При вычислении кратных интегралов часто возникает необходимость перейти к более простой области интегрирования для упрощения их вычисления, возможно даже ценой некоторого усложнения подынтегральной функции.

Использование полярных координат

Из курса аналитической геометрии известны следующие соотношения между декартовыми и полярными координатами: $x = r\cos\phi,\quad y = r\sin\phi\quad(*)$ .
При этом, $r \geq 0, 0 \leq \phi <2\pi$ . Рассмотрим вспомогательную плоскость $RO\Phi$ , где $r$ и $\phi$ являются декартовыми координатами, и определим на ней множество точек $G$ , такое, что: $G = \{(r, \phi)| r > 0, 0 \leq \phi < 2\pi\}$ .

Тогда формулы $(*)$ определяют непрерывно дифференцируемое отображение $F : G \to \widetilde{XOY}$ , где $\widetilde{XOY} = XOY \setminus\{(0, 0)\}$ .

По определению полярных координат, в декартовой системе координат $XOY$ $r$ задает радиус окружности с центром в начале координат, а $\phi$ определяет луч, исходящий из центра координат, такой что угол между лучом и положительным направлением оси $OX$ равен $\phi$ . С геометрической точки зрения очевидно, что они пересекаются в единственной точке.

Таким образом, любую точку $P = (x_0, y_0)$ из $\widetilde{XOY}$ можно однозначно определить пересечением луча, направленного под углом $\phi_0$ и окружности радиусом $r_0$ , и тогда точка $P’ = (r_0, \phi_0)$ будет единственным прообразом $P$ в $G$ . Очевидно, что любой элемент из $G$ служит прообразом, и что двум различным точкам из $G$ будут соответствовать 2 различные точки из $\widetilde{XOY}$ . Таким образом, отображение $F$ между точками плоскостей $G$ и $\widetilde{XOY}$ взаимно однозначное:

Якобиан полученного отображения будет равен:
$J_F = \begin{array}{|cc|} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \phi} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \phi} \end{array} = \begin{array}{|cc|} \cos{\phi}& -r\sin{\phi} \\ \sin{\phi} & r\cos{\phi} \end{array} = r$

Теперь рассмотрим множество точек $G’$ , полученное добавлением к множеству $G$ отрезка $r = 0$ , т.е. $G’ = \{(r, \phi)| r \geq 0, 0 \leq \phi < 2\pi\}.$ $G’$ уже является прообразом всей плоскости $XOY$ , но на отрезке $r = 0, 0 \leq \phi < 2\pi$ не достигается взаимная однозначность, а $\left|J_F\right| = 0$ . Обратим внимание, что его Жорданова мера равна нулю.

Наконец, пусть дана область $\Omega \subset XOY$ и функция $f$ , непрерывная на измеримом множестве $\overline{\Omega}$ . Ее прообразом при отображении $F$ , заданного формулами $(*)$ , будет некоторая область $\Omega’ \subset G’$ . Если область $\Omega$ не содержит точки O — начала координат, то выполнены все условия теоремы о замене переменной в кратных интегралах, и справедлива формула:

$\iint\limits_{\Omega} f(x, y)\,dxdy = \iint\limits_{\Omega’} f(r\cos{\phi}, r\sin{\phi})r\,drd\phi$
Если же точка

$O \in \Omega$ , то взаимная однозначность и не обращение якобиана в нуль не выполняются на множестве

$r = 0$ , что не влияет на справедливость данной формулы (следует из замечания к указанной теореме).

Пример №1

Вычислить интеграл:
$\iint\limits_{\Omega}(x^2 + y^2)\,dxdy, \Omega = \{(x, y)| y \geq 0, x^2 + y^2 \leq a^2\}.$
Заметим, что в полярных координатах полукруг $\Omega$ будет представлять из себя более простую область интегрирования:

Поэтому, воспользуемся формулой замены переменной и перейдем к полярным координатам:
$\iint\limits_{\Omega}(x^2 + y^2)\,dxdy = \iint\limits_{\Omega’}r^2r\,drd\phi = \int\limits_0\limits^{\pi}\,d\phi\int\limits_0\limits^ar^3\,dr =$ $\int\limits_0\limits^{\pi}\frac{a^4}{4}\,d\phi = \frac{\phi a^4}{4}|_0^{\pi} = \frac{\pi a^4}{4}$ .

