Treść wykładu

Transkrypt

Treść wykładu
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Treść wykładu
Definicja całki podwójnej.
Zamiana zmiennych w całce podwójnej.
Zastosowania całki podwójnej.
Definicja całki potrójnej.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja
Podziałem prostokąta
R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d}
(inaczej: R = [a, b] × [c, d])
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja
Podziałem prostokąta
R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d}
(inaczej: R = [a, b] × [c, d])
nazywamy zbiór P złożony z prostokątów R1 , R2 , . . . , Rn które
całkowicie go wypełniają i mają parami rozłączne wnętrza.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja
Podziałem prostokąta
R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d}
(inaczej: R = [a, b] × [c, d])
nazywamy zbiór P złożony z prostokątów R1 , R2 , . . . , Rn które
całkowicie go wypełniają i mają parami rozłączne wnętrza.
Niechq
∆xk , ∆yk będą długościami boków prostokąta Rk ,
dk = (∆xk )2 + (∆yk )2 jego przekątną.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja
Podziałem prostokąta
R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d}
(inaczej: R = [a, b] × [c, d])
nazywamy zbiór P złożony z prostokątów R1 , R2 , . . . , Rn które
całkowicie go wypełniają i mają parami rozłączne wnętrza.
Niechq
∆xk , ∆yk będą długościami boków prostokąta Rk ,
dk = (∆xk )2 + (∆yk )2 jego przekątną.
Średnicą podziału P nazywamy liczbę:
δ(P) = max{dk : 1 ¬ k ¬ n}.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja
Podziałem prostokąta
R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d}
(inaczej: R = [a, b] × [c, d])
nazywamy zbiór P złożony z prostokątów R1 , R2 , . . . , Rn które
całkowicie go wypełniają i mają parami rozłączne wnętrza.
Niechq
∆xk , ∆yk będą długościami boków prostokąta Rk ,
dk = (∆xk )2 + (∆yk )2 jego przekątną.
Średnicą podziału P nazywamy liczbę:
δ(P) = max{dk : 1 ¬ k ¬ n}.
Niech (ξk , ηk ) będzie dowolnie wybranym punktem prostokąta Rk .
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja (suma całkowa funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R oraz
niech P będzie podziałem tego prostokąta.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja (suma całkowa funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R oraz
niech P będzie podziałem tego prostokąta.
Sumą całkową funkcji f nazywamy liczbę
n
X
f (ξk , ηk )∆xk ∆yk .
k=1
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja całki podwójnej po prostokącie
Definicja (suma całkowa funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R oraz
niech P będzie podziałem tego prostokąta.
Sumą całkową funkcji f nazywamy liczbę
n
X
f (ξk , ηk )∆xk ∆yk .
k=1
Pojedyncze składniki powyższej sumy są objętościami
prostopadłościanów, których podstawami są prostokąty Rk , a
wysokościami f (ξk , ηk ).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Rozpatrując ciąg podziałów (Pn ) i przechodząc do granicy
dochodzimy do pojęcia całki:
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Rozpatrując ciąg podziałów (Pn ) i przechodząc do granicy
dochodzimy do pojęcia całki:
Definicja (całka podwójna funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R. Całkę
podwójną funkcji f po prostokącie R określamy wzorem
n
X
ZZ
f (x, y ) dx dy =
lim
δ(P)→0
R
f (ξk , ηk )∆xk ∆yk ,
k=1
