Двойной интеграл двух окружностей

Двойные интегралы в полярных координатах: теория и примеры
Содержание
  1. Что значит вычислить двойной интеграл в полярных координатах?
  2. Пределы интегрирования в повторных интегралах
  3. Случай первый
  4. Случай второй
  5. Случай третий
  6. Случай четвёртый
  7. Решения двойных интегралов в полярных координатах: примеры
  8. Двойной интеграл с примерами решения и образцами выполнения
  9. Геометрический и физический смысл двойного интеграла
  10. Масса плоской пластинки
  11. Основные свойства двойного интеграла
  12. Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах
  13. Вычисление двойного интеграла в полярных координатах
  14. Приложения двойного интеграла
  15. Объем тела
  16. Площадь плоской фигуры
  17. Масса плоской фигуры
  18. Статические моменты и координаты центра тяжести плоской фигуры
  19. Моменты инерции плоской фигуры
  20. Двойной интеграл
  21. Вычисление двойного интеграла в полярной системе координат Текст научной статьи по специальности « Математика»
  22. Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Махсуд Тулқин Ўғли Усмонов
  23. Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Махсуд Тулқин Ўғли Усмонов
  24. Текст научной работы на тему «Вычисление двойного интеграла в полярной системе координат»
  25. 📹 Видео

Видео:Двойной интеграл / Как находить двойной интеграл через повторный (двукратный) / Два способаСкачать

Двойной интеграл / Как находить двойной интеграл через повторный (двукратный) / Два способа

Что значит вычислить двойной интеграл в полярных координатах?

Если область интегрирования представляет собой окружность или часть окружности, двойной интеграл проще вычислить не в декартовых прямоугольных координатах, а в полярных координатах. В этом случае подынтегральная функция выражается как функция полярных переменных r и φ с использованием соотношений между полярными и декартовыми координатами x = rcosφ и y = rsinφ :

Двойной интеграл двух окружностей.

Двойной интеграл двух окружностей

Что представляет собой элемент площади dxdy , выраженный в полярных координатах? Для ответ на этот вопрос разделим область интегрирования D на участки линиями окружности r = const и лучами φ = const . Рассмотрим один частичный участок (заштрихованный на рисунке), который ограничивают лучи, образующие с полярной осью углы φ и φ + и линии окружности с радиусом r и r + dr . Этот криволинейный четырёхугольник можем приближенно считать прямоугольником с длиной боковой стороны dr и длиной основания rdφ . Поэтому элемент площади в полярных координатах выражается следующим образом:

а двойной интеграл в полярных координатах записывается так:

Двойной интеграл двух окружностей.

Чтобы вычислить двойной интеграл в полярных координатах, его нужно выразить через повторные интегралы, так же, как и «обычный» двойной интеграл в декартовых прямоугольных координатах. В полярных координатах внешний интеграл всегда интегрируется по углу φ , а внутренний — по радиусу r .

Вычислить двойной интеграл в полярных координатах — значит, как и в декартовых прямоугольных координатах, найти число, равное площади упомянутой фигуры D .

Видео:Двойной интеграл в полярных координатахСкачать

Двойной интеграл в полярных координатах

Пределы интегрирования в повторных интегралах

При переходе от двойного интеграла в полярных координатах к повторным интегралам расстановку пределов интегрирования могут облегчить следующие закономерности.

Случай первый

Полюс O является внутренней точкой области интегрирования D , область ограничена линией r = r(φ) .

Двойной интеграл двух окружностей

Тогда соответственно нижний и верхний пределы интегрирования внешнего интеграла равны 0 и 2π , а внутреннего интеграла — 0 и r(φ) . Переход к повторным интегралам осуществляется следующим образом:

Двойной интеграл двух окружностей.

Случай второй

Полюс O находится на границе области интегрирования D , ограниченного линией r = r(φ) , но не является угловой точкой.

Двойной интеграл двух окружностей

Через полюс O проведём касательную. Пусть касательная образует с полярной осью угол α . Тогда соответственно нижний и верхний пределы интегрирования внешнего интеграла равны α и π + α , а внутреннего интеграла — 0 и r(φ) . Переход к повторным интегралам осуществляется следующим образом:

Двойной интеграл двух окружностей.

Случай третий

Полюс O находится на границе области интегрирования D , ограниченного линией r = r(φ) , и является угловой точкой.

Двойной интеграл двух окружностей

Из полюса O проведём лучи, которые будут ограничивать область D . Пусть эти лучи образуют с полярной осью углы α и β . Тогда соответственно нижний и верхний пределы интегрирования внешнего интеграла равны α и β , а внутреннего интеграла — 0 и r(φ) . Переход к повторным интегралам осуществляется следующим образом:

Двойной интеграл двух окружностей.

Случай четвёртый

Полюс O находится вне области интегрирования D .

Двойной интеграл двух окружностей

Из полюса O проведём лучи, которые будут ограничивать область D . Пусть эти лучи образуют с полярной осью углы α и β , а область D ограничивают линии r = r 1 (φ) и r = r 2 (φ) . Тогда соответственно нижний и верхний пределы интегрирования внешнего интеграла равны α и β , а внутреннего интеграла — r 1 (φ) и r 2 (φ) . Переход к повторным интегралам осуществляется следующим образом:

Двойной интеграл двух окружностей.

Видео:Вычислить двойной интеграл, перейдя к полярным координатамСкачать

Вычислить двойной интеграл, перейдя к полярным координатам

Решения двойных интегралов в полярных координатах: примеры

Пример 1. Вычислить в полярных координатах двойной интеграл

Двойной интеграл двух окружностей,

где область D ограничена линиями Двойной интеграл двух окружностей, Двойной интеграл двух окружностей, Двойной интеграл двух окружностей.

Решение. Строим на чертеже область интегрирования. Видим, что этот пример относится к третьему случаю из вышеописанных четырёх случаев расположения области интегрирования.

Двойной интеграл двух окружностей

Выразим подынтегральную функцию как функцию полярных переменных:

Двойной интеграл двух окружностей.

Данные в условии линии, ограничивающие D , приводим к полярным координатам:

Двойной интеграл двух окружностей

Переходим от двойного интеграла к повторному, учитывая пределы интегрирования, верные в третьем случае:

Двойной интеграл двух окружностей.

Вычисляем интеграл (так как повторные интегралы независимы друг от друга, каждый из них вычисляем отдельно и результаты перемножаем):

Двойной интеграл двух окружностей

Пример 2. В повторном интеграле

Двойной интеграл двух окружностей

перейти к полярной системе координат.

Решение. В повторном интеграле переменная x изменяется от -1 до 1, а переменная y — от параболы x² до 1. Таким образом, область интегрирования снизу ограничена параболой y = x² , а сверху — прямой y = 1 . Область интегирования изображена на следующем чертеже.

Двойной интеграл двух окружностей

При переходе к полярным координатам область интегрирования нужно разделить на три части. Значит, данный повторный интеграл должен быть вычислен как сумма трёх интегралов. В первой области полярный радиус меняется от 0 до параболы, во второй области — от 0 до прямой y = 1 , в третьей области — от 0 до параболы. Точки пересечения прямой y = 1 и параболы: (1; 1) и (−1; 1) . В первой точке полярный угол составляет Двойной интеграл двух окружностей, во второй точке он составляет Двойной интеграл двух окружностей. Поэтому в первой области φ меняется от от 0 до Двойной интеграл двух окружностей, во второй области — от 0 до Двойной интеграл двух окружностей, в третьей области — от Двойной интеграл двух окружностейдо π .

Запишем линии, ограничивающие область интегрирования в полярной системе координат. Найдём уравнение прямой y = 1 : Двойной интеграл двух окружностейили Двойной интеграл двух окружностей. Найдём уравнение параболы y = x² в полярной системе координат:

Двойной интеграл двух окружностей

Теперь у нас есть всё, чтобы от данного повторного интеграла перейти к полярным координатам:

Двойной интеграл двух окружностей

Пример 3. Вычислить в полярных координатах двойной интеграл

Двойной интеграл двух окружностей,

где область D ограничена линией окружности Двойной интеграл двух окружностей.

Решение. Строим на чертеже область интегрирования.

Двойной интеграл двух окружностей

Область интегрирования ограничивает линия окружности с центром в точке (a; 0) и радиусом a . В этом легко убедиться, преобразовав её уравнение следующим образом:

Двойной интеграл двух окружностей.

Линия окружности Двойной интеграл двух окружностейкасается оси Oy , поэтому полярный угол в области интегрирования меняется от Двойной интеграл двух окружностейдо Двойной интеграл двух окружностей. Подставим Двойной интеграл двух окружностейи Двойной интеграл двух окружностейв уравнение окружности и получим

Двойной интеграл двух окружностей

Напишем подынтегральную функцию в полярных координатах:

Двойной интеграл двух окружностей.

Теперь можем перейти в данном двойном интеграле к полярным координатам:

Двойной интеграл двух окружностей

Наконец, находим двойной интеграл в полярных координатах:

Двойной интеграл двух окружностей

В полученном выражении второе слагаемое равно нулю, так как и sinπ , и sin(−π) равны нулю. Продолжая, получаем:

Двойной интеграл двух окружностей

Пример 4. Вычислить плоской фигуры, которую ограничивают линии Двойной интеграл двух окружностей, Двойной интеграл двух окружностей, Двойной интеграл двух окружностей, Двойной интеграл двух окружностей.

Решение. Построим заданную фигуру на следующем рисунке.

Двойной интеграл двух окружностей

Так как фигура является частью круга, её площадь проще вычислить в полярных координатах. Данные уравнения линий перепишем в полярных координатах:

Двойной интеграл двух окружностей

Таким образом, у нас есть всё, чтобы записать площадь фигуры в виде двойного интеграл в полярных координатах, перейти к повторному интегралу и вычислить его:

Двойной интеграл двух окружностей

Пример 5. Вычислить в полярных координатах двойной интеграл

Двойной интеграл двух окружностей,

где область D ограничена линиями Двойной интеграл двух окружностейи Двойной интеграл двух окружностей.

Решение. Преобразуем данные уравнения линий, чтобы было проще построить чертёж:

Двойной интеграл двух окружностей.

Строим на чертеже область интегрирования.

Двойной интеграл двух окружностей

В данных уравнениях линий перейдём к полярным координатам:

Двойной интеграл двух окружностей.

В данном двойном интеграле перейдём к полярным координатам, затем к повторным интегралам и вычислим интеграл:

Видео:Математический анализ, 41 урок, Вычисление двойных интеграловСкачать

Математический анализ, 41 урок, Вычисление двойных интегралов

Двойной интеграл с примерами решения и образцами выполнения

Обобщением определенного интеграла на случай функций двух переменных является так называемый двойной интеграл.

Пусть в замкнутой обласДвойной интеграл двух окружностейти D плоскости Оху задана непрерывная функция z = f(x;y). Разобьем область D на п «элементарных областей» Двойной интеграл двух окружностейплощади которых обозначим через Двойной интеграл двух окружностейа диаметры (наибольшее расстояние между точками области) — через Двойной интеграл двух окружностей(см. рис. 214).

Двойной интеграл двух окружностей

В каждой области Двойной интеграл двух окружностейвыберем произвольную точку Двойной интеграл двух окружностейумножим значение Двойной интеграл двух окружностейфункции в этой точке на Двойной интеграл двух окружностейи составим сумму всех таких произведений:

Двойной интеграл двух окружностей

Эта сумма называется интегральной суммой функции f(x; у) в области D.

Рассмотрим предел интегральной суммы (53.1), когда п стремится к бесконечности таким образом, что Двойной интеграл двух окружностейЕсли этот предел существует и не зависит ни от способа разбиения области D на части, ни от выбора точек в них, то он называется двойным интегралом от функции f(x;y) по области D и обозначается

Двойной интеграл двух окружностей

Таким образом, двойной интеграл определяется равенством

Двойной интеграл двух окружностей

В этом случае функция f(x;y) называется интегрируемой в области D; Dобласть интегрирования; х и у — переменные интегрирования; dx dy (или dS) — элемент площади.

Для всякой ли функции f(x; у) существует двойной интеграл? На этот вопрос отвечает следующая теорема, которую мы приведем здесь без доказательства.

Теорема:

Достаточное условие интегрируемости функции. Если функция z = f(x;y) непрерывна в замкнутой области D, то она интегрируема в этой области.

Замечания:

  1. Далее будем рассматривать только функции, непрерывные в области интегрирования, хотя двойной интеграл может существовать не только для непрерывных функций.
  2. Из определения двойного интеграла следует, что для интегрируемой в области D функции предел интегральных сумм существует и не зависит от способа разбиения области. Таким образом, мы можем разбивать область D на площадки прямыми, параллельными координатным осям (см. рис. 215). При этом Двойной интеграл двух окружностейравенство (53.2) можно записать в виде

Двойной интеграл двух окружностейДвойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей

Видео:Математика без ху!ни. Двойные интегралы. Часть1. Как вычислять.Скачать

Математика без ху!ни. Двойные интегралы. Часть1. Как вычислять.

Геометрический и физический смысл двойного интеграла

Рассмотрим две задачи, приводящие к двойному интегралу. Объем цилиндрического тела

Рассмотрим тело, ограниченное сверху поверхностьюДвойной интеграл двух окружностей, снизу — замкнутой областью D плоскости Оху, с боков — цилиндрической поверхностью, образующая которой параллельна оси Oz, а направляющей служит граница области D (см. рис. 216). Такое тело называется цилиндрическим. Найдем его объем V. Для этого разобьем область D (проекция поверхности z = f(x; у) на плоскость Оху) произвольным образом на п областей Двойной интеграл двух окружностей, площади которых равны A Двойной интеграл двух окружностейРассмотрим цилиндрические столбики с основаниями ограниченные сверху кусками поверхности z = f(x;y) (на рис. 216 один из них выделен). В своей совокупности они составляют тело V. Обозначив объем столбика с основанием Двойной интеграл двух окружностейчерез Двойной интеграл двух окружностей, получим

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

Возьмем на каждой площадке Di произвольную точку Двойной интеграл двух окружностейи заменим каждый столбик прямым цилиндром с тем же основанием Двойной интеграл двух окружностейи высотой Двойной интеграл двух окружностейОбъем этого цилиндра приближенно равен объему Двойной интеграл двух окружностейцилиндрического столбика, т. е. Двойной интеграл двух окружностейТогда получаем:

Двойной интеграл двух окружностей

Это равенство тем точнее, чем больше число п и чем меньше размеры «элементарных областей» Двойной интеграл двух окружностей,. Естественно принять предел суммы (53.3) при условии, что число площадок Двойной интеграл двух окружностейнеограниченно увеличивается Двойной интеграл двух окружностейа каждая площадка стягивается в точку Двойной интеграл двух окружностейза объем V цилиндрического тела, т. е.

Двойной интеграл двух окружностей

или, согласно равенству (53.2),

Двойной интеграл двух окружностей

Итак, величина двойного интеграла от неотрицательной функции равна объему цилиндрического тела. В этом состоит геометрический смысл двойного интеграла.

Масса плоской пластинки

Требуется найти массу m плоской пластинки D. зная, что ее поверхностная плотность Двойной интеграл двух окружностейесть непрерывная функция координат точки (х; у). Разобьем пластинку D на п элементарных частей Двойной интеграл двух окружностейплощади которых обозначим через Двойной интеграл двух окружностей. В каждой области Двойной интеграл двух окружностейвозьмем произвольную точку Двойной интеграл двух окружностейи вычислим плотность в ней: Двойной интеграл двух окружностей

Если области D, достаточно малы, то плотность в каждой точке Двойной интеграл двух окружностеймало отличается от значения Двойной интеграл двух окружностейСчитая приближенно плотность в каждой точке области Двойной интеграл двух окружностейпостоянной, равной Двойной интеграл двух окружностей, можно найти ее массу Двойной интеграл двух окружностейТак как масса m всей пластинки D равна Двойной интеграл двух окружностейДля ее вычисления имеем приближенное равенство

Двойной интеграл двух окружностей

Точное значение массы получим как предел суммы (53.5) при условии Двойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей

или, согласно равенству (53.2),

Двойной интеграл двух окружностей

Итак, двойной интеграл от функции Двойной интеграл двух окружностейчисленно равен массе пластинки, если подынтегральную функцию Двойной интеграл двух окружностейсчитать плотностью этой пластинки в точке (х; у). В этом состоит физический смысл двойного интеграла.

Видео:Математика без ху!ни. Двойной интеграл, вычисление двумя способами.Скачать

Математика без ху!ни. Двойной интеграл, вычисление двумя способами.

Основные свойства двойного интеграла

Можно заметить, что процесс построения интеграла в области D дословно повторяет уже знакомую нам процедуру определения интеграла функции одной переменной на отрезке (см. § 35). Аналогичны и свойства этих интегралов и их доказательства (см. § 38). Поэтому перечислим основные свойства двойного интеграла, считая подынтегральные функции интегрируемыми.

Двойной интеграл двух окружностей

3.Если область D разбить линией на две области Двойной интеграл двух окружностейтакие, что Двойной интеграл двух окружностейа пересечение Двойной интеграл двух окружностейсостоит лишь из линии, их разделяющей (см. рис. 217), то

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

4.Если в области D имеет место неравенство Двойной интеграл двух окружностейто и Двойной интеграл двух окружностейЕсли в области D функции f(x;y) и Двойной интеграл двух окружностейудовлетворяют неравенству Двойной интеграл двух окружностейто и

Двойной интеграл двух окружностей

6.Если функция f(x;y) непрерывна в замкнутой области D, площадь которой Двойной интеграл двух окружностей— соответственно наименьшее и наибольшее значения подынтегральной функции в области D.

7.Если функция f(x;y) непрерывна в замкнутой области D, площадь которой S, то в этой области существует такая точкаДвойной интеграл двух окружностей, что Двойной интеграл двух окружностейВеличину

Двойной интеграл двух окружностей

называют средним значением функции f(x; у) в области D.

Видео:Вычислить двойной интеграл по области, ограниченной линиями ∫∫(5x+y)dxdy D: y=x^3, y=0, x=3.Скачать

Вычислить двойной интеграл по области, ограниченной линиями ∫∫(5x+y)dxdy   D: y=x^3, y=0, x=3.

Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах

Покажем, что вычисление двойного интеграла сводится к последовательному вычислению двух определенных интегралов.

Пусть требуется вычислить двойной интеграл Двойной интеграл двух окружностейгде функция Двойной интеграл двух окружностейнепрерывна в области D. Тогда, как это было показано в п. 53.2, двойной интеграл выражает объем цилиндрического тела, ограниченного сверху поверхностью z = f(x;y). Найдем этот объем, используя метод параллельных сечений. Ранее (см. (41.6)) было показано, что

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

где S(x) — площадь сечения плоскостью, перпендикулярной оси Ох, а х = а, х = b — уравнения плоскостей, ограничивающих данное тело.

Положим сначала, что область D представляет собой криволинейную трапецию, ограниченную прямыми x = a и x = b и кривымиДвойной интеграл двух окружностей, причем функции Двойной интеграл двух окружностейнепрерывны и таковы, что Двойной интеграл двух окружностейдля всех Двойной интеграл двух окружностей(см. рис. 218). Такая область называется правильной в направлении оси Оу: любая прямая, параллельная оси Оу, пересекает границу области не более чем в двух точках.

Построим сечение цилиндрического тела плоскостью, перпендикулярной оси Двойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей

В сечении получим криволинейную трапецию ABCD, ограниченную линиями

Двойной интеграл двух окружностей

Площадь S(x) этой трапеции находим с помощью определенного интеграла

Двойной интеграл двух окружностей

Теперь, согласно методу параллельных сечений, искомый объем цилиндрического тела может быть найден так:

Двойной интеграл двух окружностей

С другой стороны, в п. 53.2 было доказано, что объем цилиндрического тела определяется как двойной интеграл от функции Двойной интеграл двух окружностейпо области D. Следовательно,

Двойной интеграл двух окружностей

Это равенство обычно записывается в виде

Двойной интеграл двух окружностей

Формула (53.7) представляет собой способ вычисления двойного интеграла в декартовых координатах. Правую часть формулы (53.7) называют двукратным (или повторным) интегралом от функции f(x;y) по области D. При этом Двойной интеграл двух окружностейназывается внутренним интегралом.

Для вычисления двукратного интеграла сначала берем внутренний интеграл, считая х постоянным, затем берем внешний интеграл, т. е. результат первого интегрирования интегрируем по х в пределах от а до b.

Если же область D ограничена прямыми Двойной интеграл двух окружностейкривыми

Двойной интеграл двух окружностей

для всех Двойной интеграл двух окружностейт. е. область Dправильная в направлении оси Ох, то, рассекая тело плоскостью у = const, аналогично получим:

Двойной интеграл двух окружностей

Здесь, при вычислении внутреннего интеграла, считаем у постоянным.

Замечания:

  1. Формулы (53.7) и (53.8) справедливы и в случае, когдаДвойной интеграл двух окружностей
  2. Если область D правильная в обоих направлениях, то двойной интеграл можно вычислять как по формуле (53.7), так и по формуле (53.8).
  3. Если область D не является правильной ни «по x», ни «по у», то для сведения двойного интеграла к повторным ее следует разбить на части, правильные в направлении осиОх или оси Оу.
  4. Полезно помнить, что внешние пределы в двукратном интеграле всегда постоянны, а внутренние, как правило, переменные.

Пример:

Вычислить Двойной интеграл двух окружностейгде область D ограничена линиями уДвойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей

Решение:

На рисунке 220 изображена область интегрирования D. Она правильная в направлении оси Ох. Для вычисления данного двойного интеграла воспользуемся формулой (53.8):

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

Отметим, что для вычисления данного двойного интеграла можно воспользоваться формулой (53.7). Но для этого область D следует разбить на две области: Двойной интеграл двух окружностей. Получаем:

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

Ответ, разумеется, один и тот же.

Видео:Площадь фигуры через двойной интеграл в полярных координатахСкачать

Площадь фигуры через двойной интеграл в полярных координатах

Вычисление двойного интеграла в полярных координатах

Для упрощения вычисления двойного интеграла часто применяют метод подстановки (как это делалось и при вычислении определенного интеграла), т. е. вводят новые переменные под знаком двойного интеграла.

Определим преобразование независимых переменных х и у (замену переменных) как

Двойной интеграл двух окружностей

Если функции (53.9) имеют в некоторой области D* плоскости Ouv непрерывные частные производные первого порядка и отличный от нуля определитель

Двойной интеграл двух окружностей

а функция f(х; у) непрерывна в области D, то справедлива формула замены переменных в двойном интеграле:

Двойной интеграл двух окружностей

Функциональный определитель (53.10) называется определителем Якоби или якобианом (Г. Якоби — немецкий математик). Доказательство формулы (53.11) не приводим.

Рассмотрим частный случай замены переменных, часто используемый при вычислении двойного интеграла, а именно замену декартовых координат х и у полярными координатами Двойной интеграл двух окружностей

В качестве инь возьмем полярные координаты Двойной интеграл двух окружностейОни связаны с декартовыми координатами формулами Двойной интеграл двух окружностей(см. п. 9.1).

Правые части в этих равенствах — непрерывно дифференцируемые функции. Якобиан преобразования определяется из (53.10) как

Двойной интеграл двух окружностей

Формула замены переменных (53.11) принимает вид:

Двойной интеграл двух окружностей

где D* — область в полярной системе координат, соответствующая области D в декартовой системе координат.

Для вычисления двойного интеграла в полярных координатах применяют то же правило сведения его к двукратному интегралу. Так, если

область D* имеет вид, изображенный на рисунке 221 (ограничена лучами Двойной интеграл двух окружностейи кривыми Двойной интеграл двух окружностейгде Двойной интеграл двух окружностейт. е. область D* правильная: луч, выходящий из полюса, пересекает ее границу не более чем в двух точках), то правую часть формулы (53.12) можно записать в виде

Двойной интеграл двух окружностей

Внутренний интеграл берется при постоянном Двойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей

Замечания:

  1. Переход к полярным координатам полезен, когда подынтегральная функция имеет вид Двойной интеграл двух окружностейобласть Dесть круг, кольцо или часть таковых.
  2. На практике переход к полярным координатам осуществляется путем замены Двойной интеграл двух окружностейуравнения линий, ограничивающих область D, также преобразуются к полярным координатам. Преобразование области D в область D* не выполняют, а, совместив декартову и полярную системы координат, находят нужные пределы интегрирования по Двойной интеграл двух окружностей(исследуя закон изменения Двойной интеграл двух окружностейточки Двойной интеграл двух окружностейпри ее отождествлении с точкой (х; у) области D).

Пример:

Вычислить Двойной интеграл двух окружностейгде область D — круг Двойной интеграл двух окружностей

Решение: Применив формулу (53.12), перейдем к полярным координатам:

Двойной интеграл двух окружностей

Область D в полярной системе координат определяется неравенствами (см. рис. 222) Двойной интеграл двух окружностейЗаметим: область D —круг — преобразуется в область D* — прямоугольник. Поэтому, согласно формуле (53.13), имеем:

Двойной интеграл двух окружностей

Видео:Математика без ху!ни. Двойные интегралы. Часть2.Скачать

Математика без ху!ни. Двойные интегралы. Часть2.

Приложения двойного интеграла

Приведем некоторые примеры применения двойного интеграла.

Объем тела

Как уже показано (п. 53.2), объем цилиндрического тела находится по формуле

Двойной интеграл двух окружностей

где z = f(x;y) — уравнение поверхности, ограничивающей тело сверху.

Площадь плоской фигуры

Если положить в формуле (53.4) f(x;y) = 1, то цилиндрическое тело «превратится» в прямой цилиндр с высотой Н = 1. Объем такого цилиндра, как известно, численно равен площади S основания D. Получаем формулу для вычисления площади S области D:

Двойной интеграл двух окружностей

или, в полярных координатах,

Двойной интеграл двух окружностей

Масса плоской фигуры

Как уже показано (п. 53.2), масса плоской пластинки D с переменной плотностью Двойной интеграл двух окружностейнаходится по формуле

Двойной интеграл двух окружностей

Статические моменты и координаты центра тяжести плоской фигуры

Статические моменты фигуры D относительно осей Ох и Оу (см. п. 41.6) могут быть вычислены по формулам

Двойной интеграл двух окружностей

а координаты центра масс фигуры по формулам

Двойной интеграл двух окружностей

Моменты инерции плоской фигуры

Моментом инерции материальной точки массы m относительно оси l называется произведение массы m на квадрат расстояния d точки до оси, т. е. Двойной интеграл двух окружностейМоменты инерции плоской фигуры относительно осей Ох и Оу могут быть вычислены по формулам:

Двойной интеграл двух окружностей

Момент инерции фигуры относительно начала координат — по формуле Двойной интеграл двух окружностей

Замечание:

Приведенными примерами не исчерпывается применение двойного интеграла. Далее мы встретим приложение двойного интеграла к вычислению площадей поверхностей фигур (п. 57.3).

Пример:

Найти объем тела, ограниченного поверхностями

Двойной интеграл двух окружностей

Решение: Данное тело ограничено двумя параболоидами (см. рис. 223). Решая систему

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

находим уравнение линии их пересечения:

Двойной интеграл двух окружностей

Искомый объем равен разности объемов двух цилиндрических тел с одним основанием (круг Двойной интеграл двух окружностей) и ограниченных сверху соответственно поверхностями Двойной интеграл двух окружностейИспользуя формулу (53.4), имеем

Двойной интеграл двух окружностей

Переходя к полярным координатам, находим:

Двойной интеграл двух окружностей

Пример:

Найти массу, статические моменты Двойной интеграл двух окружностейи координаты центра тяжести фигуры, лежащей в первой четверти, ограниченной эллипсом Двойной интеграл двух окружностейи координатными осями (см. рис. 224). Поверхностная плотность в каждой точке фигуры пропорциональна произведению координат точки.

Двойной интеграл двух окружностей

Решение: По формуле (53.6) находим массу пластинки. По условию, Двойной интеграл двух окружностей— коэффициент пропорциональности.

Двойной интеграл двух окружностей

Находим статические моменты пластинки:

Двойной интеграл двух окружностей

Находим координаты центра тяжести пластинки, используя формулы

Двойной интеграл двух окружностей

Видео:Вычисление двойного интегралаСкачать

Вычисление двойного интеграла

Двойной интеграл

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

Двойной интеграл двух окружностей

Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей Двойной интеграл двух окружностей

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Видео:Изменение порядка интегрирования в повторном интегралеСкачать

Изменение порядка интегрирования в повторном интеграле

Вычисление двойного интеграла в полярной системе координат Текст научной статьи по специальности « Математика»

Видео:Вычислить двойной интегралСкачать

Вычислить двойной  интеграл

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Махсуд Тулқин Ўғли Усмонов

В данной статье рассмотрим более простой и распространённый случай, когда подынтегральная функция двух переменных и двойной интеграл численно равен площади области интегрирования. Разберём алгоритм решения на демо-задаче.

Видео:Семинар 4. Двойной интеграл.Скачать

Семинар 4. Двойной интеграл.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Махсуд Тулқин Ўғли Усмонов

Видео:Двойной интеграл / Как находить двойной интегралСкачать

Двойной интеграл / Как находить двойной интеграл

Текст научной работы на тему «Вычисление двойного интеграла в полярной системе координат»

Вычисление двойного интеграла в полярной системе

Махсуд Тулкин угли Усмонов maqsudu32@gmail .com Ташкентский университет информационных технологий

Аннотация: В данной статье рассмотрим более простой и распространённый случай, когда подынтегральная функция двух переменных и двойной интеграл численно равен площади области интегрирования. Разберём алгоритм решения на демо-задаче.

Ключевые слова: двойной интеграл в полярной системе координат, двойной интеграл.

Calculation of the double integral in the polar coordinate

Mahsud Tulgin oglu Usmonov maqsudu32@gmail.com Tashkent University of Information Technologies

Abstract: In this article, we will consider a simpler and more common case when the integrand of two variables and the double integral is numerically equal to the area of the region of integration. Let’s analyze the algorithm for solving the demo problem. Keywords: double integral in a polar coordinate system, double integral.

Вычислить площадь плоской фигуры, ограниченную линиями

х +у -2,у = 0,х = 0(х>0) с ПОМОщЬЮ двойного интеграла, используя полярную систему координат

Решение: Выполняем чертёж области D в прямоугольной системе координат. Линейное неравенство определяет правую полуплоскость,

включая ось а уравнение х очевидно, задаёт какую-то

линию 2-го порядка. Чтобы выяснить, какую именно — выделим полный квадрат:

окружность единичного радиуса с центром в точке Таким образом, требуется вычислить площадь половинки круга:

Перейдём к повторным интегралам:

S = || dxdy = || rdrd

Остальное — дело техники: 1)

задаёт площадь области

Прикинув по чертежу количество клеточек, приходим к выводу, что полученный результат вполне и вполне правдоподобен.

Вычислить двойной интеграл D

Решение: определённый интеграл s интегрирования.

В чём заключается особенность этого задания? Прежде всего, бросается в глаза, что область «дэ» ограничена единственной кривой, и по характерным признакам — это какая-то алгебраическая линия 4-го порядка. Основная проблема у нас с чертежом. Конечно, можно погрузиться в справочники, но на это нет ни времени, ни особого желания. Поэтому мы попытаемся ограничиться общим анализом и обойтись совсем без чертежа.

Можно ли обойтись без чертежа?

Если условие задачи его не требует — то можно. Правда, область интегрирования всё равно придётся представить мысленно.

Поскольку область интегрирования, как правило, ограничена, то уравнение

х = а (х -3у ) зада£Х либо единственную замкнутую кривую, либо несколько ограниченных областей — что-то наподобие лепестков полярной розы. Ситуацию помогла бы прояснить область определения функции, но её нахождение тоже затруднено ввиду навороченности уравнения.

Что делать? Подумать о возможности использования полярной системы координат. Причём подумать самостоятельно — условие нам совершенно не намекает на способ решения. Поскольку в уравнении присутствуют знакомые «икс квадрат» и «игрек квадрат», то применение полярных координат действительно выглядит перспективно. По формулам перехода х= г eos q>, у = г sin 0, косинус в знаменателе — в чётной степени:

Теперь займёмся областью определения. Поскольку тригонометрические функции периодичны, то нас интересует промежуток или, что то же

Знаменатель не может равняться нулю, поэтому 2 2 .

Кроме того, подкоренное выражение должно быть неотрицательным:

cos #?-3sin £?>0 сведём данное условие к простейшему тригонометрическому неравенству, применив формулы понижения степени:

2 _ . J l+cos2#? _ (1 — cos 2 =—3- —— = — + — cos2#?- — + — cos2#?= 2cos2

Я неоднократно ратовал за графическое решение подобных неравенств, но раз уж решили обойтись без чертежей, давайте вытащим из школьного учебника известную формулу. Решением неравенства где является

следующее множество промежутков:

— arccos d + 2тк Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1. Kiselev, Andrey Petrovich // Great Soviet Encyclopedia: [in 30 volumes] / Ch. ed. A.M. Prokhorov. — 3rd ed. — M.: Soviet Encyclopedia, 1969-1978.

2. Andronov I.K., A.P. Kiselev. [Obituary], «Mathematics in School», 1941, no.

3. Margulis A. Ya., Andrey Petrovich Kiselev, «Mathematics at school», 1948,

4. Depman I. Ya., History of arithmetic, M., 1959.

5. Morgulis A. Ya., Trostnikov V. Legislator of school mathematics // Science and life. 1968. No. 1

📹 Видео

Объем через двойной интегралСкачать

Объем через двойной интеграл

Математический анализ, 40 урок, Двойные интегралы и их свойстваСкачать

Математический анализ, 40 урок, Двойные интегралы и их свойства

Математический анализ, 43 урок, Приложения двойных интеграловСкачать

Математический анализ, 43 урок, Приложения двойных интегралов

Вычислить двойной интеграл по областиСкачать

Вычислить двойной интеграл по области
Поделиться или сохранить к себе: