[ Будылин ] Математика 3 семестр

Определение 2.10. Пусть A — брус в Rn и f : A → R — ограниченная функция на A. Пусть D A. Тогда

ZZ

Опр.

f = (f · χD) ,

DA

если функция f · χD — интегрируема.

Определение 2.11. Пусть D Rn и f : D → R — ограниченная функция на множестве D. Пусть D — ограничено и A — произвольный брус в Rn, содержащий D: D A. Тогда

ZZ

Опр.

f = fe,

— продолжение функции f нулем.

Очевидно, что эти определения не зависят от выбора бруса A, содержащего множество D.

Заметим, что функция f будет интегрируемой на множестве D всегда, если она (или ее продолжение нулем) и характеристическая функция χD интегрируемы на брусе A D.

Теорема 2.12. Пусть D — ограниченное множество в Rn. Тогда

χD — интегрируема vol ∂D = 0 .

Доказательство. Элементарное следствие теоремы 2.9 и следствия 2.8, поскольку множество точек разрыва характеристической функции совпадает с границей множества.

Кратные интегралы

Интегралы на многообразиях

Приложения

Предметный указатель

Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 31 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

D

A2

A1

Рис. 6: К определению интеграла по области

Определение 2.13. Ограниченное множество D Rn называется измеримым по Жордану, если vol ∂D = 0. значение интеграла

Z

1 = V (D)

D

называется объемом множества D. Одномерный объем называется длиной множества, а двумерный — площадью.

Теорема 2.14. D — жорданово тогда и только тогда, когда v > 0 : ε > 0:

1. В D можно заключить брусы A1, . . . Ak с непересекающимися внутренностями

Кратные интегралы Интегралы на многообразиях Приложения Предметный указатель

Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 32 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

◦◦

(Ai ∩ Aj = при i 6= j) так, что

k

X

V (Aj) > v − ε ,

j=1

2. D можно покрыть брусами B1, . . . Bm так, что

m

X

V (Bj) < v + ε .

j=1

Число v совпадает с объемом V (D) множества D. Доказательство. Немедленно вытекает из определения интеграла

Z

V (D) = χD , A D ,

A

где A — брус.

Как следствие, можно дать следующую характеристику жордановости множества D.

Следствие 2.15. Если для произвольного положительного ε существуют жордановы множества A, B такие, что

Доказательство. Очевидно.

Кратные интегралы Интегралы на многообразиях

Приложения Предметный указатель Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 33 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

Рис. 7: К определению объема множества

Из теоремы 2.14 немедленно, также, вытекает, что множество D Rn имеет объемноль тогда и только тогда, когда оно жорданово и V (D) = 0, т.е.

vol D = 0 V (D) = 0 .

Наконец, отметим еще одно важное свойство, которое приобрел интеграл — аддитивность.

Теорема 2.16. Если D1 и D2 — жордановы и не пересекаются (D1 ∩ D2 = ), то D = D1 D2 — тоже жорданово и

Z Z Z

f = f + f .

DD1 D2

Доказательство. Жордановость D тривиальна. Пусть брус A содержит D. Тогда в силу

Кратные интегралы Интегралы на многообразиях Приложения Предметный указатель Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 34 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

Следствие 2.17 (Усиленная аддитивность). Если внутренности жордановых мно-

◦◦

жеств D1 и D2 не пересекаюся (D1 ∩ D2 = ), то D = D1 D2 — тоже жорданово

и

Z Z Z

f = f + f .

DD1 D2

Доказательство. Заметим, прежде всего, что если A — брус, A D, то в силу монотонности интеграла

Z Z Z Z

mD(f)V (D) = mD(f) χD 6 f = (fχD) 6 MD(f) χD = MD(f)V (D) .

A D A A

Отсюда вытекает, что интеграл по множеству объема-ноль равен нулю. Очевидно, мно-

Кратные интегралы Интегралы на многообразиях Приложения

Предметный указатель Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 35 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

подмножествами объединения ∂D1 ∂D2). Тогда в силу аддитивности интеграла

В частности, свойством усиленной аддитивности обладает объем множества V (D):

◦◦

D1 ∩ D2 = V (D1 D2) = V (D1) + V (D2) .

Кратные интегралы

Интегралы на многообразиях

Приложения

Предметный указатель

Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 36 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

3.Теорема Фубини

3.1.Сведение кратного интеграла к повторному

Пусть A — брус в Rn, B — брус в Rm. Тогда A × B — брус в Rn+m. Рассмотрим функцию f : A × B → R. Значение этой функции при P A , Q B мы будем естественно обозначать через f(P, Q). Для каждого фиксированного P A положим fP (Q) = f(P, Q), чем определим семейство функций fP : B → R. Определим, далее, еще две функции ϕ , ϕ : A → R, полагая

ϕ (P ) = I (fP ) = sup σ (fP , λB) ,

λB

ϕ (P ) = I (fP ) = inf σ (fP , λB) ,

λB

где λB — разбиение бруса B. Заметим, что по построению ϕ 6 ϕ .

Теорема 3.1 (Фубини). Если функция f интегрируема на A × B, то функции ϕ и ϕ интегрируемы на A, причем

Доказательство. Пусть λA и λB — разбиения брусов A и B соответственно. Тогда λ = (λA, λB) — разбиение бруса A × B. Ячейка S разбиения λ имеет вид SA × SB, где SA и SB — ячейки, соответственно, разбиений λA и λB. Заметим, что при этом V (S) = V (SA)V (SB), где объемы относятся, соответственно, к пространствам Rn+m , Rn , Rm.

Тогда,

Кратные интегралы

Интегралы на многообразиях Приложения

Предметный указатель

Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 37 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

В силу произвольности точки P SA приходим к неравенству

X

mS(f)V (SB) 6 mSA (ϕ )

по SB из λB

J I

Страница 38 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

На практике обычно функция fP оказывается интегрируемой, т.е.

Z Z

ϕ (P ) = ϕ (P ) = fP = f(P, Q) dQ ,

B B

Кратные интегралы Интегралы на многообразиях Приложения

Предметный указатель Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 39 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход

здесь символ dQ в интеграле указывает по какой переменной ведется интегрирование. В этом случае приходим к равенству

Если функция f(P, Q) интегрируема, также, по переменной P при каждом фиксированном Q, теорема Фубини ведет к равенству

Z Z Z Z

dQ dP f(P, Q) = dP dQ f(P, Q) ,

B A A B

т.е. позволяет менять порядок интегрирования в повторном интеграле.

3.2. Некоторые приложения

3.2.1. Вычисление кратных интегралов

3.2.1.1. Пример 1 Пусть область интегрирования D определена равенством

D = {(x, y) R2 : a 6 x 6 b , ϕ(x) 6 y 6 ψ(x)} ,

где ϕ и ψ — непрерывные функции. Пусть интегрируемая функция f(x, y) задана на области D и продолжена за пределы D произвольным образом. Фиксируем числа c и d так, что

x [a, b] : c 6 ϕ(x) 6 ψ(x) 6 d .

Тогда

Кратные интегралы

Интегралы на многообразиях Приложения Предметный указатель

Литература

Веб – страница

Титульный лист

JJ II

J I

Страница 40 из 245

Назад

Полный экран

Закрыть

Выход