o ile ta granica jest właściwa.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Rozpatrując ciąg podziałów (Pn ) i przechodząc do granicy
dochodzimy do pojęcia całki:
Definicja (całka podwójna funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R. Całkę
podwójną funkcji f po prostokącie R określamy wzorem
n
X
ZZ
f (x, y ) dx dy =
lim
δ(P)→0
R
f (ξk , ηk )∆xk ∆yk ,
k=1
o ile ta granica jest właściwa.
Jeżeli całka istnieje, to mówimy, że funkcja jest całkowalna.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Rozpatrując ciąg podziałów (Pn ) i przechodząc do granicy
dochodzimy do pojęcia całki:
Definicja (całka podwójna funkcji po prostokącie)
Niech funkcja f (x, y ) będzie ograniczona na prostokącie R. Całkę
podwójną funkcji f po prostokącie R określamy wzorem
n
X
ZZ
f (x, y ) dx dy =
lim
δ(P)→0
R
f (ξk , ηk )∆xk ∆yk ,
k=1
o ile ta granica jest właściwa.
Jeżeli całka istnieje, to mówimy, że funkcja jest całkowalna.
Każda funkcja ciągła jest całkowalna.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Interpretacja geometryczna
Składnik f (ξk , ηk )∆xk ∆yk sumy całkowej można interpretować
jako objętość prostopadłościanu, którego podstawa jest
prostokątem o wymiarach ∆xk , ∆yk a wysokością jest f (ξk , ηk ).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Interpretacja geometryczna
Składnik f (ξk , ηk )∆xk ∆yk sumy całkowej można interpretować
jako objętość prostopadłościanu, którego podstawa jest
prostokątem o wymiarach ∆xk , ∆yk a wysokością jest f (ξk , ηk ).
Suma całkowa jest zatem przybliżeniem objętości bryły
ograniczonej prostokątem R, powierzchnią z = f (x, y ) i ścianami
bocznymi równoległymi do osi Oz.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Interpretacja geometryczna
Składnik f (ξk , ηk )∆xk ∆yk sumy całkowej można interpretować
jako objętość prostopadłościanu, którego podstawa jest
prostokątem o wymiarach ∆xk , ∆yk a wysokością jest f (ξk , ηk ).
Suma całkowa jest zatem przybliżeniem objętości bryły
ograniczonej prostokątem R, powierzchnią z = f (x, y ) i ścianami
bocznymi równoległymi do osi Oz.
Całka, jako granica tych sum, jest (dokładną) objętością tej bryły.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (własności całki)
1
f (x, y ) = 0 ⇒
RR
f (x, y ) dx dy = 0;
R
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (własności całki)
1
f (x, y ) = 0 ⇒
RR
f (x, y ) dx dy = 0;
R
2
RR
(f (x, y ) + g (x, y )) dx dy =
RRR
R
f (x, y ) dx dy +
RR
g (x, y ) dx dy ;
R
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (własności całki)
1
f (x, y ) = 0 ⇒
RR
f (x, y ) dx dy = 0;
R
2
RR
(f (x, y ) + g (x, y )) dx dy =
RRR
R
3
f (x, y ) dx dy +
RR
g (x, y ) dx dy ;
R
jeżeli
R = R1 ∪ R2 iRR
R1 ∩ R2 = ∅, to RR
RR
f (x, y ) dx dy = f (x, y ) dx dy + f (x, y ) dx dy ;
R
R1
R2
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (własności całki)
1
f (x, y ) = 0 ⇒
RR
f (x, y ) dx dy = 0;
R
2
RR
(f (x, y ) + g (x, y )) dx dy =
RRR
R
f (x, y ) dx dy +
RR
g (x, y ) dx dy ;
R
3
jeżeli
R = R1 ∪ R2 iRR
R1 ∩ R2 = ∅, to RR
RR
f (x, y ) dx dy = f (x, y ) dx dy + f (x, y ) dx dy ;
R
R1
4
RR
cf (x, y ) dx dy = c
R
R2
RR
f (x, y ) dx dy .
R
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (obliczanie całki podwójnej)
Jeżeli R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} jest prostokątem, to
ZZ
f (x, y ) dx dy =
R
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (obliczanie całki podwójnej)
Jeżeli R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} jest prostokątem, to
ZZ
R


