- •Двойные интегралы.
- •2. Тройные интегралы.
- •Криволинейный интеграл первого рода.
- •2. Криволинейный интеграл второго рода.
- •Связь между криволинейным интегралом второго рода вдоль замкнутой кривой на плоскости и двойным интегралом. Формула Грина.
- •Условие независимости криволинейного интеграла второго рода от пути интегрирования на плоскости.
- •Поверхностный интеграл первого рода.
- •2. Поверхностный интеграл второго рода.
- •Условие независимости криволинейного интеграла второго рода от пути интегрирования в пространстве.
- •Связь криволинейного интеграла второго рода по замкнутой кривой в пространстве с поверхностным интегралом. Формула Стокса.
- •5. Связь интеграла по замкнутой поверхности с тройным интегралом по телу, ограниченному этой поверхностью. Формула Гаусса-Остроградского.
2. Тройные интегралы.
Кубируемые тела.
В теории тройного интегрирования по телу в пространстве большую роль играет понятие объема тела. Простейшим телом, имеющим объем, является прямоугольный параллелепипед, объем которого равен произведению длин трех взаимно ортогональных сторон. Кроме того, в разделе «Двойные интегралы» был определен объем цилиндроида, выпуклого в направлении оси OZ. Кубируемым телом будем называть такое тело, которое разрезами вдоль конечного числа цилиндрических поверхностей с образующими, параллельными осям координат (в том числе, разрезами вдоль плоскостей) может быть разбито на конечное число прямоугольных параллелепипедов со сторонами, параллельными координатным плоскостям и цилиндроидов, выпуклых в направлении координатных осей. В настоящем разделе рассматриваются только кубируемые тела и их кубируемые фрагменты.
Задача о вычислении массы неоднородного тела.
Рассмотрим
тяжелое материальное неоднородное тело
в пространстве XYZ.
Плотностью вещества, из которого состоит
тело, назовем
,
где
–
объем кубируемого фрагмента, содержащего
точку с координатами
,
–
масса этого фрагмента,
–
диаметр фрагмента. Вследствие
неоднородности плотность зависит от
местоположения точки, то есть является
функцией координат
.
Будем предполагать, что
,
– непрерывная функция.
Разделим область
на
кубируемых фрагментов. Пусть
- один из этих фрагментов. Выберем внутри
этого фрагмента точку
Обозначим через
массу вещества внутри
,
через
–
объем
.
В силу непрерывности плотности при
достаточно малом диаметре фрагмента
можно считать, что
Это выполним для всех частей, на которые
мы разбили тело. Складывая полученные
произведения, найдем массу
тела с объемом
:
Точное значение массы найдем, если справа перейдем к пределу, когда число разбиений стремится к бесконечности, а все частичные области стягиваются в точку, то есть наибольший из диаметров фрагментов, называемый диаметром разбиения, стремится к нулю:
Определение тройного интеграла.
Пусть в точках
тела
в пространстве XYZ
задана функция
Тело
разобьем на
кубируемых частей с объемами
Внутри
-ой
части с объемом
возьмем произвольную точку
,
в ней вычислим значение заданной функции
то есть найдем
Это значение умножим на объем
Это проделаем со всеми частями, на
которые мы разбили область
и образуем сумму
Эта сумма
называется интегральной суммой для
функции
по телу
.
Диаметром фрагмента
назовем наибольшее расстояние между
двумя точками фрагмента. Диаметром
разбиения назовем
.
Если существует предел интегральной
суммы, когда
стремится к бесконечности, а диаметр
разбиения стремится к нулю, то функцию
называют интегрируемой по телу (или по
объему)
,
а сам предел называется тройным интегралом
от функции
по телу
и обозначается
Итак, по определению
Очевидно, что
в случае
получим
,
где
–
объем тела
.
Любая непрерывная функция интегрируема по кубируемому телу . Существуют функции, не являющиеся непрерывными в , но также интегрируемые по , например, функции, имеющие разрыв первого рода на части границы кубируемого фрагмента тела .
Свойства тройного интеграла.
Тройной интеграл обладает свойствами, аналогичными свойствам
двойного интеграла.
1. Тройной интеграл от суммы конечного числа функций равен сумме тройных интегралов от слагаемых функций
.
2. Постоянный множитель можно вынести за знак интеграла
.
3. Если
, то
.
4. Если M
и m
есть соответственно наибольшее и
наименьшее значения функции
то
.
