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