- •16. Кратные, криволинейные, поверхностные интегралы.
- •16.1. Двойной интеграл.
- •16.1.3. Свойства двойного интеграла.
- •Интеграл от единичной функции по области равен площади этой области: .
- •Теоремы об оценке интеграла.
- •Вычисление двойного интеграла. Двукратный (повторный) интеграл.
- •16.1.5. Замена переменных в двойном интеграле. Двойной интеграл в полярных координатах.
- •16.1.6. Задачи на двойной интеграл.
- •16.1.7. Приложения двойного интеграла.
Теоремы об оценке интеграла.
16.1.3.5.1.
Если функция
интегрируема по области
,
и для
выполняется
,
то
.
Док-во.
(цифрами над знаками импликации обозначены
номера применяемых ранее доказанных
свойств).
16.1.3.5.2.
Если функция
интегрируема по области
,
то
.
Док-во. Эти
неравенства непосредственно следуют
из того, что
и свойства 16.1.3.4.
Интегрирование неравенств.
16.1.3.6. Теорема о
среднем. Если
функция
непрерывна на области
,
то существует точка
,
такая что
.
Док-во.
Непрерывная на ограниченной замкнутой
области
функция
принимает в некоторых точках этой
области своё минимальное
и максимальное
значения. Так как
,
то
,
или
.
Непрерывная функция принимает, кроме
того, любое значение, заключённое между
и
,
в частности, значение
.
Следовательно,
,
откуда и следует доказываемое утверждение.
Вычисление двойного интеграла. Двукратный (повторный) интеграл.
Определение простой (правильной) области. Область на плоскости Oxy будем называть простой (правильной) в направлении оси Oy, если любая прямая, проходящая через внутреннюю точку области и параллельная оси Oy, пересекает границу в двух точках.
Аналогично определяется область, простая (правильная) в направлении оси Ox: любая прямая, проходящая через внутреннюю точку области и параллельная оси Oх, пересекает границу в двух точках.
Область, правильную (простую) в направлении обеих осей, будем называть правильной.
О
граниченную
замкнутую область
,
правильную в направлении оси Oy,
можно описать неравенствами
.
Числа
и
существуют вследствие ограниченности
области
,
функция
образована нижними точками пересечения
прямой
при
с границей области
,
функция
- верхними точками пересечения этой
прямой с границей области
:
Аналогичным
образом область
,
ограниченную, замкнутую и правильную
в направлении оси Oх,
можно описать неравенствами
.
Функция
образована левыми точками пересечения
прямой
при
с границей области
,
функция
- правыми точками пересечения этой
прямой с границей области
.
Для
правильной области (т.е. области,
правильной в направлении обеих осей)
существуют оба способа представления:
и
,
и
.
Двукратный (повторный) интеграл. Пусть - область, простая в направлении оси Oy. Рассмотрим выражение
.
Эта конструкция определяется через
два обычных определённых интеграла.
После интегрирования по у
во внутреннем интеграле (переменная
х
при этом рассматривается как постоянная)
и подстановки по у
в пределах от
до
получается функция, зависящая только
от х,
которая интегрируется в пределах от
a
до b.
В дальнейшем мы будем обычно записывать
этот объект без внутренних скобок:
.
Можно показать, что двукратный интеграл обладает всеми свойствами двойного интеграла:
Свойства линейности
и интегрирования неравенств следуют
из этих свойств определённого интеграла;
интеграл от единичной функции даёт
площадь области
:
;
т
еоремы
об оценке и о среднем следуют из
перечисленных свойств. Единственное
свойство, с которым придётся повозиться
- это свойство аддитивности. Мы докажем
его в простой, но достаточной для нас
форме: если область
разбита на две подобласти
и
прямой, параллельной одной из координатных
осей, то двукратный интеграл по области
равен сумме интегралов по
и
:
.
Первый
случай: прямая
параллельна оси Oy.
Тогда
(аддитивность внешнего интеграла)
.
Второй случай:
прямая
параллельна оси Oх.
Воспользуемся сначала аддитивностью
внешнего интеграла:
(применяем свойство
линейности для внешнего интеграла в
среднем слагаемом и перегруппировываем
сумму)=
(первая фигурная скобка даёт повторный интеграл по , второй - по ) .
Понятно,
что воэможны различные случаи взаимного
расположения прямых
,
,
и функций
,
,
но логика доказательства во всех случаях
такая же.
Обобщим доказанное
свойство. Пусть прямая разбивает область
на две подобласти
и
.
Проведём ещё одну прямую, параллельную
какой-либо координатной оси. Пусть эта
прямая разбивает
на
и
;
- на
и
.
По доказанному,
,
,
поэтому
.
Продолжая рассуждать также, убеждаемся
в справедливости следующего утверждения:
если область
с помощью прямых, параллельных координатным
осям, разбита на подобласти
,
то
.
Теорема о переходе от двойного интеграла к повторному. Пусть - простая в направлении оси Oy область. Тогда двойной интеграл от непрерывной функции по области равна повторному интегралу от той же функции по области :
.
Док-во.
Разобьём область
с помощью прямых, параллельных координатным
осям, на подобласти
.
По доказанному выше,
.
К каждому из итегралов
применим теорему о среднем: в любой
области
найдётся точка
такая, что
.
Следовательно,
.
В последнем равенстве справа стоит
интегральная сумма для двойного интеграла
.
Будем мельчить разбиение области так,
чтобы
.
Вследствие непрерывности функции
по теореме существования интегральная
сумма при этом стремится к двойному
интегралу
,
т.е. в пределе получим
,
что и требовалось доказать.
Если область
правильная
в направлении оси Oх,
то аналогично доказывается формула
.
Если
правильна
в направлении обеих осей, то для вычисления
двойного интеграла можно применять
любую из эти формул:
.
Если область не является правильной, её разбивают на правильные подобласти.