5. Если функция
непрерывна, тело
замкнуто, то в
найдется по крайней мере одна точка
,
для которой справедливо равенство
,
где – объем тела (теорема о среднем).
6. Если тело
разбито на два кубируемых фрагмента
и
,
то
.
Вычисление тройного интеграла.
Как и в случае двойного интеграла, вычисление тройного интеграла по кубируемому телу сводится к вычислению повторного интеграла.
Рассмотрим
сначала случай, когда тело
представляет собой цилиндр, в основании
которого лежит квадрируемая область
,
с граничными образующими, параллельными
оси OZ
и высотой
.
Проекцией
на ось OZ
является отрезок
. Пусть
– непрерывная в точках
,
и следовательно, интегрируемая по
функция. Это значит, что предел интегральных
сумм не зависит от способа разбиения
тела
и от выбора точек внутри фрагментов
разбиения. Разобьем область
на квадрируемые подобласти
с площадями
.
Разобьем отрезок
на
равных частей. Проводя цилиндрические
поверхности с образующими, параллельными
оси OZ
и направляющими – границами подобластей
и проводя плоскости
мы разобьем тело
на
кубируемых цилиндров
,
являющихся фрагментами тела
.
Выберем точки
и выберем точки
.
Очевидно, что
Диаметр полученного разбиения тела
равен
,
где
–
диаметр разбиения области
на подобласти
.
Составим интегральную сумму
.
Согласно условию
интегрируемости существует предел этой
интегральной суммы при
.
Рассмотрим в правой части последнего
равенства сумму, стоящую внутри, по
параметру
.
При фиксированной точке
внутренняя
сумма представляет собой интегральную
сумму для функции
по
отрезку
.
Перейдем к пределу при
не одновременно, а последовательно:
сначала
в то время, пока
фиксировано.
При этом внешняя сумма становится
интегральной суммой для непрерывной
функции
по области
.
Затем мы перейдем к пределу для внешней
суммы. В результате мы получим
Таким образом, тройной интеграл приведен к повторному: внешнему двойному интегралу по области и внутреннему – по отрезку . В свою очередь, внешний двойной интеграл также сводится вычислению повторного интеграла.
Полученная
формула справедлива и в случае, когда
интегрируема
по телу
и, рассматриваемая как функция переменной
,
имеет конечное число разрывов первого
рода на отрезке
.
Мы рассмотрели
частный случай, когда тело представляет
собой цилиндр. Пусть теперь тело
выпукло в направлении оси OZ
и проецируется на область
в плоскости XOY.
Пусть уравнения нижней и верхней
граничных поверхностей тела
и
соответственно.
Найдем
.
Определим в проецирующемся на отрезок
цилиндре
с основанием
функцию
следующим образом:
,
если
,
в остальных точках
.
Применяя для функции полученную формулу сведения тройного интеграла к повторному, получим
Опишем вычисление тройного интеграла в случае, когда – выпуклое в направлении осей OY и OZ тело.
Пусть уравнения
поверхностей, ограничивающих тело снизу
и сверху (в направлении движения по оси
OZ)
соответственно,
и
.
Пусть уравнения кривых, ограничивающих
область
снизу и сверху (в направлении движения
вдоль оси OY)
и
.
Тогда
.
Сначала вычисляем
внутренний интеграл от функции
по
,
считая
и
постоянными Используем формулу Ньютона
–Лейбница, подставляя вместо верхнего
предела
,
а нижнего
.
В результате имеем функцию, зависящую
только от
и
.
Далее от полученной функции берем
интеграл по
,
считая
постоянной. Используем формулу
Ньютона-Лейбница, взяв в качестве
верхнего предела
и нижнего
.
В результате получаем функцию, зависящую
только от
.
Подсчитав от нее интеграл по отрезку
,
получим число равное искомому тройному
интегралу.
Аналогично сводится к повторному интегрированию тройной интеграл для тела , выпуклого в направлении двух любых координатных осей. В случае, когда тело не обладает таким свойством, разрежем его на фрагменты, выпуклые в направлении двух координатных осей, по плоскостям или цилиндрическим поверхностям с образующими, параллельными осям координат. Последнее возможно вследствие кубируемости .
П р и м е р ы.
Вычислить
,
где
-
тело, ограниченное плоскостями:
.
Р е ш е н и е.
Проекцией тела на плоскость
является область
,
ограниченная прямыми
.
Тогда
Вычислить
где
- тело, ограниченное снизу параболоидом
вращения
,
а сверху плоскостью
.
Р е ш е н и е.
Проекцией тела на плоскость XOY
является круг
,
который и является областью интегрирования
.
Таким образом,
.
Для упрощения вычисления двойного
интеграла перейдем к полярным координатам:
.
Тогда уравнение границы области
примет вид
.
В результате имеем
3. Вычислить интеграл
где тело
ограничено поверхностями
.
Замена переменных в тройном интеграле.
Как и в случае
двойного интеграла, при вычислении
тройного интеграла иногда удобно
производить замену переменных. Пусть
,
где
–
прямоугольный параллелепипед со
сторонами, параллельными координатным
осям в пространстве UVW.
Будем предполагать, что функции
,
и
имеют непрерывные частные производные
первого порядка в
,
то есть, отображение непрерывно
дифференцируемо, причем
.
Возьмем малый
прямоугольный параллелепипед в
с вершинами
,
,
,
,
,
,
,
.
При отображении
,
вершины
переходят
в точки
с координатами
,
,
,
,
,
,
.
Если
малы, то вследствие непрерывной
дифференцируемости отображения образы
сторон прямоугольного параллелепипеда
мало отличаются от прямых, а тело
близко к параллелепипеду, построенному
на векторах
,
,
,
координаты которых представляют собой
приращения функций
в точке
по каждому из аргументов, и потому
выражены через эти приращения аргументов
по формуле Лейбница:
,
,
где
.
Объем такого параллелепипеда равен модулю смешанного произведения векторов , , , и вследствие непрерывности производных, может быть представлен в виде
,
где
при
.
Пусть теперь
прямоугольный параллелепипед
в плоскости UVW
разбит плоскостями, параллельными
координатным плоскостям, на
малых
прямоугольных параллелепипедов
.
При этом тело
в пространстве XYZ
разобьется на фрагменты
близкие к параллелепипедам.
Подсчитаем сумму объемов этих фрагментов то есть объем тела . В соответствии с полученной выше формулой объем равен
,
где
–
вершины прямоугольных параллелепипедов
,
и
, если диаметр разбиения стремится к
нулю. Поскольку
,
где
–
объем прямоугольного параллелепипеда
,
мы можем получить точное значение
,
измельчая разбиения
и переходя к пределу в предыдущем
выражении для
.
Заметим, что
первое слагаемое в этом выражении
является интегральной суммой для
непрерывной в
функции
,
а второе стремится к нулю при измельчении
разбиений. Таким образом,
,
где
.
Построим теперь
интегральную сумму для произвольной
интегрируемой по
функции
для уже рассмотренного разбиения тела
на
прямоугольные параллелепипеды
.
При этом, согласно полученной формуле
для объема тела в пространстве XYZ,
объем каждого фрагмента
равен
,
где
.
Выберем в каждом
фрагменте
точку
.
Это возможно, так как вследствие
интегрируемости функции мы можем
выбирать произвольную точку внутри
фрагмента
.
В результате интегральная сумма для
получения интеграла
равна
,
и представляет
собой интегральную сумму для функции
по прямоугольному параллелепипеду
.
Очевидно, что диаметры разбиений
и
одновременно стремятся к нулю в силу
непрерывности отображения
.
Поэтому
.
П р и м е р ы.
1. Вычислить
,
где тело
ограничено
конусом
и плоскостью
.
Р е ш е н и е. Если использовать для вычисления декартовы координаты, то появятся радикалы, которые затруднят вычисление. Поэтому введем цилиндрические координаты:
,
.
Пределы изменения
параметров
обусловлены тем, что уравнение конической
поверхности в новых координатах имеет
вид
,
и в пересечении конуса с плоскостью
получим окружность
,
а в
цилиндрических координатах
.
Модуль якобиана преобразования равен
.
Таким образом,
.
2. Вычислить интеграл
,
где тело
ограничено эллипсоидом
.
Р е ш е н и е. В целях упрощения счета введем обобщенные сферические координаты, что позволит избежать радикалов в подынтегральных функциях:
,
так как в обобщенных сферических координатах уравнение поверхности, ограничивающей тело, будет . Вычислим модуль якобиана преобразования:
Итак,
.
3. Вычислить
,
где тело
расположено в октанте
и ограничено
поверхностями
.
Криволинейные интегралы
