Потрійний інтеграл

Контрольная работа - Математика и статистика

Другие контрольные работы по предмету Математика и статистика

;

якобіан перетворення

 

.

 

З формули (8) отримуємо потрійний інтеграл у циліндричних координатах:

 

.(9)

 

Назва циліндричні координати повязана з тим, що координатна поверхня є циліндром, прямолінійні твірні якого паралельні осі .

При переході від прямокутних координат до сферичних

(рис. 4, б), які повязані з формулами

 

Рисунок 4 Координати: а) циліндричні; б) сферичні

;

,

 

якобіан перетворення

 

.

 

З формули (8) знаходимо потрійний інтеграл у сферичних координатах:

 

. (10)

 

Назва сферичні координати повязана з тим, що координатна поверхня є сферою. При обчисленні потрійного інтеграла в циліндричних чи сферичних координатах область , як правило, не будують, а межі інтегрування знаходять безпосередньо за областю , користуючись геометричним змістом нових координат. При цьому рівняння поверхонь та , які обмежують область , записують у нових координатах.

Зокрема, якщо область обмежена циліндричною поверхнею та площинами , то всі межі інтегрування в циліндричній системі координат сталі:

 

 

і не змінюються при зміні порядку інтегрування. Те саме буде у сферичних координатах у випадку, коли куля: або кульове кільце. Наприклад, якщо кульове кільце з внутрішньою сферою , то рівняння цієї сфери в сферичних координатах має вигляд

 

 

або

 

,

 

звідки . Аналогічно рівняння зовнішньої сфери, тому

 

.

 

У випадку, коли куля , у цій формулі слід покласти . Інших будь-яких загальних рекомендацій, коли необхідно переходити до тієї чи іншої системи координат, дати неможливо. Це залежить і від області інтегрування, і від підінтегральної функції. Іноді потрібно написати інтеграл у різних системах координат і лише після цього вирішити, в якій з них обчислення буде найпростішим.

Приклад

1. Обчислити інтеграл , якщо область обмежена поверхнями і .

Розвязання

Область є конусом (рис. 5).

Рисунок 5 Область

 

Рівняння конічної поверхні, яка обмежує область , можна записати у вигляді , а саму область подати таким чином: , де круг радіуса з центром . Тому даний потрійний інтеграл можна звести до послідовного обчислення трьох визначених інтегралів у прямокутних координатах:

 

.

 

Проте зручніше перейти до циліндричних координат . Тоді прообраз круга є прямокутник , прообраз конічної поверхні плоска поверхня , а прообраз області область . Якобіан переходу до циліндричних координат дорівнює , підінтегральна функція в циліндричних координатах дорівнює. Зводячи потрійний інтеграл за областю до послідовного обчислення трьох визначних інтегралів, отримаємо

 

Зазначимо, що розставлення меж інтегрування в циліндричних координатах, як правило, виконують, розглядаючи не область , а зміну циліндричних координат в області . Наочно видно, що в області змінна змінюється від до , при кожному значенні змінна змінюється від до , а для кожної точки області змінна змінюється в області від (значення в області ) до (значення на конічній поверхні).

 

4. Деякі застосування потрійного інтеграла

інтеграл потрійний обчислення змінний

1. Обчислення обємів. Якщо деяке тіло є обмеженою і замкненою

областю , що має обєм , то згідно з формулою (4)

 

.(11)

 

Застосування у механіці. Нехай обмежена замкнена область простору , яку займає деяке матеріальне тіло з густиною , де неперервна функція в області , тоді:

а)маса цього тіла

 

;(12)

б)моменти інерції тіла відносно координатних осей відповідно дорівнюють

 

. (13)

 

Моменти інерції тіла відносно координатних площин обчислюються за формулами

 

.(14)

 

Момент інерції тіла відносно початку координат

 

(15)

 

в) статичні моменти тіла відносно координатних площин обчислюються за формулами

 

;(16)

 

г) координати центра маси тіла визначаються за формулами

 

. (17)

 

Доведення формули (11), як уже зазначалося, випливає з означення потрійного інтеграла:

 

.