двойной интеграл и его приложения

Двойной интеграл и его приложения

Двойной интеграл от функции \(f\left( \right)\) в произвольной области \(R\) определяется как \(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\iint\limits_ <\left[ \right] \times \left[ \right]>\normalsize \right)dA>,\)

где прямоугольник \(\left[ \right] \times \left[ \right]\) содержит область \(R\), функция \(g\left( \right) = f\left( \right)\), если \(f\left( \right)\) находится в \(R\), и \(g\left( \right) = 0\) в противном случае.

Двойной интеграл от суммы функций равен сумме интегралов от этих функций:
\(\large\iint\limits_R\normalsize <\left[ \right) + g\left( \right)> \right]dA> = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> + \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Постоянный коэффициент можно выносить за знак двойного интеграла:
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = k\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Если \(f\left( \right) \le g\left( \right)\) в области \(R\), то справедливо неравенство
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \le \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Если \(f\left( \right) \ge 0\) в области \(R\) и \(S \subset R\), то
\(\large\iint\limits_S\normalsize \right)dA> \le \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Если \(f\left( \right) \ge 0\) в области \(R\), а \(R\) и \(S\) − непересекающиеся области, то
\(\large\iint\limits_\normalsize \right)dA> = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> + \large\iint\limits_S\normalsize \right)dA> \)

Здесь \(\) является объединением областей интегрирования \(R\) и \(S\).

Повторный интеграл в области типа I
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\int\limits_a^b\normalsize <\large\int\limits_^\normalsize \right)dy\,dx> > \)

где область интегрирования \(R\) определяется неравенствами
\(R = \left\ < \left( \right) \mid a \le x \le b,\;p \left( x \right) \le y \le q\left( x \right)\right\>\).

Повторный интеграл в области типа II
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\int\limits_c^d\normalsize <\large\int\limits_^\normalsize \right)dx\,dy> > \),

где область интегрирования \(R\) определяется неравенствами
\(R = \left\ < \left( \right) \mid u\left( y \right) \le x \le v\left( y \right),\;c \le y \le d \right\>\).

Двойной интеграл в прямоугольной области
Если \(R\) является прямоугольной областью \(\left[ \right] \times \left[ \right]\), то
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\int\limits_a^b\normalsize <\left( <\large\int\limits_c^d\normalsize \right)dy> > \right)dx> = \large\int\limits_c^d\normalsize <\left( <\large\int\limits_a^b\normalsize \right)dx> > \right)dy> \)

В частном случае, когда подынтегральная функция \(f\left( \right)\) представляет собой произведение \(g\left( x \right) h\left( y \right)\), двойной интеграл можно записать в виде
\(\large\iint\limits_R\normalsize \right)dxdy> = \large\iint\limits_R\normalsize = \left( <\large\int\limits_a^b\normalsize > \right)\left( <\large\int\limits_c^d\normalsize > \right)\)

Полярные координаты
\(x = r\cos \theta, y = r\sin \theta \)

Двойной интеграл в полярных координатах
Дифференциал \(dxdy\) в полярных координатах определяется выражением
\(dxdy = \left| <\large\frac<<\partial \left( \right)>> <<\partial \left( \right)>>\normalsize> \right|drd\theta = rdrd\theta \)

Объем тела
\(V = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Если \(R\) является областью типа \(I\), ограниченная линиями \(x = a\), \(x = b\), \(y = h\left( x \right)\), \(y = g\left( x \right)\), то
\(V = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\int\limits_a^b\normalsize <\large\int\limits_^\normalsize \right)dydx> > \)

Если \(R\) является областью типа \(II\) и ограничена линиями \(y = c\), \(y = d\), \(x = q\left( y \right)\), \(x = p\left( y \right)\), то
\(V = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\int\limits_c^d\normalsize <\large\int\limits_^\normalsize \right)dxdy> > \)

Масса пластины
\(m = \large\iint\limits_R\normalsize <\rho \left( \right)dA> \)
Пластина расположена в области \(R\) и ее плотность в точке \( <\left( \right)>\) равна \( <\rho \left( \right)>\).

Статические моменты пластины
Момент пластины относительно оси \(Ox\) определяется формулой
\( = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Аналогично, момент пластины относительно оси \(Oy\) выражается в виде
\( = \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> \)

Моменты инерции пластины
Момент инерции пластины относительно оси \(Ox\) вычисляется по формуле
\( = \large\iint\limits_R\normalsize <\rho \left( \right)dA> \)

Момент инерции пластины относительно оси \(Oy\) равен
\( = \large\iint\limits_R\normalsize <\rho \left( \right)dA> \)

Полярный момент инерции определяется выражением
\( = \large\iint\limits_R\normalsize <\left(+ \right) \rho \left( \right)dA> \)

Координаты центра масс пластины
\(\bar x = \large\frac<<>>\normalsize = \large\frac<1>\normalsize \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\frac <<\iint\limits_R \right)dA> >> <<\iint\limits_R <\rho \left( \right)dA> >>\normalsize,\;\) \(\bar y = \large\frac<<>>\normalsize = \large\frac<1>\normalsize \large\iint\limits_R\normalsize \right)dA> = \large\frac <<\iint\limits_R \right)dA> >> <<\iint\limits_R <\rho \left( \right)dA> >>\normalsize \).

Заряд пластины
\(Q = \large\iint\limits_R\normalsize <\sigma \left( \right)dA> \),
где электрический заряд распределен по области \(R\) и его плотность в точке \( <\left( \right)>\) равна \( <\sigma \left( \right)>\).

Среднее значение функции
\(\mu = \large\frac<1>\iint\limits_R\normalsize \right)dA>,\;\) где \(S = \large\iint\limits_R\normalsize \).

Источник

Двойной интеграл и его приложения

1. Вычисление объема тела

Пример 6.9. Вычислить объём тела, ограниченного параболоидом z = x 2 + y 2 + 1, плоскостью x + y –3=0 и координатными плоскостями.

Решение. Основанием тела служит треугольник ОАВ. Область D в данном случае определяется неравенствами:

2. Вычисление площади плоской фигуры

Если положить в формуле (6.18) f ( x , y )=1, то цилиндрическое тело «превратится» в прямой цилиндр с высотой h = 1. Объем такого цилиндра,

или, в полярных координатах,

Пример 6.10. Вычислить площадь фигуры, ограниченной прямой y = 2 x + 1 и параболой y = x 2 + 1.

Решение. Решая совместно систему

Применяя формулу (6.19), будем иметь:

Решение. Переходим к полярной системе координат, полагая x = r cos φ и y = r sin φ ; тогда получаем

3. Вычисление массы плоской фигуры (пластины)

Масса плоской пластинки D с переменной плотностью γ =γ ( x , y ) находится по формуле

4. Определение статических моментов и координат центра тяжести плоской фигуры

Статические моменты фигуры D относительно осей 0 x и 0 y могут быть вычислены по формулам

а координаты центра масс фигуры – по формулам

Статические моменты широко используются в сопротивлении материалов и других технических науках.

5. Определение моментов инерции плоской фигуры

Момент инерции фигуры относительно начала координат – по формуле

Находим статические моменты пластинки по формулам (6.22):

Находим координаты центра тяжести пластинки, используя формулы (6.23):

6. Поверхностный интеграл I рода

Теорема 6.3 (о существовании поверхностного интеграла). Если поверхность S гладкая (в каждой ее точке существует касательная плоскость, которая непрерывно меняется с перемещением точки по поверхности), а функция f ( x ; y ; z ) непрерывна на этой поверхности, то поверхностный интеграл существует

где D ₁ и D ₂ – проекции поверхности S на координатные плоскости xО z и y О z соответственно.

6.1. Площадь поверхности

Пример 6.14. Вычислить площадь части плоскости x + y + z = 4, вырезаемой цилиндром x 2 + y 2 = 4 (рис. 6.10).

– данную область разбивают на конечное число мелких частей;

– делают для каждой такой части предположения, упрощающие задачу;

– находят приближенное значение искомой величины;

– переходят к пределу при неограниченном измельчении разбиения области.

Проиллюстрируем описанный способ на примере определения массы материальной поверхности.

6.2. Масса поверхности

6.3. Моменты и центр тяжести поверхности. С татические моменты, координаты центра тяжести, моменты инерции материальной поверхности S находятся по соответствующим формулам:

Источник

Двойной интеграл и его приложения

Эта сумма называется интегральной суммой для функции f ( x , y ) в области D . Если f ≥ 0 в области D , то каждое слагаемое геометрически представляет собой объем малого цилиндра с основанием ∆ S_i и высотой f ( P_i ). Сумма всех V_i есть сумма объемов указанных элементарных цилинд­ ров, геометрически – объем некоторого «ступенчатого» тела.

Рассмотрим произвольную последовательность интегральных сумм, составленных с помощью функции f ( x , y ) для данной области D :

Область D при этом называется областью интегрирования.

1. Вычисление двойного интеграла в декартовой система координат

Рассмотрим область D , лежащую в плоскости x 0 y и являющуюся правильной в направлении оси 0 y . Это означает, что всякая прямая, параллельная оси 0 y и проходящая через внутреннюю точку области, пересекает границу области в двух точках N ₁ и N ₂.

Если область D является правильной как в направлении оси 0 x , так и в нап­равлении оси 0 y , то она называется просто правильной областью.

Пусть функция f ( x , y ) непрерывна в области D . Рассмотрим выражение

которое назовем двукратным интегралом от функции f ( x , y ) по обла­сти D . В этом выражении сначала вы­числяется внутренний интеграл, стоящий в скобках, причем интегрирование производится по y , а x считается постоянной величиной. В результате инте­грирования получится непрерывная функция от x :

.

Эту функцию мы интегрируем по x в пределах от a до b :

В результате получается некоторое постоянное число.

Теорема 6.2. Двойной интеграл от непрерывной функции f ( x , y ) по правильной области D равен двукратному интегралу от этой функции по области, то есть

Очевидно, что в этом случае

Решение. Применим формулу (6.5), считая внутренний интеграл по переменной y :

Если область D является правильной в направлении обеих осей координат, то применимы обе формулы (6.5) и (6.6), следовательно,

Таким образом, повторное интегрирование не зависит от порядка интегрирования. Поэтому при вычислении двойного интеграла следует пользоваться той из двух формул, которая приводит к менее трудоемким выкладкам. Полезно для упражнения в вычислении повторного интегрирования рассматривать задачу о замене порядка интегрирования в двойном интеграле . При этом выполняется следующая последовательность действий:

Аналогичные выкладки производят при необходимости замены порядка интегрирования в двойном интеграле :

Примечание. В случае, когда какая-либо из этих границ состоит из двух или большего числа линий, записанных разными уравнениями, то область D разбивается на части, а интеграл – на сумму интегралов по этим частям

Пример 6.2. Изменить порядок интегрирования .

2. Вычисление двойного интеграла в полярной системе координат

Для вычисления такого двойного интеграла применяют то же правило сведения его к двукратному интегралу. Так, если область D имеет вид, изображенный на рисунке 6.2 (ограничена лучами φ=α и φ=β, где α β, и кривыми , т. е. является правильной: луч, выходящий из полюса, пересекает ее границу L не более чем в двух точках), то правую часть формулы (6.7) можно записать в виде:

Переходя к полярной системе координат с помощью (6.8), получаем:

Источник

Содержание:

Двойные и тройные интегралы

Понятие двойного интеграла

В теории определенного интеграла для нахождения площади криволинейной трапеции было введено понятие интегральной суммы, пределом которой является определенный интеграл. На основе задачи об определении объема тела мы придем к понятию двумерной интегральной суммы, предел которой называется двойным интегралом.

Пример:

Найти объем тела, ограниченного сверху непрерывной поверхностью z = f(x, у) (f(x, у)

Тело указанного вида для краткости называется цилиндроидом. В частном случае, когда верхнее основание цилиндроида есть плоскость, параллельная нижнему основанию его, то цилиндроид называется цилиндром. Примером цилиндра служит круговой цилиндр, рассматриваемый в средней школе. Обобщая рассуждение, обычно применяемое для нахождения объема кругового цилиндра, нетрудно доказать, что объем V цилиндра с площадью основания S и высотой Н равен V = SH.

Для вычисления объема V данного цилиндроида разобьем основание его S на конечное число элементарных ячеек (вообще говоря, криволинейных). В каждой из этих ячеек выберем точку и построим прямой цилиндрический столбик с основанием и высотой , равной аппликате поверхности в выбранной точке.

Объем такого столбика на основании формулы объема цилиндра, очевидно, равен

где — площадь соответствующей ячейки. Сумма объемов этих цилиндрических столбиков представляет собой объем ступенчатого тела, приближенно заменяющего данное криволинейное тело, причем аппроксимация является, вообще говоря, тем более точной, чем меньше диаметры ячеек . Поэтому объем нашего цилиндроида приближенно выразится суммой

Формула (2) дает возможность найти объем V с любой степенью точности, если число ячеек достаточно велико и линейные размеры их весьма малы. Обозначим через d₁ диаметр ячейки т. е. наибольший линейный размер ее. Точнее говоря, под диаметром d ограниченной замкнутой (т. е. с присоединенной границей) фигуры Ф (дуги, площадки и т. п.) понимается длина наибольшей ее хорды АВ, где (рис. 246).

Из данного определения следует, что фигура Ф, имеющая диаметр d, целиком помещается внутри круга радиуса d, описанного из любой ее точки С как из центра. Поэтому если , то фигура Ф «стягивается в точку». Аналогично определяется диаметр пространственного тела.

— наибольший из диаметров ячеек Предполагая, что в формуле (2) число ячеек п неограниченно возрастает , причем диаметр наибольшей из них становится сколь угодно малым , в пределе получаем точную формулу для объема цилиндроида

Здесь мы для удобства ячейки и их площади обозначаем одинаковыми буквами. Разница между ними видна из контекста.

Ячейки можно предполагать замкнутыми.

Точнее говоря, по определению под объемом цилиндроида понимается предел (3), если он существует.

Выражение, стоящее в правой части формулы (3), называется двойным интегралом от функции f(x, у), распространенным на область S, и обозначается следующим образом:

Поэтому для объема цилиндроида окончательно имеем

Обобщая конструкцию, примененную для вычисления объема цилиндроида, приходим к следующим определениям.

Определение: Двумерной интегральной суммой (2) от данной функции f(x9 у)> распространенной на данную область S, называется сумма парных произведений площадей элементарных ячеек области S на значения функции f(x, у) в выделенных точках этих ячеек (рис. 247).

Определение: Двойным интегралом (4) от функции f(x, у), распространенным на данную область S, называется предел соответствующей двумерной интегральной суммы (2) при неограниченном возрастании числа п элементарных ячеек и стремлении к нулю их наибольшего диаметра d при условии, что этот предел существует и не зависит от способа дробления области S на элементарные ячейки и выбора точек в них.

В формуле (4) у) называется подынтегральной функцией, S — областью интегрирования, a dS — элементом площади. Справедлива следующая теорема:

Теорема: Если область S с кусочно-гладкой границей Г ограничена и замкнута, а функция f(x, у) непрерывна в области S, то двойной интеграл

существует, т. е. предел соответствующей двумерной интегральной суммы существует и не зависит от способа дробления области S на элементарные ячейки , и выбора точек в них.

В дальнейшем мы будем предполагать, что условия этой теоремы выполнены.

В формуле (6) нет необходимости указывать, что , так как из , очевидно, следует .

Если f(x, у) 0, то двойной интеграл (6) представляет собой объем прямого цилиндроида, построенного на области S как на основании и ограниченного сверху поверхностью z = f(x, у) (геометрический смысл двойного интеграла).

Так как значение двойного интеграла не зависит от вида элементарных ячеек, то в дальнейшем при решении задач мы будем использовать это обстоятельство, выбирая наиболее подходящие сетки. Весьма часто удобной оказывается прямоугольная сетка, образованная пересечением двух систем прямых, параллельных соответственно координатным осям Ох и Оу (рис. 248). В этом случае элементарными ячейками являются прямоугольники со сторонами, равными , за исключением, возможно, ячеек, примыкающих к границе Г.

Чтобы подчеркнуть использование прямоугольной сетки, в обозначении интеграла (4) полагают

(двумерный элемент площади в прямоугольных координатах), причем

где и сумма (8) распространяется на все значения i и для которых (можно показать, что непрямоугольные ячейки, примыкающие к кусочно-гладкой границе Г, не влияют на значение предела (8)).

В следующих параграфах мы рассмотрим основные способы вычисления двойного интеграла.

Здесь мы применяем двойную индексацию ячеек, указывая отдельно номер i вертикальной полосы и номер j горизонтальной полосы, содержащих данную ячейку, подобно тому, как на билете в кино отмечается номер ряда и номер места.

Двойной интеграл в прямоугольных декартовых координатах

Предположим для определенности, что область интегрирования S представляет собой криволинейную трапецию (рис. 249);

Пример:

Расставить пределы интегрирования в двойном интеграле

если область интегрирования 5 есть круговое кольцо, ограниченное окружностями (Г) (рис. 257). Область S не является стандартной. Для расстановки пределов интегрирования в интервале (13) разбиваем область S на четыре стандартные относительно оси OY области как указано на рисунке. Используя уравнение окружностей

Аналогичная формула получится, если мы будем расставлять пределы интегрирования в другом порядке.

Двойной интеграл в полярных координатах

Пусть в двойном интеграле

при обычных предположениях мы желаем перейти к полярным координатам г и ф, полагая

Область интегрирования S разобьем на элементарные ячейки с помощью координатных линий (окружности) и ф (лучи) (рис. 258).

Так как окружность перпендикулярна (ортогональна) радиусам, то внутренние ячейки с точностью до бесконечно малых высшего порядка малости относительно их площади можно рассматривать как прямоугольники с измерениями ; поэтому площадь каждой такой ячейки будет равна

Что касается ячеек AS^ неправильной формы, примыкающих к границе Г

области интегрирования S, то эти ячейки не повлияют на значение двойного интеграла и мы их будем игнорировать.

В качестве точки для простоты выберем вершину ячейки с полярными координатами . Тогда декартовы координаты точки равны

Двойной интеграл (1) представляет собой предел двумерной интегральной суммы, причем можно показать, что на значение этого предела не влияют добавки к слагаемым интегральной суммы, являющиеся бесконечно малыми высшего порядка малости. Поэтому, учитывая формулы (3) и (3′), получаем

где d — максимальный диаметр ячеек и сумма распространена на все ячейки указанного выше вида, целиком содержащиеся в области S. С другой стороны, величины суть числа и их можно рассматривать как прямоугольные декартовы координаты некоторых точек плоскости . Таким образом, сумма (4) является интегральной суммой для функции

соответствующая прямоугольной сетке с линейными элементами . Следовательно,

Выравнивая формулы (4) и (5), получаем окончательно

называется двумерным элементом площади в полярных координатах. Итак, чтобы в двойном интеграле (1) перейти к полярным координатам, достаточно координаты х и у заменить по формулам (2), а вместо элемента площади dS подставить выражение (7).

Для вычисления двойного интеграла (6) его нужно заменить повторным. Пусть область интегрирования S определяется неравенствами

где — однозначные непрерывные функции на отрезке (рис. 259). Тогда по аналогии с прямоугольными координатами имеем

Пример:

Переходя к полярным координатам , вычислить двойной интеграл

где S — первая четверть круга радиуса R = 1 с центром в точке О (0, 0) (рис. 260).

Так как , то, применяя формулу (6), получаем

Область S определяется неравенствами . Поэтому на основании формулы (8) имеем

Пример:

перейти к полярным координатам.

Область интегрирования здесь есть треугольник S, ограниченный прямыми у=0, у = х, х = 1 (рис. 261).

В полярных координатах уравнения этих прямых записываются следующим образом: и, следовательно, область S определяется неравенствами

Отсюда на основании формул (6) и (8), учитывая, что , имеем

Интеграл Эйлера—Пуассона

С помощью полярных координат можно просто вычислить важный для теории вероятностей интеграл Эйлера— Пуассона

Так как определенный интеграл не зависит от обозначения переменной интегрирования, то, очевидно, можно также записать

Перемножая формулы (1) и (2) и учитывая, что произведение этих однократных интегралов можно рассматривать как двойной интеграл от произведения подынтегральных функций, будем иметь

где область S определяется неравенствами

и, следовательно, представляет собой первый квадрант координатной плоскости Оху (рис. 262).

Переходя в интеграле (3) к полярным координатам, получим

Отсюда, учитывая положительность числа , находим

В силу четности функции имеем также

что представляет собой площадь, ограниченную осью Ох и кривой Гаусса (см, рис. 120).

Теорема о среднем

Пусть функция f(x, у) непрерывна в ограниченной замкнутой области — соответственно наименьшее и наибольшее значения функции f(x, у) в области S.

Для двумерной интегральной суммы этой функции, распространенной на область S, имеем оценки

где — площадь области S. Отсюда, переходя к пределу при в неравенствах (1) и учитывая существование двойного интеграла, получаем

называется средним значением функции в области S. Из неравенств (2) вытекает, что .

Формулу (3) можно переписать в следующем виде:

. Таким образом, двойной интеграл равен среднему значению подынтегральной функции, умноженной на площадь области интегрирования.

Не нужно думать, что формула (4) дает универсальный способ вычисления двойного интеграла. Дело в том, что, как правило, среднее значение функции определяется через двойной интеграл. Поэтому реальный смысл здесь имеет оценка (2).

Пример:

где S — квадрат

Для функции f(x, у) = имеем

Так как S = 1, то = 1,41. Можно принять

Эта оценка грубая, так как точное значение интеграла есть

Более точное значение интеграла I получится, если область интегрирования S разбить на достаточно мелкие части и к каждой из них применить теорему о среднем.

Геометрические приложения двойного интеграла

Прямой цилиндроид, построенный на основании S в координатной плоскости Оху и ограниченный сверху непрерывной поверхностью z = f(x, у), имеет объем, равный

Пример:

Найти объем тела, ограниченного поверхностями

Решение:

Искомое тело имеет своим основанием треугольник S на плоскости Оху у образованный линиями ,и ограничено сверху параболическим цилиндром (рис. 263). Отсюда на основании формулы (1) получим

Если в формуле (1) положить

то получим объем прямого цилиндра с высотой , численно равный площади S его основания. Поэтому площадь плоской области S равна

Формулу (2) можно записать также в виде

Пример:

Найти площадь, ограниченную гиперболами (а > 0) и прямыми х = 1, х = 2 (рис. 264).

Решение:

На основании формулы (2) получим, что площадь S равна

Физические приложения двойного интеграла

Пусть S — материальная пластинка. Если есть часть пластинки S, содержащая точку М и имеющая массу , то отношение

называется средней поверхностной плотностью куска а предел этого отношения при условии, что диаметр , называется поверхностной плотностью р(М) пластинки S в точке М:

Очевидно, поверхностная плотность р(М) пластинки S есть функция точки М. Понятия средней поверхностной плотности пластинки и поверхностной плотности пластинки в данной точке

вполне аналогичны понятиям средней линейной плотности дуги и линейной плотности дуги в точке, введенным.

Положим, что поверхностная плотность пластинки S в текущей точке М(х, у) равна , где — известная непрерывная функция. Рассмотрим бесконечно малый элемент dS пластинки, содержащий точку М (рис. 265). Так как в пределах этого элемента пластинку можно считать однородной с плотностью р, то масса элемента dS (элементарная масса) равна

Интегрируя выражение (1) по всей пластинке S, находим массу пластинки

Рассматривая dm как материальную точку, удаленную от осей координат Ох и Оу на расстояния у их, получим элементарные статические моменты пластинки

Отсюда, интегрируя эти выражения по всей пластинке S, находим статические моменты пластинки S относительно координатных осей

В механике доказывается, что статический момент пластинки относительно какой-нибудь оси совпадает со статическим моментом точечной массы, равной массе пластинки, сосредоточенной в центре масс ее относительно той же оси (теорема Вариньона). Отсюда, обозначая через (х₀, у₀) координаты центра масс пластинки S, будем иметь

где — масса (2) пластинки.

Аналогично, для элементарных моментов инерции пластинки S относительно осей координат Ох и Оу получаем выражения

Отсюда после интегрирования по пластинке S будем иметь моменты инерции пластинки S относительно координатных осей

Элементарный полярный момент инерции определяется формулой

где — квадрат расстояния массы dm от начала координат. Интегрируя последнее выражение по пластинке S, получаем полярный момент пластинки

Из формул (5) и (6) следует, что

Полагая в формулах моментов, получим соответствующие моменты инерции геометрической фигуры S. Напомним, что при вычислении в декартовых прямоугольных координатах, как обычно, принимается dS = dx dy, а в случае полярных координат имеем

Пример:

Определить координаты центра масс квадратной пластинки S:, поверхностная плотность которой в точке равна р = х + у.

Решение:

Пользуясь формулой (2), находим массу пластинки

По формуле (3) определяем статические моменты пластинки S относительно координатных осей:

Равенство моментов можно было предвидеть ввиду симметрии задачи.

На основании формул (4) центр масс пластинки S имеет координаты

Пример:

Найти момент инерции круга S: (рис. 266) относительно оси Ох.

Решение:

Полагая р = 1, на основании первой формулы (5) имеем

Задачу будем решать в полярных координатах. Имеем

Уравнение границы Г области S есть

Отсюда, переходя к полярным координатам, получаем . Следовательно, после сокращения на несущественный множитель г имеем

причем так как , то Таким образом, при каждом фиксированном радиус г меняется в пределах ОПереходя к полярным координатам в формуле (8), получаем

Как известно, поэтому

Понятие о тройном интеграле

По аналогии с двойным интегралом определяется так называемый тройной интеграл. Пусть в декартовом пространстве Охуz задана конечная замкнутая область V и f(x, у, z) — ограниченная функция, определенная в V. Разобьем область V на конечное число ячеек и в каждой из них выберем точку

где — объем i-й ячейки, называется трехмерной интегральной суммой.

Обозначим через d наибольший из диаметров ячеек . Будем произвольным способом неограниченно измельчать ячейки . Тогда предел интегральной суммы (1) при , если этот предел существует и не зависит от формы ячеек и выбора точек в них, называется тройным интегралом

от функции , распространенным на область V, и обозначается следующим образом:

Доказывается, что если подынтегральная функция непрерывна в замкнутой ограниченной области интегрирования V с кусочно-гладкой границей, то тройной интеграл (2) существует.

Если область V заполнена массой и представляет собой непрерывно распределенную объемную плотность в текущей точке , то где с точностью до бесконечно малой высшего порядка малости относительно максимального объема ячеек есть масса ячейки . Следовательно, интегральная сумма (1) приближенно равна массе т, заполняющей область V. При получаем, что предел суммы S_n будет равен массе т. Отсюда выводим физический смысл тройного интеграла: если есть непрерывная плотность распределения массы в пространстве Oxyz, то тройной интеграл

представляет собой массу, заполняющую область интегрирования V. В частности, если плотность f(x, у, z) 1, то масса области V численно равна ее объему. Поэтому объем области V выражается тройным интегралом

Если вычисление тройного интеграла (2) ведется в прямоугольных координатах х, у, z, то в качестве ячеек выбирают прямоугольные параллелепипеды с измерениями грани которых параллельны координатным плоскостям, т. е. полагают

В этом случае элемент объема dV считают равным

(элемент объема в прямоугольных координатах) и тройной интеграл (2) записывают в следующем виде:

В частности, для объема тела получаем формулу

В простейшем случае вычисление тройного интеграла (6) сводится к трем квадратурам. А именно, пусть область интегрирования Г стандартна относительно оси Oz, т. е. ограничена снизу и сверху соответственно однозначными непрерывными поверхностями

причем проекция области V на координатную плоскость Оху есть плоская область S (рис. 268).

Отсюда следует, что при фиксированных значениях (х, у) 6 S соответствующие аппликаты z точек области V изменяются в пределах По аналогии с двойным интегралом будем иметь

Если, кроме того, проекция S стандартна относительно оси Оу и определяется неравенствами

где — однозначные непрерывные функции на отрезке , то

Из формул (7) и (8) получаем окончательно

Таким образом, вычисление тройного интеграла сводится к трем квадратурам.

Заметим, что если область интегрирования V стандартна относительно всех трех координатных осей Ох, Оу и Oz, то пределы интегрирования для тройного интеграла (6) можно расставить 3! = 6 различными способами.

Пример:

где V — пирамида OPQR, ограниченная следующими плоскостями:

Решение:

Проекция области V на координатную плоскость Оху есть треугольник S, ограниченный прямыми

При аппликаты точек удовлетворяют неравенству Поэтому

Расставляя пределы интегрирования для треугольника S, получаем

Число I представляет собой массу пирамиды V, если плотность ее в текущей точке равна .

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник