Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ ПО ТЕМАМ 6.1, 6.2 ИНТЕГРАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ ФУНКЦИЙ НЕСКОЛЬКИХ ПЕРЕМЕННЫХ. ТЕОРИЯ ПОЛЯ.pdf
Скачиваний:
65
Добавлен:
18.04.2015
Размер:
814.45 Кб
Скачать

2

x 2

 

(D )

и

 

2 x 2 2

 

 

(D

 

).

 

8

y 2

y

x

 

 

2

2

 

1

 

 

8 x

2

y 8

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из последних неравенств можно определить новые пределы интеграции:

2

x

2 2

dx

f (x, y)dy +

2

8x2

2

8x2

dx f (x, y)dy .

8x2

Задача 2.1

 

 

Вычислить

массу тонкой

пластины, ограниченной линиями

 

x2 + y2 4 y = 0 и

y = x

при

y x , если плотность в каждой ее

точке равна δ(x, y)=

x2 + y2 .

 

Задача 2.2

 

 

 

 

 

 

Вычислить

объём

тела,

ограниченного поверхностями

 

х2

+

z2

=1, y = 0 , z = 0 , y = x ( z 0 ).

4

 

9

 

 

 

 

 

Справочный материал

Механический смысл двойного интеграла

Если функция δ(x, y)0 имеет смысл распределенной плотности в каждой точке области D, то

∫∫δ(x, y)dS = m ,

D

где m - масса тонкой плоской пластины, занимающей в координатной плоскости xOy область D.

Геометрический смысл двойного интеграла

1. Если δ(x, y)=1, то масса тонкой пластины равна ее площади. Поэтому

∫∫dS = S ,

D

7

где S - площадь области D.

2. Если цилиндрическое тело с боковой поверхностью, параллельной оси Oz , ограничено снизу плоскостью z = 0 , а сверху поверхностью z = f (x, y), то его объем V можно вычислить по формуле

V = ∫∫ f (x, y)dS ,

D

где D - область, которую вырезает в плоскости xOy боковая

поверхность тела.

Если при вычислении двойного интеграла необходимо перейти от декартовых координат к полярным, то в двойном интеграле делают

x = ρ cos ϕ

замену переменных по формулам: y = ρ sin ϕ . При этом следует

иметь в виду, что если в декартовых координатах dS = dxdy , то при переходе к полярным координатам dS = ρdρdϕ. Двойной интеграл в полярных координатах примет вид:

∫∫ f (x, y) dxdy =∫∫ f (ρcos ϕ, ρsin ϕ) ρdρdϕ

D

 

D

 

где D– область изменения полярных координат.

 

 

ϕ=α ρ=ρ2

(ϕ) ϕ

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

ϕ β

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ=ρ1(ϕ)

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

β

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4.

 

Если область D (рис.

 

4) заключена между лучами

ϕ = α и

ϕ =β , и любой луч ϕ = c

 

(α < c < β) входит в область

D через

линию ρ =ρ1(ϕ) и выходит через линию ρ = ρ2 (ϕ) , то по аналогии с

двойным интегралом в декартовых координатах можно написать формулу:

8

 

β

ρ2 (ϕ)

(ρcos ϕ, ρsin ϕ)ρdρ.

∫∫ f (x, y) dxdy =dϕ f

D

α

ρ1(ϕ)

 

Решение задачи 2.1

пластины с плотностью δ(x, y)

Масса тонкой

плоской

определяется по формуле

m = ∫∫δ(x, y)dS = ∫∫ x2 + y2 dS .

 

D

D

 

Чтобы построить область

D , приведем уравнение кривой

x2

+ y 2 4 y = 0 к каноническому виду.

 

x2 + y2 4 y = 0 x2 + (y2 4 y + 4)4 = 0

x2

+ ( y 2)2 = 22 .Это уравнение является уравнением окружности

с центром в точке (0, 2) и радиусом 2. Область D показана на рисунке 5.

y

π φ=

ρ

 

=

 

 

4

 

 

 

 

s

 

 

i

 

 

n

 

 

φ

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ = 0

 

x

 

 

 

 

Рис. 5.

 

 

 

 

 

Перейдем

 

к

полярной системе

координат.

Поскольку

x2 + y2 =

ρ2 cos2 ϕ +ρ2 sin2 ϕ =

ρ2 (cos2 ϕ + sin2 ϕ)=

= ρ2 = ρ,

то

масса пластины

определяется

следующим

интегралом:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = ∫∫ρ ρ dρ dϕ .

D

9

Чтобы свести двойной интеграл к повторному, запишем уравнения всех границ области интегрирования в полярных координатах.

1). Уравнение окружности в полярных координатах:

ρ2 cos2 ϕ +ρ2 sin2 ϕ = 4ρsin ϕ или

ρ2 (cos2 ϕ + sin2 ϕ)= 4ρsin ϕ.

1442443

1

Разделив последнее равенство на ρ ≠ 0 , получим полярное уравнение окружности ρ = 4 sin ϕ.

2). Поскольку область интегрирования в правой полуплоскости (рис. 5), то прямая y = x является частью границы области только

при x 0 . Тогда ее полярное уравнение имеет вид ϕ =

π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

Следовательно, для области интегрирования справедливо

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ≤ ϕ ≤ 4 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 ≤ ρ ≤ 4 sin ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

4sin ϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда m = ∫∫ρ2 dρdϕ = 4dϕ ρ2 dρ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

4 sin ϕdϕ =

 

π

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

= 4 ρ3

1

4

64sin3 ϕdϕ =

64

4 sin2 ϕsin ϕdϕ =

0

3

 

0

 

 

 

3

0

 

 

 

 

 

 

 

3

0

 

 

 

 

 

 

 

 

64

π4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

π

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

(1 cos2

ϕ)d (cos ϕ)= − 64

cos ϕ − cos

 

ϕ

 

 

 

=

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

= −

64

 

2

1

 

2

+

1

 

= −

64

 

6 2

12 2 + 4

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

2

 

 

12

 

3

 

 

3

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 16(8 5 2 ). 9

10