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

integral

.pdf
Скачиваний:
19
Добавлен:
10.02.2015
Размер:
659.25 Кб
Скачать

n

Площадью поверхности Ω назовём предел суммы ωT = | ωi |, где | ωi|

i=1

площадь площадки ωi, когда диаметры этих площадок (или, соответственно,

площадок Di) стремятся к нулю, т.е. когда dT → 0.

Нормаль к поверхности F(x,y,z) = z f (x,y) = 0 задаётся градиентом в точ-

ке Мi:

 

 

 

 

F

,

F

,

F

 

f

,

f

 

 

 

 

 

 

grad F =

 

x

y

z

=

x

y

, 1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запишем единичный вектор n нормали:

 

 

 

 

 

 

 

n =

 

grad f

 

= (cosα, cos β, cosγ ),

 

 

gradf

 

 

f 2

 

f 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

+

+1 .

 

 

 

 

 

 

 

grad f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теперь можно найти угол γ, (γ <π / 2 ), который нормаль образует с осью OZ:

cosγ =

 

 

 

 

1

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( fx)2 +(f y)2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку Di проекция ωi на плоскость OXY, то Di = ωi cos γ, (рис. 20б).

Тогда

ωT

=

 

ωi

 

=

| Di |

=

1

 

| Di |

 

 

 

 

 

 

 

cosγ

cosγ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

∫∫

dxdy

= ∫∫ 1+ fx2 + f y2 dxdy.

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

cosγ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

D

 

 

D

Таким образом, площадь поверхности Ω, заданной уравнением z = f (x,y)

вычисляется по формуле:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| Ω|= ∫∫ 1 + fx2 + f y2 dxdy ,

 

 

 

(1)

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

где D ортогональная проекция области Ω на плоскость OXY.

36

Отметим без доказательства, что если поверхность Ω на ограниченной об-

ласти в плоскости переменных (u, v) задана параметрически с помощью со-

отношений:

х = φ(u,v), y = ψ(u,v), z = χ(u,v),

то ее площадь может быть найдена по формуле:

 

| Ω|= ∫∫ ЕG F 2 dud v ,

(2)

где E =ϕu2 +ψu2 + χu2 , G =ϕv2 +ψv2 + χv2 ,

F =ϕuϕv′ +ψuψv′ + χuχv′ − так

называемые гауссовские коэффициенты поверхности Ω.

ПРИМЕР 1. Найти площадь части сферы x2 + y2 + z2 = a2, заключенной внутри прямого кругового цилиндра x2 + y2 = b2 , b a (рис. 21).

Из симметрии относительно плоскости ОХY для нахождения искомой площади поверхности достаточно вычислить площадь ее части 1, лежащей выше плоскости ОХY, и удвоить полученное значение.

1

z

x2 + y2 = b2

x2 + y2 + z2 = a2

y

D

x

Рис.21. К примеру 1.

37

Из уравнения верхней полусферы получаем:

z = a2 x2 y2 zx =

 

 

 

x

 

 

 

 

,

zy =

 

 

y

 

 

 

.

 

a2 x2

 

 

 

a

 

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

 

2

y2

Подставляя эти значения в формулу (1), находим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| Ω|= 2 | Ω1 |= 2∫∫

1+(zx )2 +(zy )2 dxdy =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

2

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2∫∫

1+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxdy =

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

a

x

y

 

 

 

a

x

y

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxdy

 

 

 

 

2π

b

 

rdr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2a∫∫

 

 

 

 

 

 

= 2a

dϕ

 

 

 

 

 

 

 

= 4πa a

 

a

 

b

 

.

 

x2 y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D a2

 

 

 

0

0 a2

r2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь D – проекция рассматриваемой поверхности на плоскость ОХY, т.е. круг радиуса b с центром в начале координат, который вырезает на плоскости ОХY

цилиндр x2 + y2 = b2. Двойной интеграл был вычислен с помощью перехода к полярным координатам.

Замечание. Строго говоря, область D в примере 1 не удовлетворяет условиям, накладываемым на области при переходе к полярным координатам, а именно, она содержит начало координат (см. рис. 16). Тем не менее, полученный в примере 1 результат остается справедливым. Для его обоснования следо-

вало бы вырезать из области D некоторую малую окрестность точки (0,0), на-

пример круг радиуса ε с центром в этой точке, а затем провести предельный пе-

реход при ε→0.

ПРИМЕР 2. Найти площадь поверхности геликоида (рис. 22), заданного параметрическими уравнениями:

x = r cos φ, y = r sin φ, z = b φ, 0 < r a, 0 ≤ φ < 2π.

38

z

y

O

x

 

Рис.22. Геликоид.

Поскольку xr′ = cosϕ, xϕ′ = −r sinϕ, yr′ = sinϕ,

yϕ

= r cosϕ,

zr′ = 0,

zϕ′ = b ,

получаем по формуле (2):

 

 

 

 

 

 

 

 

E = cos2 ϕ +sin2 ϕ =1,

 

 

 

 

 

 

 

G = r2 sin2 ϕ + r2 cos2 ϕ +b2 = r2 +b2 ,

 

 

 

 

 

 

F = −r cosϕsinϕ + r sinϕ cosϕ +0 b = 0.

 

 

 

 

 

Отсюда имеем площадь поверхности геликоида

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

a

 

 

 

 

 

 

 

Ω

 

= ∫∫ 1 (r2 +b2 )0 drdϕ =

dϕ

r

2 +b2 dr =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

=π a a2 +b2 +b2 ln a +

a

 

+b

.

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(По поводу справедливости включения в пределы интегрирования точек r=0 и

ϕ=2π см. замечание к примеру 1).

39

4.5. Несобственные кратные интегралы.

Как и обычные несобственные интегралы, кратные несобственные интегралы бывают двух типов: с неограниченной областью интегрирования и с неограниченной подынтегральной функцией. Рассмотрим каждый из типов таких интегралов:

Несобственные интегралы с неограниченной областью интегрирова-

ния. Пусть D неограниченная область, а {Dn} произвольная последова-

тельность вложенных друг в друга ограниченных областей с «хорошими» границами (определение «хорошей» границы было дано в п. 4.1), причем эта по-

следовательность «исчерпывает» область D , т.е D = Dn и D1 D2

n=1

… Dn … . Пусть, кроме того, функция f(x,y) непрерывна на области D. То-

гда несобственный двойной интеграл ∫∫ f (x, y)dxdy определяется как предел

D

последовательности интегралов ∫∫ f (x, y)dxdy при n → ∞. Интеграл считается

Dn

сходящимся, если этот предел существует, конечен и не зависит от выбора по-

следовательности областей {Dn}.

Несобственные интегралы с неограниченной подынтегральной функ-

цией. Пусть теперь D ограниченная область, но при этом функция f(x,y) не

ограничена в окрестности точки М D. Обозначим через δ окрестность точки

М с диаметром δ, лежащую внутри области D. Тогда несобственный двойной

интеграл от неограниченной функции f(x,y) определяется как следующий предел:

∫∫ f (x, y)dxdy = lim ∫∫ f (x, y)dxdy ,

D

δ→0D\ δ

40

если этот предел существует и не зависит от выбора окрестностей δ. (Напом-

ним, что область D \ δ состоит из точек, принадлежащих области D, но не принадлежащих области δ ).

Аналогично могут быть определены несобственные тройные интегралы.

Для несобственных кратных интегралов, подобно тому, как это делалось ранее, можно определить понятие абсолютной сходимости, а также сформулировать теоремы сравнения.

ПРИМЕР 1. Исследовать на сходимость интеграл I = ∫∫

dxdy

.

(1+ x2

+ y2 )α

2

 

Используем определение. В качестве областей Dn возьмем круги радиусов n, т.е. Dn={ х2+ у2 n2 }. Имеем D1 D2 D3 … Dn R2… и Dn R2

при n → ∞. Таким образом, области Dn можно использовать для определения интеграла I:

 

 

 

 

dxdy

 

 

 

 

 

 

ρd ρdϕ

 

2π

n

ρd ρ

 

 

In = ∫∫

 

 

 

 

 

= ∫∫

= dϕ

 

=

 

 

2

 

 

 

2

α

2 α

2

α

 

D

(1+ x

 

+ y

 

)

 

D

(1+ ρ

)

 

 

0

0

(1+ ρ

)

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

, при α 1;

n

d(1+ ρ

2

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

α1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=π0

 

 

 

=

1α

(1+ n2 )

 

 

 

 

 

 

 

 

(1+ ρ 2 )α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π ln (1+ n

2

),

 

при α = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Откуда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

α 1;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

In

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

, α

>1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

41

Таким образом, при α ≤ 1 интеграл I расходится, а при α > 1 сходится и имеет значение απ1 .

Формулы интегрирования под знаком интеграла позволяют, в частности, вычислить важный интеграл Лапласа, подынтегральная функция которого не может быть проинтегрирована в элементарных функциях:

ПРИМЕР 2. Вычислить интеграл Лапласа: I = ex2 dx.

0

Пусть область D представляет собой первый квадрант плоскости OXY. Запишем двойной интеграл

 

ex

2

y

2

dxdy =

∞ ∞

ex

2

y

2

dy =

ex

2

dx ×

ey

2

ex

2

2

∫∫

 

 

dx

 

 

 

 

dy =

 

dx

= I 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

Перейдем в двойном интеграле к полярным координатам:

 

 

π / 2

dϕ er2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I 2 = ∫∫ex2 y2 dxdy = rdr

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

π

r2

dr =

π

 

1

r2

dr

2

= −

π

e

r2

 

π

.

 

2

re

 

2

2

e

 

 

4

 

 

=

4

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда получаем интеграл Лапласа:

π

 

I = ex2 dx =

.

2

0

 

 

 

42

Теоретические вопросы к главе 4.

1.По какой переменной взят внешний интеграл в повторном интеграле:

1

2x+1

f (x, y)

dxdy ?

 

 

 

 

 

 

0

x2

 

 

 

 

 

2. Какой

из

интегралов

больше:

∫∫ 1+ x2 + y2 dxdy

или

 

 

 

 

 

G

 

∫∫ 1+ x4 + y4 dxdy , если область G – прямоугольник: 0 ≤ x 1 , 0 ≤ y 1 ?

G

3.Показать, что если область G представляет собой прямоугольник: – 1 ≤

x ≤1, – 1 ≤ y ≤ 1, то двойной интеграл ∫∫xm yndxdy обращается в нуль,

 

G

 

 

если хотя бы одно из чисел m или n нечетно.

 

 

a

x

a

a

4. Доказать формулу Дирихле: dxf (x, y)dy = dy f (x, y)dx .

0

0

0

y

5.Пользуясь формулой Дирихле, доказать равенство:

a

x

a

dxf (y)dy = (a y) f ( y)dy .

0

0

0

6.Вычислить интеграл ∫∫ f (x, y)dxdy , если область G представляет собой

G

прямоугольник: a x b , c y d, а функция f (x, y) = Fxy′′(x, y) .

7.Доказать, что, если G – прямоугольник: a x b , c y d , то

 

b

 

 

 

d

 

∫∫ f (x)g( y)dxdy =

 

f (x)dx

 

 

 

 

 

g( y)dy

.

G

a

 

 

 

c

 

43

8.Найти среднее значение функции f (x, y) в области G :

а) f (x, y) =

sin3 x sin3 y

,

G – прямоугольник: 0 ≤ x π/4 , 0 ≤ y ≤ π/4;

cos8

y

 

 

 

б) f (x, y) = x e2x+y ,

G – прямоугольник: – 1 ≤ x ≤ 1, – 1 ≤ y ≤ 1;

в) f (x, y) = x – 2 y, G – треугольник с вершинами А(1,0), В(1,1), С(3,1) .

9. Оценить величину интеграла:

 

∫∫

 

dxdy

 

.

 

 

1+sin2 x +cos2

 

x

2

+y

2

4

y

 

 

 

 

 

Задачи к главе 4.

Изменить порядок интегрирования в повторных интегралах:

 

3

5+ 3+2 y y 2

 

0

x+4

 

4

4x

1.

dy

 

 

f (x, y)dx .

2.

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

 

1

53+2 y y 2

 

4 x+4

0 4x

 

0

4y2

 

 

 

5

y

 

 

3. dy

 

f (x, y)dx .

 

4. dy f (x, y)dx.

 

 

2 − −2 yy2

 

 

 

0 y 5

 

 

 

4 3

y 2 +1

 

 

1

1y2 1

 

 

5.

dy f (x, y)dx .

6.

dy

f (x, y)dx .

 

 

 

0

5 y5

 

 

0 2 yy2

 

 

 

5 2

x2 5

 

 

1 2x+3

 

0

2x+3

7.

dx f (x, y)dy .

8.

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

 

5 2

x

2

5

 

 

2

2 x

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перейти к полярным координатам и расставить пределы интегрирования по новым переменным в интегралах:

9.

1 dx1

f

x2 + y2 dy .

 

 

 

 

0

0

 

 

44

 

1

2

 

 

 

 

3

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

f

 

x2 + y2 dy .

10.

dx

 

 

 

 

 

0

 

 

3

 

 

 

3

x2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

63 29

 

14xx2

 

x

2

+ y

2

 

11.

 

dx

 

 

 

f

 

 

dy .

 

0

 

 

3

9x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2a

 

4axx2

 

 

 

 

 

 

 

 

4a

12.

dx

 

 

 

f

 

(x2 + y2 )dy + dx

4axx2

f (x2 + y2 )dy .

0

2axx

2

2a

0

 

 

 

 

Вычислить двойные интегралы:

13. ∫∫(2x y)dxdy , где G – треугольник с вершинами А(1,2), В(3,2), С(0,1)

G

14. ∫∫(3x +2 y)dxdy , где G – часть плоскости, ограниченная кривыми

G

y = x2/2 и y = 2x .

15. ∫∫xy dxdy , где G – часть плоскости, ограниченная кривыми

G

x2 + y2 = ax, x2+ y2 = 2ax и y = 0, y ≥ 0, a ≥ 0.

16. ∫∫2x2 y dxdy, где G – часть плоскости, ограниченная линиями

G

y 2 = ax, x2 + y2 = 2ax, y = 0, y > 0, a > 0.

Перейти к полярным координатам и вычислить интегралы:

17. ∫∫ex2 + y2 dxdy, G – кольцо, ограниченное концентрическими окруж-

G

ностями: x2 + y2 = 1 и x2+ y2 = 4.

45

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]