- •Тема кратные интегралы
- •§1. Определения. Свойства. Смысл
- •I Определение
- •II Теорема существования
- •III Свойства
- •IV Смысл
- •§2. Понятие повторного интеграла
- •I Правильные области в r2
- •II Правильные области в r3
- •III Повторные интегралы в r2
- •IV Повторные интегралы в r3
- •§3. Вычисление кратных интегралов
- •§4. Замена переменных в двойном интеграле
- •I Общий случай
- •II Двойной интеграл в полярной системе координат
- •§5. Приложения двойного интеграла
- •III Вычисление массы полоской фигуры
- •IV Вычисление координат центра масс пластины
- •V Вычисление моментов инерции пластины
- •VI Вычисление площади поверхности
- •§6. Замена переменных в тройном интеграле
- •I Общий случай
- •II Тройной интеграл в цилиндрических координатах
- •III Тройной интеграл в сферических координатах
- •§7. Приложения тройного интеграла
- •I Вычисление объёмов тел
- •II Вычисление масс тел
- •III Вычисление координат центра масс тела
- •IV Вычисление моментов инерции тела
- •V Вычисление силы притяжения точки телом
- •§8. Несобственный двойной интеграл
§3. Вычисление кратных интегралов
Теорема (без доказательства). Кратный интеграл от непрерывной функции по правильной области равен соответствующему повторному интегралу.
Например, если
– непрерывна, а правильная область
имеет вид
,
то

и вычисление двойного интеграла сводится к последовательному вычислению двух определённых интегралов.
В силу этой теоремы
используют несколько другие обозначения
кратных интегралов:
заменяют на
,
а
–
на![]()
.
Пример.
Найти массу круглой пластины радиуса
,
если поверхностная плотность в каждой
её точке пропорциональна расстоянию
от этой точки до некоторой касательной
к окружности.
Решение.
Прежде всего, впишем данный круг в
систему координат следующим образом:
центр поместим в начале координат, а
фиксированную касательную будем считать
проходящей через точку с координатами
(параллельно оси ординат!). Тогда:
![]()
и
![]()
Искомая масса:



Здесь первый
интеграл равен площади полукруга, ибо
– уравнение верхней полуокружности, а
второй равен нулю, т.к. подынтегральная
функция нечётная, а промежуток
интегрирования симметричен относительно
нуля.
Окончательно имеем:
![]()
Полученный ответ
нетрудно проверить хотя бы на размерность.
Коэффициент пропорциональности в
формуле для поверхностной плотности
имеет размерность
,
следовательно, полученный результат
имеет размерность
.
Обычно для
определения этого коэффициента задают
плотность в какой- либо точке области.
В рассмотренной задаче может быть
дополнительное условие, например, такое:
“Плотность в центре круга равна
”.
Тогда
![]()
и ответ будет иметь
вид:
.
Размерность ответа в таком виде очевидна.
§4. Замена переменных в двойном интеграле
I Общий случай
Пусть имеются две
прямоугольные системы координат
и
,
и пара функций
(1)
которые устанавливают
взаимно-однозначное соответствие между
точками замкнутых областей
и
.
Предположим, что эти функции непрерывны
вместе со своими частными производными
первого порядка и определитель вида
Ј![]()
отличен от 0
в
.
Этот определитель
называют определителем Якоби или
якобианом системы функций (1).
При выполнении этих условий для двойного интеграла от непрерывной функции справедлива следующая формула замены переменных:
(2)
Принимаем
эту формулу без доказательства.
Пример 1.
Пусть требуется
вычислить двойной интеграл по области,
ограниченной прямыми:
причем
![]()
Хотя и область правильная (это некоторый четырёхугольник), но её границы (правая и левая, или верхняя и нижняя) состоят из частей, задаваемых разными функциями. Поэтому при сведении двойного интеграла к повторному интегралу необходимо разбить область на три части и затем вычислять три интеграла.
П
ерепишем
уравнения
и
в виде
и
,
и сделаем следующую замену переменных
(3)
Очевидны пределы
изменения новых переменных: ![]()
,т.е. в новой системе
координат
область
будет представлять собой прямо-угольник,
стороны которого параллельны осям
координат. Разрешив систему (3)
относительно
и
,
получим

Якобиан этой системы функций (вычислите самостоятельно) имеет вид
![]()
Итак, получим для двойного интеграла
![]()
Например, для
единичной функции
получим:
![]()
Сделаем важное
замечание относительно полученного
повторного интеграла. Он является
повторным лишь формально. На самом же
деле внутренний интеграл не зависит от
внешней переменной
,
и его, как обычную константу, можно
вынести за знак внешнего интеграла:
такой повторный интеграл является
просто произведением двух определённых.
Имеем окончательно:

Замечание.
Взаимная
однозначность системы (1) и условие
могут нарушаться в отдельных точках
области
и даже на отдельных линиях, площадь
которых равна нулю.
