить область интегрирования на чертеже и изменить порядок интегрирования в повторном интеграле:

№

 

 

 

 

 

Повторный интеграл

№

 

Повторный интеграл

 

 

−1

 

 

0

 

 

 

0

0

 

π 4

sin y

π 2

cos y

 

1.

 

∫dy

∫(x2

+ y)dx + ∫dy

∫(x2 + y)dx

11.

∫dy ∫dx + ∫dy ∫dx

 

 

− 2 − 2−y2

 

 

 

−1

y

 

0

0

π 4

 

0

 

 

1

 

 

 

1

e

1

 

 

1

y2

2

2−y

 

2.

 

∫dy

 

 

∫ydx + ∫dy ∫ydx

 

12.

∫dy

∫y 2 dx + ∫dy ∫y 2 dx

 

0

 

1−y2

1

 

 

ln y

 

 

0

0

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

2− 4−y2

2

 

4−y2

 

 

−1

0

 

0

 

0

3.

 

∫dy

 

∫xdx + ∫dy ∫xdx

13.

∫dy

∫xy 2 dx +

∫dy ∫xy 2 dx

 

0

 

 

 

0

3

0

 

 

−2

−(2+y )

 

−1

 

3 y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

arcsin y

1

 

arccos y

 

 

1

y2

2

 

2−y2

4.

 

∫dy

 

∫xdx + ∫dy ∫xdx

 

14.

∫dy

∫x3 dx + ∫dy

∫x3dx

 

0

 

 

 

0

 

1

 

0

 

 

0

0

1

 

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

0

 

e

−ln y

 

 

1

y

2

2−y

2

5.

 

∫dy ∫x2 dx + ∫dy ∫x2 dx

 

15.

 

 

 

∫dy∫xdx + ∫dy

 

∫xdx

 

0

 

−

y

1

 

−1

 

 

0

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

42

 

−∫1dy

2+y

 

 

 

−y

 

 

∫1

 

y

 

2−y

6.

∫(x + y)dx + ∫0

dy ∫(x + y)dx

16.

dy ∫xdx + ∫2 dy

∫xdx

 

−2

 

0

 

−1

0

 

 

0

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

3

0

 

 

0

 

0

 

1

 

0

2

0

7.

∫dy

∫(x2

+ y)dx + ∫dy

∫(x2 + y)dx

17.

∫dy

∫ydx + ∫dy

∫ydx

 

−2

− 4−y2

 

 

− 3

 

4−y2 −2

 

0

 

− y

1

− 2−y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

0

 

 

2

 

0

 

1

 

y2

2

2−y

8.

∫dy

∫(x2

+ y)dx + ∫dy

∫(x2 + y)dx

18.

∫dy

∫x3 dx + ∫dy ∫x3 dx

 

0

 

4−y2 −2

 

 

3

− 4−y2

 

0

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

0

 

 

0

0

(x + y 2 )dx

 

1

 

y

e

x

9.

∫dy

∫(x + y 2 )dx + ∫dy ∫

19.

∫dy

∫xydx + ∫dy ∫xydx

 

−2

−(2+y )

 

 

−1

3 y

 

 

0

 

0

1

ln y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

0

2

0

 

 

 

1

 

3 y

2

2−y

10.

∫dy

∫x2 dx + ∫dy

∫x2 dx

 

20.

∫dy

∫x2 dx + ∫dy ∫x2 dx

 

0

− y

1

− 2−y

 

 

 

0

 

0

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. а) Вычислить двойной интеграл по указанной области в MathCAD, используя оба порядка интегрирования.

б) Вычислить двойной интеграл по указанной области D аналитически (в тетради).

№

 

Двойной интеграл

 

 

Область D

1.

∫∫(36x2 y 2

−96x3 y3 )dxdy

x =1,

y = 3

x,

y = −x3

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

∫∫(18x2 y 2

+32x3 y3 )dxdy

x =1,

y = −3 x, y = x

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

∫∫y 2 sin

xy

dxdy

x = 0,

y =

π ,

y = x

 

 

D

2

 

 

 

 

 

2

4.

∫∫(18x2 y 2

+32x3 y3 )dxdy

x =1,

y = 3

x,

y = −x2

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

∫∫y 2 e−

xy

dxdy

x = 0,

y = 2,

y = x

4

 

D

 

 

 

 

 

 

 

6.

∫∫(27x2 y 2

+ 48x3 y3 )dxdy

x =1,

y =

x,

y = −x3

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

43