Zb Zd
 f (x, y ) dy  dx =
f (x, y ) dx dy =
a
c
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (obliczanie całki podwójnej)
Jeżeli R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} jest prostokątem, to
ZZ
R




Zb Zd
Zd Zb
 f (x, y ) dy  dx =
 f (x, y ) dx  dy .
f (x, y ) dx dy =
a
c
c
Całka podwójna
a
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (obliczanie całki podwójnej)
Jeżeli R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} jest prostokątem, to
ZZ




Zb Zd
Zd Zb
 f (x, y ) dy  dx =
 f (x, y ) dx  dy .
f (x, y ) dx dy =
R
a
c
c
a
Całki występujące w twierdzeniu nazywamy całkami iterowanymi
Iteracja (łac. iteratio — powtarzanie) —- czynność powtarzania tej samej
instrukcji.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie (obliczanie całki podwójnej)
Jeżeli R = {(x, y ) : a ¬ x ¬ b, c ¬ y ¬ d} jest prostokątem, to
ZZ




Zb Zd
Zd Zb
 f (x, y ) dy  dx =
 f (x, y ) dx  dy .
f (x, y ) dx dy =
a
R
c
c
a
Całki występujące w twierdzeniu nazywamy całkami iterowanymi
Iteracja (łac. iteratio — powtarzanie) —- czynność powtarzania tej samej
instrukcji.
Ponieważ zapis jest nieco kłopotliwy, będziemy dalej pisali krócej:
Zb
Zd
dx
a
Zd
f (x, y ) dy ,
c
Zb
dy
c
f (x, y ) dx.
a
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Przykłady. Obliczyć całki
1.
R2
R3
dx (x + xy 2 ) dy ;
1
2.
R3
0
0
3.
RR
R
4.
RR
R
R2
dy (x + xy 2 ) dx;
1
sin(x + y ) dx dy , R = [− π4 , π4 ] × [0, π4 ];
√
xy
x 2 +y 2 +1
dx dy , R = [0, 1] × [0, 1].
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka podwójna po obszarze normalnym
Definicja
Obszarem normalnym względem osi Ox nazywamy obszar
określony nierównościami
a ¬ x ¬ b,
g (x) ¬ y ¬ h(x),
dla pewnych stałych a, b i funkcji g (x), h(x).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka podwójna po obszarze normalnym
Definicja
Obszarem normalnym względem osi Ox nazywamy obszar
określony nierównościami
a ¬ x ¬ b,
g (x) ¬ y ¬ h(x),
dla pewnych stałych a, b i funkcji g (x), h(x).
Analogicznie, obszarem normalnym względem osi Oy nazywamy
obszar określony nierównościami
c ¬ y ¬ d,
k(y ) ¬ x ¬ l(y ),
dla pewnych stałych c, d i funkcji k(y ), l(y ).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jeżeli f (x, y ) jest funkcją określoną w obszarze D normalnym
względem osi Ox, to całkę podwójną po obszarze D określamy
następująco:
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jeżeli f (x, y ) jest funkcją określoną w obszarze D normalnym
względem osi Ox, to całkę podwójną po obszarze D określamy
następująco:
f (x, y ) dx dy =
D
h(x)
Z
Zb
ZZ
f (x, y ) dy .
dx
a
g (x)
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jeżeli f (x, y ) jest funkcją określoną w obszarze D normalnym
względem osi Ox, to całkę podwójną po obszarze D określamy
następująco:
h(x)
Z
Zb
ZZ
f (x, y ) dx dy =
D
f (x, y ) dy .
dx
a
g (x)
Analogicznie, gdy D jest obszarem normalnym względem osi Oy ,
to:
f (x, y ) dx dy =
D
l(y )
Z
Zd
ZZ
dy
c
f (x, y ) dx.
k(y )
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Przykłady.
Obliczyć całki
RR
xy 2 dx dy , D ograniczony krzywymi y = x, y = 2 − x 2 ;
1.
D
2.
RR 2
x y dx dy , D ograniczony krzywymi y = −2, y = x1 ,
D √
y = − −x.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Niech ∆ i D będą obszarami na płaszczyznach Ouv i Oxy
odpowiednio. Przekształceniem obszaru ∆ w obszar D nazywamy
funkcję
T : ∆ −→ D,
T (u, v ) = (x, y ),
gdzie x = ϕ(u, v ), y = ψ(u, v ).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Niech ∆ i D będą obszarami na płaszczyznach Ouv i Oxy
odpowiednio. Przekształceniem obszaru ∆ w obszar D nazywamy
funkcję
T : ∆ −→ D,
T (u, v ) = (x, y ),
gdzie x = ϕ(u, v ), y = ψ(u, v ).
Przykłady. Narysować obrazy T (∆), gdy
1. T (u, v ) = (u + v , u − v ), ∆ = {(u, v ) : 0 ¬ u ¬ 1, 2 ¬ v ¬ 4};
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Niech ∆ i D będą obszarami na płaszczyznach Ouv i Oxy
odpowiednio. Przekształceniem obszaru ∆ w obszar D nazywamy
funkcję
T : ∆ −→ D,
T (u, v ) = (x, y ),
gdzie x = ϕ(u, v ), y = ψ(u, v ).
Przykłady. Narysować obrazy T (∆), gdy
1. T (u, v ) = (u + v , u − v ), ∆ = {(u, v ) : 0 ¬ u ¬ 1, 2 ¬ v ¬ 4};
2. T (u, v ) = (u cos v , u sin v ),
∆ = {(u, v ) : 0 ¬ u ¬ 2, 0 ¬ v ¬ π2 }.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jakobianem przekształcenia T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v ))
nazywamy funkcję:
∂ϕ (u, v )
∂u
J(u, v ) = ∂ψ
∂u (u, v )
∂ϕ
∂v (u, v )
∂ψ
∂v (u, v )
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jakobianem przekształcenia T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v ))
nazywamy funkcję:
∂ϕ (u, v )
∂u
J(u, v ) = ∂ψ
∂u (u, v )
∂ϕ
∂v (u, v )
∂ψ
∂v (u, v )
Inne oznaczenia jakobianu:
∂(ϕ, ψ)
∂(u, v )
lub
D(ϕ, ψ)
D(u, v )
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : ∆ → D, T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v )) przekształca
wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru ∆ na wnętrze
obszaru D;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : ∆ → D, T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v )) przekształca
wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru ∆ na wnętrze
obszaru D;
2
funkcje ϕ, ψ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : ∆ → D, T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v )) przekształca
wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru ∆ na wnętrze
obszaru D;
2
funkcje ϕ, ψ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y ) jest ciągła na D;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : ∆ → D, T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v )) przekształca
wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru ∆ na wnętrze
obszaru D;
2
funkcje ϕ, ψ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y ) jest ciągła na D;
4
jakobian J(u, v ) jest różny od 0 wewnątrz obszaru ∆,
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : ∆ → D, T (u, v ) = (ϕ(u, v ), ψ(u, v )) przekształca
wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru ∆ na wnętrze
obszaru D;
2
funkcje ϕ, ψ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y ) jest ciągła na D;
4
jakobian J(u, v ) jest różny od 0 wewnątrz obszaru ∆,
to
ZZ
ZZ
f (x, y ) dx dy =
D
f (ϕ(u, v ), ψ(u, v ))|J(u, v )| du dv .
∆
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Najczęściej stosujemy zamianę na współrzędne biegunowe, czyli:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Najczęściej stosujemy zamianę na współrzędne biegunowe, czyli:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ.
Wtedy:
J(ρ, ϕ) = ∂x
∂ρ
∂y
∂ρ
∂x
∂ϕ
∂y
∂ϕ
cos ϕ −ρ sin ϕ
=
sin ϕ ρ cos ϕ
Całka podwójna
= ρ,
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Najczęściej stosujemy zamianę na współrzędne biegunowe, czyli:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ.
Wtedy:
J(ρ, ϕ) = ∂x
∂ρ
∂y
∂ρ
∂x
∂ϕ
∂y
∂ϕ
cos ϕ −ρ sin ϕ
=
sin ϕ ρ cos ϕ
a więc
ZZ
f (x, y ) dx dy =
D
Całka podwójna
= ρ,
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Najczęściej stosujemy zamianę na współrzędne biegunowe, czyli:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ.
Wtedy:
J(ρ, ϕ) = ∂x
∂ρ
∂y
∂ρ
∂x
∂ϕ
∂y
∂ϕ
cos ϕ −ρ sin ϕ
=
sin ϕ ρ cos ϕ
= ρ,
a więc
ZZ
ZZ
f (x, y ) dx dy =
D
f (ρ cos ϕ, ρ sin ϕ)ρ dρ dϕ.
∆
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Przykłady.
Obliczyć całki zamieniając współrzędne na biegunowe:
RR
1.
ln(1 + x 2 + y 2 ) dx dy , gdy D jest określony warunkami
D
x 2 + y 2 ¬ 1, x ­ 0, y ­ 0.
Odp.: π4 (2 ln 2 − 1).
2.
RR p
R 2 − x 2 − y 2 dx dy , D: x 2 + y 2 ¬ R 2 .
D
Odp.: 23 πR 3 (objętość półkuli).
3.
RR p
R 2 − x 2 − y 2 dx dy , D: x 2 + y 2 − Rx ¬ 0, y ­ 0.
D
Odp.:
R3 π
3 2
−
2
3
.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Pole obszaru D obliczamy ze wzoru:
ZZ
P=
ZZ
dx dy =
D
ρ dρ dϕ,
∆
gdzie ∆ jest obszarem opisanym we współrzędnych biegunowych.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Pole obszaru D obliczamy ze wzoru:
ZZ
P=
ZZ
dx dy =
D
ρ dρ dϕ,
∆
gdzie ∆ jest obszarem opisanym we współrzędnych biegunowych.
Przykłady. Obliczyć pola:
1. D jest obszarem między krzywymi y = x 2 − 8x + 20, y = x + 2;
2. D jest obszarem ograniczonym lemniskatą
(x 2 + y 2 )2 = 2a2 (x 2 − y 2 ) (zamienić współrzędne na biegunowe);
3. D jest obszarem ograniczonym krzywymi x 2 + (y − 2)2 = 4,
y = x, (y ¬ x) (zamienić współrzędne na biegunowe).
Odp.: π − 2.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Objętość bryły ograniczonej obszarem D ⊂ Oxy , powierzchnią
z = f (x, y ) i prostymi równoległymi do osi Oz:
ZZ
V =
f (x, y ) dx dy .
D
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Objętość bryły ograniczonej obszarem D ⊂ Oxy , powierzchnią
z = f (x, y ) i prostymi równoległymi do osi Oz:
ZZ
V =
f (x, y ) dx dy .
D
Przykłady. Obliczyć objętości brył:
1. ograniczonej płaszczyznami z = 5 − 2x − y , x = 0, y = 0,
z = 0. (odp.: 125/12)
2. ograniczonej powierzchniami z = 4 − x 2 − y 2 , z = 0. (odp.: 8π)
3. wyciętej walcem x 2 + y 2 = Rx z kuli x 2 + y 2 + z 2 = R 2 ;
Odp.: 34 R 3 π2 − 23 .
4. ograniczonej stożkiem x 2 + y 2 = z 2 i paraboloidą
x 2 + y 2 = 6 − z, (z ­ 0).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Przy pomocy całki podwójnej można obliczać również pole płata
powierzchni. Jeżeli z = f (x, y ) jest powierzchnią w przestrzeni, to
pole jej płata leżącego nad obszarem D ⊂ Oxy wyraża się wzorem
S=
ZZ q
1 + (fx0 )2 + (fy0 )2 dx dy .
D
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zastosowania całki podwójnej
Przy pomocy całki podwójnej można obliczać również pole płata
powierzchni. Jeżeli z = f (x, y ) jest powierzchnią w przestrzeni, to
pole jej płata leżącego nad obszarem D ⊂ Oxy wyraża się wzorem
S=
ZZ q
1 + (fx0 )2 + (fy0 )2 dx dy .
D
Przykłady. Obliczyć pole powierzchni:
1. wyciętej walcem x 2 + y 2 = Rx ze sfery x 2 + y 2 + z 2 = R 2
Odp.: S = 2R 2 (π − 2);
2. wyciętej walcem x 2 + y 2 = R 2 ze stożka y 2 + z 2 = x 2 .
Odp.: 2πR 2 .
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Obszarem normalnym Ω w przestrzeni nazywamy obszar
ograniczony od dołu powierzchnią z = p(x, y ), od góry
powierzchnią z = q(x, y ), a po bokach powierzchnią walcową o
tworzących równoległych do osi Oz.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Obszarem normalnym Ω w przestrzeni nazywamy obszar
ograniczony od dołu powierzchnią z = p(x, y ), od góry
powierzchnią z = q(x, y ), a po bokach powierzchnią walcową o
tworzących równoległych do osi Oz.
Rzutem tego obszaru na płaszczyznę Oxy jest obszar płaski D.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Całkę potrójną po Ω określamy wzorem
ZZZ
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Całkę potrójną po Ω określamy wzorem

ZZZ
ZZ
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
q(x,y
Z )


D
p(x,y )
Całka podwójna

f (x, y , z) dz  .

Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Całkę potrójną po Ω określamy wzorem

ZZZ
ZZ
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
q(x,y
Z )


D
f (x, y , z) dz  .
p(x,y )
Jeśli obszar D jest normalny, np.
a ¬ x ¬ b,
g (x) ¬ y ¬ h(x),
Całka podwójna


Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Całka potrójna
Całkę potrójną po Ω określamy wzorem

ZZZ
ZZ
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
f (x, y , z) dz  .



D

q(x,y
Z )
p(x,y )
Jeśli obszar D jest normalny, np.
a ¬ x ¬ b,
g (x) ¬ y ¬ h(x),
to
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
h(x)
Z
Zb
ZZZ
dx
a
q(x,y
Z )
dy
g (x)
f (x, y , z) dz.
p(x,y )
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Przykłady. Obliczyć całki potrójne
1.
RRR
(x + y + z) dx dy dz, Ω ograniczony płaszczyznami x = 0,
Ω
y = 0, z = 0, x = a, y = b, z = c;
2.
RRR
z dx dy dz, Ω ograniczony płaszczyznami x = 0, y = 0,
Ω
z = 0, x + y + z = 1.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Niech Ω0 i Ω będą obszarami w przestrzeniach Ouvw i Oxyz
odpowiednio. Przekształceniem obszaru Ω0 w obszar Ω nazywamy
funkcję
T : Ω0 −→ Ω, T (u, v , w ) = (x, y , z),
gdzie
x = ϕ(u, v , w ), y = ψ(u, v , w ), z = χ(u, v , w ).
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Definicja
Jakobianem przekształcenia
T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w ), χ(u, v , w )) nazywamy
funkcję:
J(u, v , w ) = ∂ϕ
∂u (u, v , w )
∂ψ
∂u (u, v , w )
∂χ
∂u (u, v , w )
∂ϕ
∂v (u, v , w )
∂ψ
∂v (u, v , w )
∂χ
∂v (u, v , w )
Całka podwójna
∂ϕ
∂w (u, v , w )
∂ψ
∂w (u, v , w )
∂χ
∂w (u, v , w )
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : Ω0 → Ω, T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w )χ(u, v , w ))
przekształca wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru Ω0 na
wnętrze obszaru Ω;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
2
T : Ω0 → Ω, T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w )χ(u, v , w ))
przekształca wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru Ω0 na
wnętrze obszaru Ω;
funkcje ϕ, ψ, χ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : Ω0 → Ω, T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w )χ(u, v , w ))
przekształca wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru Ω0 na
wnętrze obszaru Ω;
2
funkcje ϕ, ψ, χ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y , z) jest ciągła na Ω;
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : Ω0 → Ω, T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w )χ(u, v , w ))
przekształca wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru Ω0 na
wnętrze obszaru Ω;
2
funkcje ϕ, ψ, χ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y , z) jest ciągła na Ω;
4
jakobian J(u, v , w ) jest różny od 0 wewnątrz obszaru Ω0 ,
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Twierdzenie
Jeżeli
1
T : Ω0 → Ω, T (u, v , w ) = (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w )χ(u, v , w ))
przekształca wzajemnie jednoznacznie wnętrze obszaru Ω0 na
wnętrze obszaru Ω;
2
funkcje ϕ, ψ, χ mają ciągłe pochodne cząstkowe;
3
funkcja f (x, y , z) jest ciągła na Ω;
4
jakobian J(u, v , w ) jest różny od 0 wewnątrz obszaru Ω0 ,
to
RRR
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
=
RRR
f (ϕ(u, v , w ), ψ(u, v , w ), χ(u, v , w ))|J(u, v , w )| du dv dw .
Ω0
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Często stosujemy zamianę na współrzędne walcowe: punktowi P
przyporządkowujemy liczby ρ, ϕ, h, gdzie ρ, ϕ są współrzędnymi
biegunowymi rzutu punktu P na płaszczyznę Oxy , a h jest
odległością punktu P od płaszczyzny Oxy .
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Często stosujemy zamianę na współrzędne walcowe: punktowi P
przyporządkowujemy liczby ρ, ϕ, h, gdzie ρ, ϕ są współrzędnymi
biegunowymi rzutu punktu P na płaszczyznę Oxy , a h jest
odległością punktu P od płaszczyzny Oxy .
Mamy zatem związki:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ, z = h,
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Często stosujemy zamianę na współrzędne walcowe: punktowi P
przyporządkowujemy liczby ρ, ϕ, h, gdzie ρ, ϕ są współrzędnymi
biegunowymi rzutu punktu P na płaszczyznę Oxy , a h jest
odległością punktu P od płaszczyzny Oxy .
Mamy zatem związki:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ, z = h,
a więc:
cos ϕ −ρ sin ϕ 0 J(ρ, ϕ, h) = sin ϕ ρ cos ϕ 0 = ρ,
0
0
1 Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Często stosujemy zamianę na współrzędne walcowe: punktowi P
przyporządkowujemy liczby ρ, ϕ, h, gdzie ρ, ϕ są współrzędnymi
biegunowymi rzutu punktu P na płaszczyznę Oxy , a h jest
odległością punktu P od płaszczyzny Oxy .
Mamy zatem związki:
x = ρ cos ϕ, y = ρ sin ϕ, z = h,
a więc:
ZZZ
cos ϕ −ρ sin ϕ 0 J(ρ, ϕ, h) = sin ϕ ρ cos ϕ 0 = ρ,
0
0
1 ZZZ
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
f (ρ cos ϕ, ρ sin ϕ, h)ρ dρ dϕ dh.
Ω0
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Również często stosujemy zamianę na współrzędne sferyczne:
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Również często stosujemy zamianę na współrzędne sferyczne:
punktowi P przyporządkowujemy liczby r , ϕ, θ, gdzie r jest
promieniem wodzącym punktu P, tj. jego odległością od początku
układu, ϕ jest takie samo jak we współrzędnych biegunowych, a θ
−→
jest kątem jaki wektor OP tworzy z dodatnią półosią Oz.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Również często stosujemy zamianę na współrzędne sferyczne:
punktowi P przyporządkowujemy liczby r , ϕ, θ, gdzie r jest
promieniem wodzącym punktu P, tj. jego odległością od początku
układu, ϕ jest takie samo jak we współrzędnych biegunowych, a θ
−→
jest kątem jaki wektor OP tworzy z dodatnią półosią Oz.Zatem:
x = r cos ϕ sin θ, y = r sin ϕ sin θ, z = r cos θ.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Również często stosujemy zamianę na współrzędne sferyczne:
punktowi P przyporządkowujemy liczby r , ϕ, θ, gdzie r jest
promieniem wodzącym punktu P, tj. jego odległością od początku
układu, ϕ jest takie samo jak we współrzędnych biegunowych, a θ
−→
jest kątem jaki wektor OP tworzy z dodatnią półosią Oz.Zatem:
x = r cos ϕ sin θ, y = r sin ϕ sin θ, z = r cos θ.
Zatem
cos ϕ sin θ
J(r , ϕ, θ) = sin ϕ sin θ
cos θ
−r sin ϕ sin θ r cos ϕ cos θ
r cos ϕ sin θ r sin ϕ cos θ
0
−r sin θ
Całka podwójna
= r 2 sin θ,
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Również często stosujemy zamianę na współrzędne sferyczne:
punktowi P przyporządkowujemy liczby r , ϕ, θ, gdzie r jest
promieniem wodzącym punktu P, tj. jego odległością od początku
układu, ϕ jest takie samo jak we współrzędnych biegunowych, a θ
−→
jest kątem jaki wektor OP tworzy z dodatnią półosią Oz.Zatem:
x = r cos ϕ sin θ, y = r sin ϕ sin θ, z = r cos θ.
Zatem
cos ϕ sin θ
J(r , ϕ, θ) = sin ϕ sin θ
cos θ
RRR
−r sin ϕ sin θ r cos ϕ cos θ
r cos ϕ sin θ r sin ϕ cos θ
0
−r sin θ
= r 2 sin θ,
f (x, y , z) dx dy dz =
Ω
=
RRR
Ω0
f (r cos ϕ sin θ, r sin ϕ sin θ, r cos θ)r 2 sin θ dr dϕ dθ.
Całka podwójna
Definicja całki podwójnej
Zamiana zmiennych w całce podwójnej
Zastosowania całki podwójnej
Definicja całki potrójnej
Zamiana zmiennych w całce potrójnej
Przykłady. 1. Obliczyć całkę zamieniając współrzędne na walcowe:
ZZZ
z
q
x 2 + y 2 dx dy dz.
Ω
Ω jest określony warunkami 0 ¬ x ¬ 4, 0 ¬ y ¬
0 ¬ z ¬ 2.
√
4x − x 2 ,
2. Obliczyć całkę zamieniając współrzędne na sferyczne:
ZZZ
(x 2 + y 2 ) dx dy dz.
Ω
Ω jest określony warunkami 1 ¬ x 2 + y 2 + z 2 ¬ 4, z ­ 0.
Całka podwójna

Podobne dokumenty