[свернуть]

Использование цилиндрических и сферических координат

Рассмотрим теперь пространство $\mathbb{R}^3$ , в котором задана декартова система координат $OXYZ$ . Цилиндрические координаты связанны с декартовыми следующим образом:
$x = r\cos\phi,\quad y = r\sin\phi,\quad z = t\quad(**),$
где $r \geq 0, 0 \leq \phi <2\pi, t \in \mathbb{R}$ (величины $r$ и $\phi$ для любой точки $A = (x, y, z)$ определяются таким же образом, как и в полярных координатах для ее проекции $P’ = (x, y, 0)$ на $XOY$ ). Теперь, аналогично случаю с полярными координатами, рассмотрим вспомогательное пространство $OR\Phi T$ , где $r, \phi, t$ — декартовы координаты, а в нем — множество точек $G = \{(r, \phi, t)| r \geq 0, 0 \leq \phi <2\pi, t \in \mathbb{R}\}$ .

Отображение $F : G \to OXYZ$ , определяемое формулами $(**)$ , является непрерывно дифференцируемым.
$J_F = \begin{array}{|ccc|} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \phi} & \frac{\partial x}{\partial t} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \phi} & \frac{\partial y}{\partial t} \\ \frac{\partial z}{\partial r} & \frac{\partial z}{\partial \phi} & \frac{\partial z}{\partial t} \end{array} = \begin{array}{|ccc|} \cos{\phi}& -r\sin{\phi} & 0 \,\\ \sin{\phi} & r\cos{\phi} & 0 \,\\ 0 & 0 & 1\,\end{array} = r$

Очевидно, что как и в случае с полярными координатами, отображение $F$ — взаимно однозначное, и его якобиан не равен нулю. Данные условия не выполняются только при $r = 0$ , т.е. на множестве $L = \{(r, \phi, t)| r = 0, 0 \leq \phi <2\pi, t \in \mathbb{R}\}$ . Пересечение такого множества с любым другим ограниченным множеством есть ограниченное линейное множество, и жорданова мера этого пересечения равна нулю.

Тогда, если дана область $\Omega \subset OXYZ$ , и функция $f$ непрерывна на измеримом множестве $\overline{\Omega}$ , а $\Omega’ \subset G$ — прообраз данной области при отображении $F$ , то выполнены все условия теоремы о замене, и справедлива следующая формула:

$\iiint\limits_{\Omega} f(x, y, z)\,dxdydz = \iiint\limits_{\Omega’} f(r\cos{\phi}, r\sin{\phi}, t)r\,drd\phi dt$

Наконец, рассмотрим сферические координаты, связанные с декартовыми следующими соотношениями: $x = r\cos{\phi} \cos{\psi},\quad y = r\sin{\phi} \cos{\psi},\quad z = r\sin{\psi}\quad (***),$
где $r \geq 0, 0 \leq \phi < 2\pi, -\frac{\pi}{2} \leq \psi \leq \frac{\pi}{2}$ . Введем вспомогательное пространство $OR\Phi\Psi$ , где $r, \phi, \psi$ — декартовы координаты, а в нем рассмотрим множество точек $G = \{(r, \phi, \psi)| r \geq 0, 0 \leq \phi < 2\pi -\frac{\pi}{2} \leq \psi \leq \frac{\pi}{2}\}$ .

Отображение $F : G \to OXYZ$ , определяемое формулами $(***)$ , непрерывно дифференцируемо.
$J_F = \begin{array}{|ccc|} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \phi} & \frac{\partial x}{\partial \psi} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \phi} & \frac{\partial y}{\partial \psi} \\ \frac{\partial z}{\partial r} & \frac{\partial z}{\partial \phi} & \frac{\partial z}{\partial \psi} \end{array} = \begin{array}{|ccc|} \cos{\phi}\cos{\psi}& -r\sin{\phi}\cos{\psi} & -r\cos{\phi}\sin{\psi} \,\\ \sin{\phi}\cos{\psi} & r\cos{\phi}\cos{\psi} & -r\sin{\phi}\sin{\psi} \,\\ \sin{\psi} & 0 & r\cos{\psi}\,\end{array} =$ $r^2\cos{\psi}$ .

Взаимная однозначность данного отображения устанавливается по тем же рассуждениям, что и в предыдущих двух случаях, и не выполняется только при $r = 0, \psi = -\frac{\pi}{2}, \psi = \frac{\pi}{2}$ , когда и якобиан равен нулю. Однако любое подмножество множества, задаваемого такими равенствами, будет представлять собой ограниченную часть плоскости с жордановой мерой нуль в пространстве $OXYZ$ , что не помешает совершить замену.

Тогда, при соответствующих условиях, справедлива формула замены переменной ( $\Omega \subset OXYZ, \Omega’ \subset G$ ):

$\iiint\limits_{\Omega} f(x, y, z)\,dxdydz =$

$\iiint\limits_{\Omega’} f(r\cos{\phi}\cos{\psi}, r\sin{\phi}\cos{\psi}, r\sin{\psi})r^2\cos{\psi}\,drd\phi d\psi$

Пример №2

Вычислить интеграл $\iiint\limits_{\Omega} e^{{(x^2 + y^2 + z^2)}^{\frac{3}{2}}}\,dxdydz$ , где граница области $\Omega$ задается уравнением $x^2 + y^2 + z^2 = 1$ .

Область интегрирования представляет собой шар радиуса $1$ с центром в начале координат. Следовательно, будет удобно воспользоваться переходом к цилиндрической системе координат. В ней новая область интегрирования $\Omega'$ будет определятся следующими неравенствами: $0 \leq \phi \leq 2\pi,\quad -\frac{\pi}{2} \leq \psi \leq \frac{\pi}{2},\quad 0 \leq r \leq 1$ . Воспользуемся формулой замены переменной для сферических координат:
$\iiint\limits_\Omega e^{(x^2 + y^2 + z^2)^{\frac{3}{2}}}\,dxdydz =$ $\iiint\limits_{\Omega’} e^{r^{2^{\frac{3}{2}}}}r^2\cos{\psi} \,drd\phi d\psi = \int\limits_0\limits^{2\pi}\,d\phi\int\limits_0\limits^1e^{r^3}r^2\,dr\int\limits_{-\frac{\pi}{2}}\limits^{\frac{\pi}{2}}\cos{\psi}\,d\psi =$ $\int\limits_0\limits^{2\pi}\,d\phi\int\limits_0\limits^1e^{r^3}r^2\,dr \cdot (\sin{\psi})|_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} = 2\int\limits_0\limits^{2\pi}\,d\phi\int\limits_0\limits^1\frac{1}{3}e^{r^3}\,d(r^3) =$ $\frac{2}{3}\int\limits_0\limits^{2\pi}\,d\phi \cdot e^{r^3}|_0^1 = \frac{2}{3}(e — 1)\int\limits_0\limits^{2\pi}\,d\phi = \frac{2}{3}(e — 1) \cdot \phi|_0^{2\pi} = \frac{4\pi}{3}(e — 1)$

[свернуть]

Литература

Тест: Использование полярных, цилиндрических и сферических координат для вычисления кратных интегралов

Для закрепления материала, рекомендуется пройти тест по данной теме.

Задание 1 из 5

Сопоставьте каждой системе координат якобиан, соответствующий переходу из декартовой системы координат в данную.

Элементы сортировки

$J_F = \begin{array}{|cc|} \cos{\phi}& -r\sin{\phi}\, \\ \sin{\phi} & r\cos{\phi}\, \end{array}$
$J_F = \begin{array}{|ccc|} \cos{\phi}& -r\sin{\phi} & 0\, \\ \sin{\phi} & r\cos{\phi} & 0\, \\ 0 & 0 & 1\,\end{array}$
$J_F = \begin{array}{|ccc|} \cos{\phi}\cos{\psi}& -r\sin{\phi}\cos{\psi} & -r\cos{\phi}\sin{\psi} \,\\ \sin{\phi}\cos{\psi} & r\cos{\phi}\cos{\psi} & -r\sin{\phi}\sin{\psi} \,\\ \sin{\psi} & 0 & r\cos{\psi}\,\end{array}$

Полярные координаты

Цилиндрические координаты

Сферические координаты

Задание 2 из 5

2.
Пусть $R$ — заданная область интегрирования в декартовых координатах, а $S$ — область интегрирования, получаемая при переходе к полярным координатам. В каких формулах замена переменных при переходе к полярным координатам была выполнена правильно?
- $\iint\limits_R (x^2 + y^2)\,dxdy = \iint\limits_S r^3\,drd\theta$
- $\iint\limits_R (x^2 + y^2)\,dxdy = \iint\limits_S r^2\,drd\theta$
- $\iint\limits_R \sin {\sqrt {x^2 + y^2}}\,dxdy = \iint\limits_S r\sin r\,drd\phi$
- $\iint\limits_R \sin {\sqrt {x^2 + y^2}}\,dxdy = \iint\limits_S r\sin \phi \,drd\phi$
Задание 3 из 5

3.
Расположите данные интегралы в порядке возрастания их значений (для вычисления каждого из них воспользуйтесь переходом к цилиндрическим, сферическим или полярным координатам).
- $\iint\limits_U {xy\,dydx}, U: 1 \leq x^2 + y^2 \leq 5$
- $\iiint\limits_U {\left( {{x^4} + 2{x^2}{y^2} + {y^4}} \right)\,dxdydz} , U: 0 \leq z \leq 1, x^2 + y^2 \leq 1$
- $\iiint\limits_U {\sqrt {{x^2} + {y^2} + {z^2}}\,dxdydz}, U: x^2 + y^2 + z^2 \leq 25$
Задание 4 из 5

4.
Переход к каким координатам (полярным, сферическим или цилиндрическим) наиболее упростит вычисление интеграла $\iiint\limits_U {\left( {{x^4} + 2{x^2}{y^2} + {y^4}} \right)\,dxdydz},$ где область $U$ задается следующим образом: $x^2+y^2 \leq 1, 0 \leq z \leq 1?$
- цилиндрическим
- сферическим
- полярным
Задание 5 из 5

5.
Вычислите c помощью перехода к полярным координатам интеграл $\iint\limits_Uxy^2\,dxdy,$ $U = \{(x, y)| 4 \leq x^2 + y^2 \leq 16, x \geq 0, y \leq 0\}.$ Для обозначения деления используйте символ «/», для обозначения числа $\pi$ — «pi».

Таблица лучших: Переход к полярным, цилиндрическим и сферическим координатам при вычислении кратных интегралов

максимум из 7 баллов
Место	Имя	Записано	Баллы	Результат
Таблица загружается
Нет данных

Сведение двойного интеграла к повторному

Теорема 1

Пусть:

функция $f(x,y)$ интегрируема в некотором прямоугольнике $\Pi = \{ (x,y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d \};$
для любых $x \in [a,b]$ существует интеграл $\int\limits_c^d f(x,y)\,dy.$

Тогда $\int\limits_c^d f(x,y)\,dy$ — интегрируемая на отрезке $[a,b]$ функция от аргумента $x,$ и справедлива следующая формула:

$\iint\limits_{\Pi} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy.$

Доказательство

Спойлер

Рассмотрим произвольное разбиение отрезков $[a,b]$ и $[c,d]$ точками $a = x_0 < x_1 < \ldots < x_n = b$ и $c = y_0 < y_1 < \ldots < y_m = d.$ Если $\Delta{x_1}, \ldots , \Delta{x_n}$ и $\Delta{y_1}, \ldots , \Delta{y_m}$ — соответствующие промежутки, образующие разбиения данных отрезков, то $\Pi = \bigcup\limits_{i=1}^n \bigcup\limits_{j=1}^m \Pi_{ij},$ где $\Pi_{ij} = \{(x,y): x \in \Delta{x_i}, y \in \Delta{y_j}\}.$

Положим $M_{ij} = \sup\limits_{(x,y) \in \Pi_{ij}} f(x,y),$ $m_{ij} = \inf\limits_{(x,y) \in \Pi_{ij}} f(x,y).$ Так как по условию теоремы интеграл $\int\limits_c^d f(x,y)\,dy$ существует для любых $x \in [a,b],$ то при $x \in \Delta{x_i}$ справедливы следующие неравенства:
$m_{ij} \Delta{y_j} \leq \int\limits_{y_{j-1}}^{y_j} f(x,y)\,dy \leq M_{ij} \Delta{y_j}.$
Суммируя эти неравенства по $j$ -му индексу, получаем
$\sum_{j=1}^m{m_{ij} \Delta{y_j}} \leq \int\limits_c^d f(x,y)\,dy \leq \sum_{j=1}^m{M_{ij} \Delta{y_j}}. \;(1)$

Введем следующие обозначения:

$F(x) = \int\limits_c^d f(x,y)\,dy,$ $M_i = \sup\limits_{x \in \Delta{x_i}} F(x),$ $m_i = \inf\limits_{x \in \Delta{x_i}} F(x).$

Тогда из $(1)$ следует, что
$\sum_{j=1}^m{m_{ij} \Delta{y_j}} \leq m_i \leq M_i \leq \sum_{j=1}^m{M_{ij} \Delta{y_j}},$
$0 \leq M_i \> — \> m_i \leq \sum_{j=1}^m{(M_{ij} \> — \> m_{ij}) \Delta{y_j}}. \;(2)$

Умножая неравенство $(2)$ на $\Delta{x_i}$ и вводя суммирование по $i$ -му индексу, получаем следующее:

$0 \leq \sum\limits_{i=1}^n{(M_i \> — \> m_i) \Delta{x_i}} \leq$ $\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m {(M_{ij} \> — \> m_{ij}) \, m(\Pi_{ij})} =$

$= S_T(f, \Pi) \> — \> s_T(f, \Pi) \rightarrow 0$ при $\max\limits_{i = \overline{1,n}} |\Delta{x_i}| \rightarrow 0,$

так как функция $f(x,y)$ интегрируема в прямоугольнике $\Pi.$ Но тогда и $\sum\limits_{i=1}^n{(M_i \> — \> m_i) \Delta{x_i}} \rightarrow 0$ при $\max\limits_{i = \overline{1,n}} |\Delta{x_i}| \rightarrow 0$ и, в силу критерия интегрируемости, функция $F(x)$ интегрируема на отрезке $[a,b],$ а значит, существует повторный интеграл
$\int\limits_a^b F(x)\,dx = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy.$

Покажем теперь, что он равен двойному интегралу. Интегрируя неравенства $(1)$ , получаем:

$\sum\limits_{j=1}^m m_{ij} \Delta x_i \Delta y_j \leq \int\limits_{x_{i-1}}^{x_i} dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy \leq$ $\sum\limits_{j=1}^m M_{ij} \Delta x_i \Delta y_j.$

Выполнив суммирование по индексу $i,$ получаем неравенство:
$s_T \leq \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y) \, dy \leq S_T.$

Поскольку
$s_T \leq \iint\limits_{\Pi} f(x,y) \,dx\,dy \leq S_T,$
а ввиду произвольного выбора разбиения разность $S_T \> — \> s_T$ может быть сделана сколь угодно малой, то
$\iint\limits_{\Pi} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy.$

Теорема доказана.

[свернуть]

Следствие 1

Пусть:

существует двойной интеграл $\iint\limits_{\Pi} f(x,y)\,dx\,dy;$
для любых $x \in [a,b]$ существует интеграл $\int\limits_c^d f(x,y) \, dy;$
для любых $y \in [c,d]$ существует интеграл $\int\limits_a^b f(x,y) \, dx.$

Тогда справедлива формула

$\iint\limits_{\Pi} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy =$ $\int\limits_c^d dy \int\limits_a^b f(x,y)\,dx. \; (3)$

Следствие 2

Непрерывность функции $f(x,y)$ в прямоугольнике $\Pi$ влечет выполнимость условий следствия 1, а значит, справедлива формула $(3).$

Если функция $\psi (x)$ интегрируема на отрезке $[a,b],$ то формула $(3)$ остается справедливой при замене функции $f(x,y)$ на $\psi (x) f(x,y).$

Определение 1

Пусть:

$\phi (x)$ и $\psi (x)$ — функции, непрерывные на отрезке $[a,b];$
для любых $x \in (a,b)$ выполняется неравенство $\phi (x) < \psi (x).$

Тогда область (рисунок 1)

$\Omega = \{(x,y): \phi (x) < y < \psi (x), a < x < b\}$
будем называть элементарной относительно оси

$y.$

Поскольку граница области

$\delta \Omega$ состоит из графиков непрерывных функций, то

$\Omega$ — измеримая по Жордану область.

Теорема 2

Пусть:

$\Omega$ — элементарная область относительно оси $y;$
функция $f(x,y)$ интегрируема на области $\overline{\Omega} = \Omega \cup \delta \Omega;$
для любых $x \in [a,b]$ существует интеграл $\int\limits_{\phi(x)}^{\psi(x)} f(x,y)\,dy.$

Тогда справедлива следующая формула:

$\iint\limits_{\Omega} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_{\phi(x)}^{\psi(x)} f(x,y)\,dy. \;(4)$

Доказательство

Спойлер

Положим
$c = \min_{x \in [a,b]} \phi(x), \; d = \max_{x \in [a,b]} \psi(x).$
Область $\Omega$ (рисунок 2) лежит в прямоугольнике $\Pi = \{ (x,y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d \}.$

Определим функцию $F(x,y)$ следующим образом:
$F(x,y) = \left\{\begin{matrix} f(x,y), & (x,y) \in \Omega, \\ 0, & (x,y) \in \Pi \setminus \Omega. \end{matrix}\right. \; (5)$
Так как функция $(5)$ интегрируема на множествах $\overline{\Omega}$ и $\Pi \setminus \overline{\Omega},$ то существует двойной интеграл $\iint\limits_\Pi F(x,y) \, dx \, dy$ (см. свойство аддитивности интеграла).

Аналогично из существования интегралов $\int\limits_c^{\phi(x)} F(x,y) \, dy,$ $\int\limits_{\phi(x)}^{\psi(x)} F(x,y) \, dy$ и $\int\limits_{\psi(x)}^{d} F(x,y) \, dy$ для любых $x \in [a,b]$ следует, что при любом $x \in [a,b]$ существует интеграл $\int\limits_c^d F(x,y) \, dy.$

Таким образом, выполнены все условия теоремы 1, поэтому имеем равенство
$\iint\limits_\Pi F(x,y) \,dx \,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d F(x,y) \, dy.$
Подставляя в него выражение $(5),$ получаем формулу $(4).$ Теорема доказана.

[свернуть]

Пример 1

Вычислить двойной интеграл $\iint\limits_G x^2 \, dx\,dy$ по области $G = \{(x,y): -1 < x < 1, x^2 < y < 2 \}$ (рисунок 3).

Решение

Спойлер

Воспользуемся теоремой 2. Применим формулу $(4),$ принимая во внимание, что $a = -1,$ $b = 1$ и $\phi(x)=x^2,$ $\psi(x)=2:$

$\iint\limits_G x^2\,dx\,dy =$ $\int\limits_{-1}^1 dx \int\limits_{x^2}^2 x^2\,dy =$ $\int\limits_{-1}^1 x^2 (2-x^2)\,dx =$ $2 \left(2 \int\limits_0^1 x^2 \,dx \> -\> \int\limits_0^1 x^4\,dx \right) =$ $2 \left(\frac{2}{3} \> — \> \frac{1}{5} \right) =$ $\frac{14}{15}.$

[свернуть]

Пример 2

Свести к повторному интеграл $\iint\limits_G f(x,y) \, dx \, dy,$ где $G$ — область, ограниченная окружностями $x^2 + y^2 = 4$ и $x^2 -2x + y^2 = 0$ (рисунок 4).

Решение

Спойлер

Ось $y$ разбивает область $G$ на три элементарных относительно оси $y$ области. Поэтому

$\iint\limits_G f(x,y) \, dx \, dy =$ $\int\limits_{-1}^{0} dx \int\limits_{-\sqrt{4-x^2}}^{\sqrt{4-x^2}} f(x,y) \,dy +$ $\int\limits_{0}^{1} dx \int\limits_{\sqrt{2x-x^2}}^{\sqrt{4-x^2}} f(x,y) \,dy +$ $\int\limits_{0}^{1} dx \int\limits_{-\sqrt{4-x^2}}^{-\sqrt{2x-x^2}} f(x,y) \,dy.$

[свернуть]

Сведение тройного интеграла к повторному

Определение 2

Область $\Omega \in \mathbb{R}^3$ будем называть элементарной относительно оси $z,$ если

$\Omega = \{(x,y,z): (x,y) \in G \subset \mathbb{R}^2, \phi(x,y) < z < \psi(x,y) \},$
где

$G$ — ограниченная в

$\mathbb{R}^2$ область, а функции

$\phi(x,y)$ и

$\psi(x,y)$ непрерывны на

$\overline{G},$ где

$\overline{G}$ — замыкание области

$G.$

Теорема 3

Если функция $f(x,y,z)$ непрерывна на $\overline{\Omega} = \Omega \cup \delta \Omega,$ где область $\Omega$ элементарна относительно оси $z,$ то справедлива следующая формула:

$\iiint\limits_\Omega f(x,y,z) \, dx \, dy \, dz = \iint\limits_G dx \,dy \int\limits_{\phi(x,y)}^{\psi(x,y)} f(x,y,z) \, dz. \; (6)$

Доказательство

Спойлер

Как и в случае двойного интеграла, рассмотрим сначала ситуацию, когда область $\Omega$ представляет собой прямоугольный параллелепипед $\Theta = \{ (x,y,z) : a \le x \le b,$ $c \le y \le d,$ $e \le z \le f\},$ а его проекцией на плоскость $(x,y)$ является прямоугольник $\Pi = \{ (x,y) : a \le x \le b,$ $c \le y \le d\}.$

Рассмотрим произвольное разбиение отрезков $[a,b],$ $[c,d]$ и $[e,f]$ точками $a = x_0 < x_1 < \ldots < x_n = b,$ $c = y_0 < y_1 < \ldots < y_m = d$ и $e = z_0 < z_1 < \ldots < z_l = f.$ Если $\Delta{x_1}, \ldots , \Delta{x_n},$ $\Delta{y_1}, \ldots , \Delta{y_m}$ и $\Delta{z_1}, \ldots , \Delta{z_l}$ — соответствующие промежутки, образующие разбиения данных отрезков, то $\Theta = \bigcup\limits_{i=1}^n \bigcup\limits_{j=1}^m \bigcup\limits_{k=1}^l \Theta_{ijk},$ а $\Pi = \bigcup\limits_{i=1}^n \bigcup\limits_{j=1}^m \Pi_{ij},$ где $\Theta_{ijk} = \{(x,y,z): x \in \Delta{x_i},$ $y \in \Delta{y_j},$ $z \in \Delta{z_k}\},$ $\Pi_{ij} = \{(x,y): x \in \Delta{x_i},$ $y \in \Delta{y_j}\}.$

Положим $M_{ijk} = \sup\limits_{(x,y,z) \in \Theta_{ijk}} f(x,y,z),$ $m_{ijk} = \inf\limits_{(x,y,z) \in \Theta_{ijk}} f(x,y,z).$ Тогда для любых $z \in \Delta z_k$ справедливы следующие неравенства:

$m_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j} \leq$ $\iint\limits_{\Pi_{ij}} f(x,y,z)\,dx\,dy \leq$ $M_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j}.$

Зафиксируем произвольное $z = \xi_k \in \Delta z_k.$ Суммируя эти неравенства по индексам $i$ и $j,$ получаем

$\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m {m_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j}} \leq$ $\iint\limits_{\Pi} f(x,y,\xi_k)\,dx\,dy \leq$ $\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m {M_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j}}.$

Почленно умножая полученные неравенства на $\Delta{z_k}$ и вводя суммирование по $k$ -му индексу, получаем следующее:

$\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m \sum\limits_{k=1}^l {m_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j} \Delta{z_k}} \leq$ $\sum\limits_{k=1}^l \iint\limits_{\Pi} f(x,y,\xi_k)\,dx\,dy\,\Delta{z_k} \leq$ $\sum\limits_{i=1}^n \sum\limits_{j=1}^m \sum\limits_{k=1}^l {M_{ijk} \Delta{x_i} \Delta{y_j} \Delta{z_k}}.$

Крайние члены неравенств представляют собой суммы Дарбу $s_T$ и $S_T$ для интеграла $\iiint\limits_\Theta f(x,y,z) \, dx \, dy \, dz,$ поэтому $s_T, \, S_T \rightarrow \iiint\limits_\Theta f(x,y,z) \, dx \, dy \, dz$ при $\Delta{x_i}, \, \Delta{y_j}, \, \Delta{z_l} \rightarrow 0,$ а значит, к интегралу $\iiint\limits_\Theta f(x,y,z)$ будет стремиться и сама интегральная сумма $\sum\limits_{k=1}^l \iint\limits_{\Pi} f(x,y,\xi_k)\,dx\,dy\,\Delta{z_k}.$ Таким образом, справедлива следующая формула:
$\iiint\limits_\Theta f(x,y,z) \, dx \, dy \, dz = \iint\limits_\Pi dx \,dy \int\limits_e^f f(x,y,z) \, dz.$

Для случая же произвольной области $\Omega = \{(x,y,z): (x,y) \in G \subset \mathbb{R}^2, \phi(x,y) < z < \psi(x,y) \}$ достаточно определить функцию $F(x,y,z),$ действующую следующим образом: $F(x,y) = \left\{\begin{matrix} f(x,y,z), & (x,y,z) \in \Omega, \\ 0, & (x,y,z) \in \Theta \setminus \Omega. \end{matrix}\right. \; (7)$ где $\Theta$ — прямоугольный параллелепипед, включающий в себя область $\Omega.$ В результате приходим к равенству $\iiint\limits_\Theta F(x,y,z) \, dx \, dy \, dz = \iint\limits_\Pi dx \,dy \int\limits_e^f F(x,y,z) \, dz,$ из которого путем подстановки выражения $(7)$ получаем формулу $(6).$

Теорема доказана.

[свернуть]

Пример 3

Вычислить тройной интеграл $\iiint\limits_G z \, dx \, dy \, dz,$ где $G$ — область, ограниченная плоскостями $x + y + z = 1,$ $x = 0,$ $y = 0$ и $z = 0$ (рисунок 5).

Решение

Спойлер

Область $\Omega = \{(x,y,z): 0 < x < 1,$ $0 < y < 1-x,$ $0 < z < 1-x-y\}$ элементарна относительно оси $z.$ Пусть $G$ — область на плоскости $(x,y),$ ограниченная прямыми $x+y=1,$ $x=0$ и $y=0.$ Очевидно, что эта область будет элементарна относительно оси $y.$ Применим теорему 3 и теорему 2:

$\iiint\limits_G z \, dx \, dy \, dz =$ $\iint\limits_G dx\,dy \int\limits_0^{1-x-y} z \,dz =$ $\frac{1}{2} \iint\limits_G (1-x-y)^2 \,dx\,dy=$ $\frac{1}{2} \int\limits_0^1 dx \int\limits_0^{1-x} (y+x-1)^2 \,dy =$ $\frac{1}{6} \int\limits_0^1 (y+x-1)^3 \bigg|_0^{1-x}\,dx =$ $\frac{1}{6} \int\limits_0^1 (1-x)^3 \,dx =$ $-\frac{1}{24} (1-x)^4 \bigg|_0^1 =$ $\frac{1}{24}.$

[свернуть]

Источники

А. М. Тер-Крикоров, М. И. Шабунин. Курс Математического анализа, с. 460–468
Г. М. Фихтенгольц. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т. 3, с. 644–646
Конспект лекций Лысенко З. М.

Тест

Проверьте свои знания по теме, пройдя этот небольшой тест.

Задание 1 из 6

1.
Какое из перечисленных условий необязательно для того, чтобы можно было применить формулу $\iint\limits_{\Omega} f(x,y) \, dx \, dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_{\phi (x)}^{\psi (x)} f(x,y) \, dy$ ?
- интеграл $\int\limits_{\phi (x)}^{\psi (x)} f(x,y) \, dy$ существует для любых $x \in [a,b]$
- функция $f(x,y)$ дифференцируема на области $\Omega$
- область $\Omega$ является элементарной относительно оси $y$
- функция f(x,y) интегрируема на области $\overline{\Omega} = \Omega \cup \delta \Omega$
Правильно

Неправильно
Задание 2 из 6

2.
Какой должна быть область $\Omega$ , чтобы выполнялось равенство $\iint\limits_{\Omega} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_{\phi(x)}^{\psi(x)} f(x,y)\,dy$ ?
Правильно

Неправильно
Задание 3 из 6

3.
Какие условия из приведенных ниже должны выполняться для того, чтобы была справедлива формула $\iint\limits_{\Pi} f(x,y)\,dx\,dy = \int\limits_a^b dx \int\limits_c^d f(x,y)\,dy$ ?
- для любых $x$ из отрезка $[a,b]$ существует интеграл $\int\limits_c^d f(x,y)\,dy$
- функция $f(x,y)$ непрерывна на прямоугольнике $\Pi = \{ (x,y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d \}$
- для любых $y$ из отрезка $[c,d]$ существует интеграл $\int\limits_a^b f(x,y) \, dx$ .
- функция $f(x,y)$ интегрируема в прямоугольнике $\Pi = \{ (x,y): a \leq x \leq b, c \leq y \leq d \}$
Правильно

Непрерывность функции $f(x,y)$ на прямоугольнике $\Pi$ и существование интеграла $\int\limits_a^b f(x,y) \, dx$ для $\forall y \in [c,d]$ — это условия, необходимые для выполнения следствий из данной формулы.

Неправильно

Непрерывность функции $f(x,y)$ на прямоугольнике $\Pi$ и существование интеграла $\int\limits_a^b f(x,y) \, dx$ для $\forall y \in [c,d]$ — это условия, необходимые для выполнения следствий из данной формулы.
Задание 4 из 6

4.
Заполните пропуски в приведенном определении.
- Область $\Omega$ из пространства $\mathbb R ^3$ называется относительно оси $z$ , если она представима в виде $\Omega =$ { $(x,y,z): (x,y) \in G \subset \mathbb R ^2,$ $\phi(x,y) < z < \psi(x,y)$ } , где $G$ — в $\mathbb R ^2$ область, а функции $\phi (x,y)$ и $\psi (x,y)$ на замыкании области $G$ .
Правильно

Неправильно
Задание 5 из 6

5.
Расположите области таким образом, чтобы значения интегралов $\iint\limits_{\Omega_i}xy \, dx \,dy$ шли в порядке убывания.
- $\Omega = \{0 \le x \le 1, \, x \le y \le 3x \}$
- $\Omega = \{0 \le x \le 1, \, x \le y \le 2x \}$
- $\Omega = \{0 \le x \le 1, \, x^2 \le y \le x \}$
- $\Omega = \{-1 \le x \le 0, \, x^2 \le y \le x \}$
Правильно

Значения интегралов равны соответственно $\frac{15}{24}$ , $\frac{5}{24}$ , $\frac{1}{24}$ , $-\frac{1}{24}$ .

Неправильно

Значения интегралов равны соответственно $\frac{15}{24}$ , $\frac{5}{24}$ , $\frac{1}{24}$ , $-\frac{1}{24}$ .

Задание 6 из 6

Установите соответствия между тройными интегралами $\iiint\limits_{G} f_i (x,y,z)\,dx\,dy\,dz$ и их значениями. Область $G$ изображена на рисунке 6.

Элементы сортировки

$\frac{1}{2}$
$\frac{1}{20}$
$\frac{1}{24}$
$\frac{7}{12}$

$f(x,y,z) = 1$

$f(x,y,z) = z^3$

$f(x,y,z) = yz$

$f(x,y,z) = x + y + z$

Правильно

Здесь область $G = \{0 \le x \le 1, \,0 \le y \le 1,\, 0 \le z \le 1-y\}.$

Неправильно

Здесь область $G = \{0 \le x \le 1, \,0 \le y \le 1,\, 0 \le z \le 1-y\}.$

Средний результат
Ваш результат

Средний результат
Ваш результат

Использование полярных координат

Использование цилиндрических и сферических координат

Литература

Навигация (только номера заданий)

Информация

Тест: Использование полярных, цилиндрических и сферических координат для вычисления кратных интегралов

Результаты

Рубрики

1.

Элементы сортировки

2.

3.

4.

5.

Таблица лучших: Переход к полярным, цилиндрическим и сферическим координатам при вычислении кратных интегралов

Сведение двойного интеграла к повторному

Теорема 1

Доказательство

Следствие 1

Следствие 2

Определение 1

Теорема 2

Доказательство

Пример 1

Решение

Пример 2

Решение

Сведение тройного интеграла к повторному

Определение 2

Теорема 3

Доказательство

Пример 3

Решение

Источники

Тест

Навигация (только номера заданий)

Информация

Результаты

Рубрики

1.

2.

3.

4.

5.

6.

Элементы сортировки