Вычисление двойного интеграла
Двойной интеграл, его вычисление. Криволинейные интегралы.
Содержание лекции: Двойной интеграл, его вычисление по правильной области в декартовых координатах. Криволинейный интеграл первого рода, его вычисление.
Криволинейный интеграл второго рода.
Двойной интеграл
Пусть в ограниченной замкнутой области DÌR2 задана непрерывная функция .
Разобьем D на n частей Di, площадь Di обозначим DSi, а
ln = .
В каждой области Di произвольным образом возьмем точку ÎDi и вычислим f(Pi). Составим – интегральную сумму для функции по области D. Будем рассматривать последовательность {sn} интегральных сумм, соответствующую различным разбиениям таким, что ln ® 0 при n ® ¥ (нормальная последовательность разбиений).
Определение 22. 1.
Если существует конечный предел последовательности {sn} при ln® 0, не зависящий ни от способа разбиения области D, ни от выбора точек , то этот предел называется двойным интегралом по области D от функции f(х, у) и обозначается .
Таким образом, по определению:
В этом случае функция называется интегрируемой в области D.
Теорема 4.1.
Если f(P) непрерывна в D, то она интегрируема в этой области (то есть существует ).
Свойства двойного интеграла:
1.
2. - свойство линейности
3. Если , то
(свойство аддитивности)
4. Если " P(x,y)ÎD, то .
5. Если m £ f((x,y) £ M, " P(x,y)ÎD,то .
6. Существует точка Q(x,y)Î D: = f(Q)×|D| (Теорема о среднем.)
(4-6 – свойства оценки интеграла по области).
Рассмотрим геометрический смысл интеграла
Введем понятие: цилиндрическим телом назовем пространственное (в R3) тело, ограниченное плоскостью z=0, поверхностью и цилиндрической поверхностью, направляющая которой есть граница области DÎ R3, а образующая параллельна оси OZ.
Разобьем область D на части Dij, и на каждой из них построим параллелепипед с высотой f(ξi, ηj), где Р(ξi, ηj) – любая точка, принадлежащая Dij.
Тогда
Vц.т. ,
откуда
Vц.т. = .
Таким образом, двойной интеграл, с геометрической точки зрения, численно равен объему цилиндрического тела. Физическую интерпретацию (масса плоской области) дать самостоятельно.
Вычисление двойного интеграла
Так как по определению интеграл не зависит от способа разбиения D на части, то разобьем D на части прямыми, параллельными осям координат. Для этого спроектируем D на оси координат. Получим отрезки [a, b] на оси ОХ и [c, d] на OY соответственно.
Разобьем эти отрезки точками:
a < x1 < x2 < ... < xn = b
c < y1 < y2 < ... < yk = d
Тогда область D разобьется на прямоугольники (полные, или их части) Dij, i= , j = , площади которых:
|Dij| = D Sij = Dxi Dyj, гдеDxi = xi- xi-1,Dyj = yj - yj-1
И если , то по определению:
,
где (ξi, ηj) - любая точка, принадлежащая прямоугольнику Dij .
Но так как
,
то есть имеем двойное суммирование, отсюда и термин (и обозначение) – двойной интеграл.
Определим способы вычисления ДИ
Определение 22.2.
Область D Î R2 называется правильной в направлении оси OY, если она ограниченна линиями x = a, x = b, y = j1(x), y= j2(x), причем j1(x) £ j2(x) для любого xÎ[a,b].
В этом случае каждая прямая, проходящая параллельно OY через любую внутреннюю точку PÎD, пересекает границу области только в двух точках М1, М2. Точку М1 называют точкой «входа» (в направлении OY), М2 – точкой «выхода». Линия y = j1(x), на которой лежат точки «входа» - это «линия входа», y= j2(x) – «линия выхода».
Таким образом, область правильная в направлении оси, если она в направлении этой оси имеет только одну линию входа и одну линию выхода.
Например, на рисунке изображена область, неправильная в направлении оси ОХ, ее можно разбить на две правильные области:
Аналогично определяется область, правильная в направлении оси ОХ: ограниченную линиями y = c, y = d, кривыми х = y1(у), х= y2(у), причем y1(у) £ y2(у) для любого yÎ[c,d].
Теорема 22.2.
Пусть f(x,y) – непрерывная в области D функция.
1) Если D – правильная в направлении оси OY, то
2) Если D – правильная в направлении оси OX, то
Интегралы, стоящие справа, называются повторными интегралами (или двукратными). Последняя запись – условное, сокращенное изображение предыдущей. Понимается она так, как записано в центре. При этом первый (левый) интеграл называется внешним, а его переменная – внешней переменной, пределы – внешними пределами.
Второй (в скобках или справа) – внутренний интеграл, его переменная – внутренняя, пределы – внутренние. Запись этих интегралов определяет порядок интегрирования: no dx - no dy; no dy - no dx (так же как при вычислении смешанной производной второго порядка).
Пример 1.
D – правильная в любом направлении.
Пример 2.
( точки пересечения: х + х = 2, х = 1, y = 1)
=
Дата добавления: 2017-11-21; просмотров: 1743;