- •Глава 1. Дифференциальное исчисление функции многих переменных §1. Понятие функции нескольких переменных
- •Пространство и множества в пространстве
- •Определение функции нескольких переменных
- •Линии и поверхности уровня
- •Предел функции в точке
- •Непрерывность функции. Точки разрыва
- •§2. Дифференцирование функции нескольких переменных
- •1. Частные производные функции нескольких переменных
- •2. Дифференцируемость функции двух переменных
- •3. Дифференцирование сложной функции
- •4. Дифференциал функции двух переменных
- •Дифференцирование функции одной и двух переменных, заданных неявно
- •Частные производные и дифференциалы высших порядков
- •Аналитический признак полного дифференциала
- •§3. Производная по направлению и градиент
- •1. Производная по направлению
- •2. Градиент и его свойства
- •§4. Экстремумы функций нескольких переменных
- •Экстремумы функций двух и трёх переменных
- •Условный экстремум
- •Глава 2. Интегральное исчисление функции нескольких переменных § 1. Двойной интеграл
- •Геометрическая задача, приводящая к понятию двойного интеграла
- •3. Геометрический смысл двойного интеграла
- •4. Основные свойства двойного интеграла
- •Геометрический смысл теоремы о среднем значении двойного интеграла
- •5. Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах
- •Двойной интеграл в полярной системе координат
- •7. Интеграл Эйлера–Пуассона
- •8. Некоторые приложения двойного интеграла
- •§2. Тройной интеграл
- •1. Определение тройного интеграла
- •2. Физический и геометрический смысл тройного интеграла
- •3. Основные свойства тройного интеграла
- •4. Вычисление тройного интеграла в декартовой системе координат
- •Основные свойства криволинейного интеграла I рода
- •2. Криволинейный интеграл II рода (по координатам)
- •Свойства криволинейного интеграла II рода
- •2.2. Физический смысл криволинейного интеграла II рода
- •2.3. Вычисление криволинейного интеграла II рода
- •3. Формула Грина
- •4. Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования (случай на плоскости)
- •5. Потенциальное поле, потенциальная функция и её вычисление
- •6. Вычисление криволинейного интеграла, независящего от пути интегрирования
- •§ 4. Поверхностные интегралы
- •1. Поверхностный интеграл I рода
- •2. Поверхностный интеграл II рода
- •3. Дивергенция векторного поля. Теорема Гаусса–Остроградского
- •4. Ротор (вихрь) векторного поля. Теорема Стокса
Геометрический смысл теоремы о среднем значении двойного интеграла
Если в области D, то объём цилиндроида можно заменить на объём цилиндра, у которого основаниями верхним и нижним будет область D, а высота .
5. Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах
Определение 1. Замкнутая область D называется правильной в направлении оси 0y (или 0x), если любая прямая, проходящая через внутреннюю точку области D и параллельная оси 0y (или 0x), пересекает границу области D только в двух точках.
Рис. 2
На рисунках: а – D правильная в направлении 0y; б – D правильная в направлении 0x; в – D правильная в направлении 0x, но неправильная в направлении 0y; г – D правильная в направлении 0y, но неправильная в направлении 0x.
При вычислении двойного интеграла используют правила сведения этого интеграла к повторному. При этом область D должна быть правильной в направлении, например оси 0y и её границы должны описываться непрерывными функциями, причём – нижняя граница области D и – верхняя граница области D, т.е. для любого .
Если эти условия на область D не выполняются, то её разбивают на части, на которых эти условия выполняются, и интегрируют по каждой из частей, а затем результат суммируют.
Далее рассматривают при некотором фиксированном значении интеграл от функции f (x;y) по :
Тогда объём цилиндроида равен
При этом вычисляется при фиксированном х (x=const) и называется внутренним интегралом, а – внешним интегралом.
– повторный интеграл.
Правило вычисления начинается с вычисления внутреннего интеграла при х = const, затем от полученной функции S(x) вычисляется внешний интеграл .
Рассмотрим случай сведения двойного интеграла к повторному, если
область D правильная в направлении оси 0x и границы её заданы непрерывными функциями: x=ψ1(y) – левая граница области D и x=ψ2(y) – правая граница области D, т.е. ψ1(y) ≤ ψ2(y) для любого y [c;d].
Далее при некотором фиксированном значении y [c;d] рассматривают интеграл от функции f (x;y) при x [ψ1(y);ψ2(y)]:
Тогда объём цилиндроида равен:
При этом вычисляется при фиксированном значении y (y=const) и называется внутренним интегралом, а – внешним интегралом.
Правило вычисления этого повторного интеграла аналогично описанному выше: сначала вычисляют внутренний интеграл по х при y = const, затем – внешний интеграл по y.
Замечание 1. Если область D является правильной в направлении обеих осей и границы описываются следующим образом: нижняя граница: ; верхняя граница: ; x [a;b]; левая граница: x=ψ1(y); правая граница: x=ψ2(y); y [c;d], то выполняется равенство:
Общеупотребительна другая запись повторных интегралов:
или
Замечание 2. При представлении двойного интеграла в виде повторного, пределы внешнего интеграла всегда постоянные, а пределы внутреннего интеграла, как правило, переменные. Только в случае если область D – прямоугольник и , , то внешний и внутренний интегралы имеют постоянные пределы:
Замечание 3. Если и область D – прямоугольник: , , то двойной интеграл от по такой области D равен произведению определённых интегралов:
Пример 1. Вычислить повторный интеграл:
Ответ: .
Пример 2. Расставить пределы интегрирования в различном порядке:
, если область D ограничена линиями: y = 2x; y = x; x = 1.
1) Чертёж области D:
Рис. 3
2) Область D правильная в направлении оси 0y для x [0;1] .
Нижняя граница D : y = x; верхняя граница D : y = 2x. Поэтому:
3) Область D правильная в направлении оси 0X, но для левая граница D: ; правая граница D: , а для левая граница D: ; правая граница D: . Поэтому область D в этом случае разбиваем на две области прямой y=1: и , интеграл по области D представляем суммой по областям и :
Ответ:
Пример 3. Изменить порядок интегрирования:
Чертёж области D: , нижняя граница области D: , верхняя граница (рис. 4).
Рис. 4
Чтобы изменить порядок интегрирования, надо внешний интеграл взять по y, а внутренний – по x. Область D в направлении оси 0x правильная, но для левая граница области D: х = 1 – у, правая граница х = 1, а для левая граница D: х = у – 1, правая – та же Поэтому область D разбиваем на две области прямой y = 1: и и интеграл по области D представляем в виде суммы интегралов по областям и :
Ответ: