Кратные интегралы (стр. 1 из 3)
Министерство образования и науки Российской Федерации
Курсовая работа
По дисциплине: Высшая математика
(Основы линейного программирования)
На тему: КРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
Выполнил: ______________
Преподаватель:___________
Дата ___________________
Оценка _________________
Подпись ________________
ВОРОНЕЖ 2008
Содержание
1 Кратные интегралы
1.1 Двойной интеграл
1.2 Тройной интеграл
1.3 Кратные интегралы в криволинейных координатах
1.4 Геометрические и физические приложения кратных интегралов
2 Криволинейные и поверхностные интегралы
2.1 Криволинейные интегралы
2.2 Поверхностные интегралы
2.3 Геометрические и физические приложения
Список используемой литературы
1 Кратные интегралы
1.1 Двойной интеграл
Рассмотрим в плоскости Оху замкнутую область D, ограниченную линией L. Разобьем эту область какими-нибудь линиями на п частей
, а соответствующие наибольшие расстояния между точками в каждой из этих частей обозначим d1, d2, ..., dn. Выберем в каждой части 
точку Рi.Пусть в области D задана функция z = f(x, y). Обозначим через f(P1), f(P2),…, f(Pn) значения этой функции в выбранных точках и составим сумму произведений вида f(Pi)ΔSi:
, (1)называемую интегральной суммой для функции f(x, y) в области D.
Если существует один и тот же предел интегральных сумм (1) при
и 
, не зависящий ни от способа разбиения области D на части, ни от выбора точек Pi в них, то он называется двойным интегралом от функции f(x, y) по области D и обозначается 
. (2)Вычисление двойного интеграла по области D, ограниченной линиями
x = a, x = b( a < b ), где φ1(х) и φ2(х) непрерывны на [a, b] (рис. 1) сводится к последовательному вычислению двух определенных интегралов, или так называемого двукратного интеграла: 
Рис. 1
= 
(3)1.2 Тройной интеграл
Понятие тройного интеграла вводится по аналогии с двойным интегралом.
Пусть в пространстве задана некоторая область V, ограниченная замкнутой поверхностью S. Зададим в этой замкнутой области непрерывную функцию f(x, y, z). Затем разобьем область V на произвольные части Δvi, считая объем каждой части равным Δvi , и составим интегральную сумму вида
, (4)Предел при
интегральных сумм (11), не зависящий от способа разбиения области V и выбора точек Pi в каждой подобласти этой области, называется тройным интегралом от функции f(x, y, z) по области V: 
. (5)Тройной интеграл от функции f(x,y,z) по области V равен трехкратному интегралу по той же области:
. (6)1.3 Кратные интегралы в криволинейных координатах
Введем на плоскости криволинейные координаты, называемые полярными. Выберем точку О (полюс) и выходящий из нее луч (полярную ось).
Рис. 2 Рис. 3
Координатами точки М (рис. 2) будут длина отрезка МО – полярный радиус ρ и угол φ между МО и полярной осью: М(ρ,φ). Отметим, что для всех точек плоскости, кроме полюса, ρ > 0, а полярный угол φ будем считать положительным при измерении его в направлении против часовой стрелки и отрицательным – при измерении в противоположном направлении.
Связь между полярными и декартовыми координатами точки М можно задать, если совместить начало декартовой системы координат с полюсом, а положительную полуось Ох – с полярной осью (рис. 3). Тогда x=ρcosφ, у=ρsinφ . Отсюда
, tg 
.Зададим в области D, ограниченной кривыми ρ=Φ1 (φ) и ρ=Φ2 (φ), где φ1 < φ < φ2 , непрерывную функцию z = f(φ, ρ) (рис. 4).
Рис. 4
Тогда
(7)В трехмерном пространстве вводятся цилиндрические и сферические координаты.
Цилиндрические координаты точки Р(ρ,φ,z) – это полярные координаты ρ, φ проекции этой точки на плоскость Оху и аппликата данной точки z (рис.5).
Рис.5 Рис.6
Формулы перехода от цилиндрических координат к декартовым можно задать следующим образом:
x = ρcosφ, y = ρsinφ, z = z. (8)
В сферических координатах положение точки в пространстве определяется линейной координатой r – расстоянием от точки до начала декартовой системы координат (или полюса сферической системы), φ – полярным углом между положительной полуосью Ох и проекцией точки на плоскость Оху, и θ – углом между положительной полуосью оси Оz и отрезком OP (рис.6). При этом
Зададим формулы перехода от сферических координат к декартовым:
x = rsinθcosφ, y = rsinθsinφ, z = rcosθ. (9)
Тогда формулы перехода к цилиндрическим или сферическим координатам в тройном интеграле будут выглядеть так:
, (10)где F1 и F2 – функции, полученные при подстановке в функцию fвместо x, y, z их выражений через цилиндрические (8) или сферические (9) координаты.
1.4 Геометрические и физические приложения кратных интегралов
1) Площадь плоской области S:
(11)Пример 1.
Найти площадь фигуры D, ограниченной линиями
у = 2, у = 5.
Решение.
Эту площадь удобно вычислять, считая у внешней переменной. Тогда границы области задаются уравнениями
и 
где
вычисляется с помощью интегрирования по частям: 
Следовательно,
2) Объем цилиндроида, то есть тела, ограниченного частью поверхности S:z = f(x,y) , ограниченной контуром L, проекцией D этой поверхности на плоскость Оху и отрезками, параллельными оси Оz и соединяющими каждую точку контура L с соответствующей точкой плоскости Оху:
(12)3) Площадь части криволинейной поверхности S, заданной уравнением z = f(x,y), ограниченной контуром L:
(13)где D – проекция S на плоскость Оху.
4) Момент инерции относительно начала координат О материальной плоской фигуры D:
(14)Пример 2.
Найти момент инерции однородной круглой пластинки
(x – a)2 + (y – b)2 < 4b2 относительно начала координат.
Решение.
В силу однородности пластинки положим ее плотность γ(х,у) = 1.
Центр круга расположен в точке C(a, b), а его радиус равен 2b.
Уравнения границ пластинки имеют вид
Вычислим каждый из полученных интегралов отдельно.
Для вычисления интеграла I1 сделаем замену:
при x = a – 2b 
при x = a + 2b 
Для вычисления интеграла I2 преобразуем подынтегральную функцию по формуле разности кубов: