Пусть имеем две прямоугольные системы координат в пространстве и
, и систему функций

(1)

которые устанавливают взаимно-однозначное соответствие между точками некоторых областей
и
в этих системах координат. Предположим, что функции системы (1) имеют в
непрерывные частные производные. Определитель, составленный из этих частных производных

,

называют якобианом (или определителем Якоби) системы функций (1). Мы будем предполагать, что
в
.

В сделанных выше предположениях имеет место следующая общая формула замены переменных в тройном интеграле:

Как и в случае двойного интеграла, взаимная однозначность системы (1) и условие
могут нарушаться в отдельных точках, на отдельных линиях и на отдельных поверхностях.

Система функций (1) каждой точке
ставит в соответствие единственную точку
. Эти три числа
называют криволинейными координатами точки. Точки пространства
, для которых одна из этих координат сохраняет постоянное значение, образуют т.н. координатную поверхность.

II Тройной интеграл в цилиндрических координатах

Цилиндрическая система координат (ЦСК) определяется плоскостью
, в которой задана полярная система координат и осью
, перпендикулярной этой плоскости. Цилиндрическими координатами точки
, где
– полярные координаты точки– проекции точкина плоскость
, а– это координаты проекции точкина ось
или
.

В плоскости
введем обычным образом декартовы координаты, ось аппликат направим по оси
ЦСК. Теперь нетрудно получить формулы, связывающие цилиндрические координаты с декартовыми:

(3)

Эти формулы отображают областьна все пространство
.

Координатными поверхностями в рассматриваемом случае будут:

1)
– цилиндрические поверхности с образующими, парал-лельными оси
, направляющими которых служат окружности в плоскости
, с центром в точке;

2)

;

3)
– плоскости, параллельные плоскости
.

Якобиан системы (3):

.

Общая формула в случае ЦСК принимает вид:

Замечание 1 . Переход к цилиндрическим координатам рекомендуется в случае, когда область интегрирования – это круговые цилиндр или конус, или параболоид вращения (или их части), причем ось этого тела совпадает с осью аппликат
.

Замечание 2. Цилиндрические координаты можно обобщить так же, как и полярные координаты на плоскости.

Пример 1. Вычислить тройной интеграл от функции

по области
, представляющей собой внутреннюю часть цилиндра
, ограниченную конусом
и параболоидом
.

Решение. Эту область мы уже рассматривали в §2, пример 6, и получили стандартную запись в ДПСК. Однако, вычисление интеграла в этой области затруднительно. Перейдем в ЦСК:

.

Проекция
тела
на плоскость
– это круг
. Следовательно, координатаизменяется от 0 до
, а– от0 до R . Через произвольную точку
проведем прямую, параллельную оси
. Прямая войдет в
на конусе, а выйдет на параболоиде. Но конус
имеет в ЦСК уравнение
, а параболоид
– уравнение
. Итак, имеем

III Тройной интеграл в сферических координатах

Сферическая система координат (ССК) определяется плоскостью
, в которой задана ПСК, и осью
, перпендикулярной плоскости
.

Сферическими координатами точки пространства называют тройку чисел
, где– полярный угол проекции точки на плоскость
,– угол между осью
и вектором
и
.

В плоскости
введем декартовы координатные оси
и
обычным образом, а ось аппликат совместим с осью
. Формулы, связывающие сферические координаты с декартовыми таковы:

(4)

Эти формулы отображают область на всё пространство
.

Якобиан системы функций (4):

.

Координатные поверхности составляют три семейства:

1)
– концентрические сферы с центром в начале координат;

2)
– полуплоскости, проходящие через ось
;

3)
– круговые конусы с вершиной в начале координат, осью которых служит ось
.

Формула перехода в ССК в тройном интеграле:

Замечание 3. Переход в ССК рекомендуется, когда область интегрирования – это шар или его часть. При этом уравнение сферы
переходит в. Как и ЦСК, рассмотренная ранее, ССК «привязана» к оси
. Если центр сферы смещён на радиус вдоль координатной оси, то наиболее простое сферическое уравнение получим при смещении вдоль оси
:

Замечание 4. Возможно обобщение ССК:

с якобианом
. Эта система функций переведет эллипсоид

в «параллелепипед»

Пример 2. Найти среднее расстояние точек шара радиуса от его центра.

Решение. Напомним, что среднее значение функции
в области
– это тройной интеграл от функции по области деленный на объём области. В нашем случае

Итак, имеем

Скачать с Depositfiles

Тройной интеграл.

Контрольные вопросы.

Тройной интеграл, его свойства.

Замена переменных в тройном интеграле. Вычисление тройного интеграла в цилиндрических координатах.

Вычисление тройного интеграла в сферических координатах.

Пусть функция u = f (x,y ,z ) определена в ограниченной замкнутой области V пространства R 3 . Разобьём область V произвольным образом наn элементарных замкнутых областей V 1 , … , V n , имеющих объемы  V 1 , …,  V n соответственно. Обозначим d – наибольший из диаметров областей V 1 , … , V n . В каждой области V k выберем произвольную точку P k (x k , y k , z k )и составим интегральную сумму функции f (x , y , z )

S =

Определение. Тройным интегралом от функции f (x , y , z ) по области V называется предел интегральной суммы
, если он существует.

Таким образом,

(1)

Замечание. Интегральная сумма S зависит от способа разбиения области V и выбора точек P k (k =1, …, n ). Однако, если существует предел, то он не зависит от способа разбиения области V и выбора точек P k . Если сравнить определения двойного и тройного интегралов, то легко увидеть в них полную аналогию.

Достаточное условие существования тройного интеграла. Тройной интеграл (13) существует, если функция f (x , y , z ) ограничена в V и непрерывна в V , за исключением конечного числа кусочно-гладких поверхностей, расположенных в V .

Некоторые свойства тройного интеграла.

1) Если С – числовая константа, то

3) Аддитивностьпо области. Если область V разбита на области V 1 и V 2 , то

4) Объем тела V равен

(2 )

Вычисление тройного интеграла в декартовых координатах.

Пусть D  проекция тела V на плоскость xOy , поверхности z =φ 1 (x , y ), z =φ 2 (x , y ) ограничивают тело V снизу и сверху соответственно. Это значит, что

V = {(x , y , z ): (x , y )D , φ 1 (x , y ) ≤ z ≤ φ 2 (x , y )}.

Такое тело назовем z -цилиндрическим. Тройной интеграл (1) по z -цилиндрическому телу V вычисляется переходом к повторному интегралу, состоящему из двойного и определенного интегралов:

(3 )

В этом повторном интеграле сначала вычисляется внутренний определенный интеграл по переменной z , при этом x , y считаются постоянными. Затем вычисляется двойной интеграл от полученной функции по области D .

Если V  x- цилиндрическое или y- цилиндрическое тело, то верны соответственно формулы

В первой формуле D  проекция тела V на координатную плоскость yOz , а во второй  на плоскость xOz

Примеры. 1) Вычислитьобъем тела V , ограниченного поверхностями z = 0, x 2 + y 2 = 4, z = x 2 + y 2 .

Решение. Вычислим объём при помощи тройного интеграла по формуле (2)

Перейдем к повторному интегралу по формуле (3).

Пусть D  круг x 2 + y 2 ≤ 4, φ 1 (x , y ) = 0, φ 2 (x , y )= x 2 + y 2 . Тогда по формуле (3) получим

Для вычисления этого интеграла перейдем к полярным координатам. При этом круг D преобразуется во множество

D r = { (r , φ ) : 0 ≤ φ < 2 π , 0 ≤ r ≤ 2} .

2) Тело V ограничено поверхностямиz=y , z= –y , x= 0 , x= 2, y= 1. Вычислить

Плоскости z = y , z = –y ограничиваюттелосоответственно снизу и сверху, плоскости x= 0 , x= 2 ограничивают тело соответственно сзади и спереди, а плоскость y= 1 ограничиваетсправа. V – z- цилиндрическое тело, его проекцией D на плоскость хОу является прямоугольник ОАВС . Положим φ 1 (x , y ) = –y

Преобразование двойного интеграла от прямоугольных координат ,к полярным координатам
, связанных с прямоугольными координатами соотношениями
,
, осуществляется по формуле

Если область интегрирования
ограничена двумя лучами
,
(
), выходящими из полюса, и двумя кривыми
и
, то двойной интеграл вычисляют по формуле

.

Пример 1.3. Вычислить площадь фигуры, ограниченной данными линиями:
,
,
,
.

Решение. Для вычисления площади области
воспользуемся формулой:
.

Изобразим область (рис. 1.5). Для этого преобразуем кривые: , , , . Перейдем к полярным координатам: , . . В полярной системе координат область описывается уравнениями:

.

1.2. Тройные интегралы

Основные свойства тройных интегралов аналогичны свойствам двойных интегралов.

В декартовых координатах тройной интеграл обычно записывают так:

.

Если
, то тройной интеграл по областичисленно равен объему тела:

.

Вычисление тройного интеграла

Пусть область интегрирования ограничена снизу и сверху соответственно однозначными непрерывными поверхностями
,
, причем проекция областина координатную плоскость
есть плоская область
(рис. 1.6).

Тогда при фиксированных значениях соответствующие аппликатыточек областиизменяются в пределах. Тогда получаем: . Если, кроме того, проекция определяется неравенствами , , где - однозначные непрерывные функции на , то

.

Пример 1.4. Вычислить
, где- тело, ограниченное плоскостями:

	, , , ( , , ). Решение. Областью интегрирования является пирамида (рис. 1.7). Проекция области есть треугольник , ограниченный прямыми , , (рис. 1.8). При аппликаты точек удовлетворяют неравенству , поэтому .
	Расставляя пределы интегрирования для треугольника , получим

Тройной интеграл в цилиндрических координатах

При переходе от декартовых координат
к цилиндрическим координатам
(рис. 1.9), связанных с
соотношениями
,
,
, причем

	, ,, тройной интеграл преобразуется: Пример 1.5. Вычислить объем тела, ограниченного поверхностями: , , . Решение. Искомый объем тела равен .
	Областью интегрирования является часть цилиндра, ограниченного снизу плоскостью , а сверху плоскостью (рис. 1.10). Проекция областиесть круг с центром в начале координат и единичном радиусом. Перейдем к цилиндрическим координатам. , , . При аппликаты точек , удовлетворяют неравенству или в цилиндрических координатах:

Область
, ограниченная кривой
, примет вид, или
, при этом полярный угол
. В итоге имеем

.

2. Элементы теории поля

Напомним предварительно способы вычисления криволинейных и поверхностных интегралов.

Вычисление криволинейного интеграла по координатам от функций, определенных на кривой , сводится к вычислению определенного интеграла вида

если кривая задана параметрическии
соответствует начальной точке кривой, а
- ее конечной точке.

Вычисление поверхностного интеграла от функции
, определенной на двусторонней поверхности, сводится к вычислению двойного интеграла, например, вида

,

если поверхность , заданная уравнением
, однозначно проецируется на плоскость
в область
. Здесь- угол между единичным вектором нормалик поверхностии осью
:

.

Требуемая условиями задачи сторона поверхности определяется выбором соответствующего знака в формуле (2.3).

Определение 2.1. Векторным полем
называется векторная функция точки
вместе с областью ее определения:

Векторное поле
характеризуется скалярной величиной –дивергенцией:

Определение 2.2. Потоком векторного поля
через поверхность называется поверхностный интеграл:

,

где - единичный вектор нормали к выбранной стороне поверхности, а
- скалярное произведение векторови.

Определение 2.3. Циркуляцией векторного поля

по замкнутой кривой называется криволинейный интеграл

,

где
.

Формула Остроградского-Гаусса устанавливает связь между потоком векторного поля через замкнутую поверхность и дивергенцией поля:

где - поверхность, ограниченная замкнутым контуром , а - единичный вектор нормали к этой поверхности. Направление нормали должно быть согласовано с направлением обхода контура .

Пример 2.1. Вычислить поверхностный интеграл

,

где - внешняя часть конуса
(
), отсекаемая плоскостью
(рис 2.1).

Решение. Поверхность однозначно проецируется в область
плоскости
, и интеграл вычисляется по формуле (2.2).

Единичный вектор нормали к поверхности найдем по формуле (2.3): . Здесь в выражении для нормали выбран знак плюс, так как угол между осью и нормалью- тупой и, следовательно, должен быть отрицательным. Учитывая, что , на поверхностиполучаем

Область
есть круг
. Поэтому в последнем интеграле переходим к полярным координатам, при этом
,
:

Пример 2.2. Найти дивергенцию и ротор векторного поля
.

Решение. По формуле (2.4) получаем

Ротор данного векторного поля находим по формуле (2.5)

Пример 2.3. Найти поток векторного поля
через часть плоскости:
, расположенную в первом октанте (нормаль образует острый угол с осью
).

	Решение. В силу формулы (2.6) . Изобразим часть плоскости : , расположенную в первом октанте. Уравнение данной плоскости в отрезках имеет вид (рис. 2.3). Вектор нормали к плоскости имеет координаты: , единичный вектор нормали
	. . , , откуда , следовательно,

где
- проекция плоскостина
(рис. 2.4).

Пример 2.4. Вычислить поток векторного поля через замкнутую поверхность, образованную плоскостью
и частью конуса
(
) (рис. 2.2).

Решение. Воспользуемся формулой Остроградского-Гаусса (2.8)

.

Найдем дивергенцию векторного поля по формуле (2.4):

где
- объем конуса, по которому ведется интегрирование. Воспользуемся известной формулой для вычисления объема конуса
(- радиус основания конуса,- его высота). В нашем случае получаем
. Окончательно получаем

.

Пример 2.5. Вычислить циркуляцию векторного поля
по контуру , образованному пересечением поверхностей
и
(
). Проверить результат по формуле Стокса.

Решение. Пересечением указанных поверхностей является окружность
,
(рис. 2.1). Направление обхода выбирается обычно так, чтобы ограниченная им область оставалась слева. Запишем параметрические уравнения контура :

откуда

причем параметр изменяется отдо
. По формуле (2.7) с учетом (2.1) и (2.10) получаем

.

Применим теперь формулу Стокса (2.9). В качестве поверхности , натянутой на контур , можно взять часть плоскости
. Направление нормали
к этой поверхности согласуется с направлением обхода контура . Ротор данного векторного поля вычислен в примере 2.2:
. Поэтому искомая циркуляция

где
- площадь области
.
- круг радиуса
, откуда

Примеры решений произвольных тройных интегралов.
Физические приложения тройного интеграла

Во 2-й части урока мы отработаем технику решения произвольных тройных интегралов , у которых подынтегральная функция трёх переменных в общем случае отлична от константы и непрерывна в области ; а также познакомимся с физическими приложениями тройного интеграла

Вновь прибывшим посетителям рекомендую начать с 1-й части, где мы рассмотрели основные понятия и задачу нахождения объема тела с помощью тройного интеграла . Остальным же предлагаю немного повторить производные функции трёх переменных , поскольку в примерах данной статьи мы будем использовать обратную операцию – частное интегрирование функции .

Кроме того, есть ещё один немаловажный момент: если у Вас неважное самочувствие, то прочтение этой странички по возможности лучше отложить. И дело не только в том, что сейчас возрастёт сложность вычислений – у большинства тройных интегралов нет надёжных способов ручной проверки, поэтому к их решению крайне нежелательно приступать в утомлённом состоянии. При пониженном тонусе целесообразно порешать что-нибудь попроще либо просто отдохнуть (я терпелив, подожду =)), чтобы в другой раз со свежей головой продолжить расправу над тройными интегралами:

Пример 13

Вычислить тройной интеграл

На практике тело также обозначают буквой , но это не очень хороший вариант, ввиду того, «вэ» «зарезервировано» под обозначение объёма.

Сразу скажу, чего делать НЕ НАДО. Не нужно пользоваться свойствами линейности и представлять интеграл в виде . Хотя если очень хочется, то можно. В конце концов, есть и небольшой плюс – запись будет хоть и длинной, но зато менее загромождённой. Но такой подход всё-таки не стандартен.

В алгоритме решения новизны будет немного. Сначала нужно разобраться с областью интегрирования. Проекция тела на плоскость представляет собой до боли знакомый треугольник:

Сверху тело ограничено плоскостью , которая проходит через начало координат. Предварительно, к слову, нужно обязательно проверить (мысленно либо на черновике) , не «срезает» ли эта плоскость часть треугольника. Для этого находим её линию пересечения с координатной плоскостью , т.е. решаем простейшую систему: – нет, данная прямая (на чертеже отсутствует) «проходит мимо», и проекция тела на плоскость действительно представляет собой треугольник.

Не сложен здесь и пространственный чертёж:

В действительности можно было ограничиться только им, поскольку проекция очень простая. …Ну, или только чертежом проекции, так как тело тоже простое =) Однако совсем ничего не чертить, напоминаю – плохой выбор.

Ну и, само собой, не могу не порадовать вас заключительной задачей:

Пример 19

Найти центр тяжести однородного тела, ограниченного поверхностями , . Выполнить чертежи данного тела и его проекции на плоскость .

Решение : искомое тело ограничено координатными плоскостями и плоскостью , которую в целях последующего построения удобно представить в отрезках : . Выберем «а» за единицу масштаба и выполним трёхмерный чертёж:

На чертеже уже поставлена готовая точка центра тяжести, однако, пока мы её не знаем.

Проекция тела на плоскость очевидна, но, тем не менее, напомню, как её найти аналитически – ведь такие простые случаи встречаются далеко не всегда. Чтобы найти прямую, по которой пересекаются плоскости нужно решить систему:

Подставляем значение в 1-е уравнение: и получаем уравнение «плоской» прямой :

Координаты центра тяжести тела вычислим по формулам
, где – объём тела.

1. Цилиндрические координаты представляют соединение полярных координат в плоскости xy с обычной декартовой аппликатой z (рис. 3).

Пусть M(x, y, z) - произвольная точка в пространстве xyz, P - проекция точки M на плоскость xy. Точка M однозначно определяется тройкой чисел - полярные координаты точки P, z - аппликата точки M. Формулы, связывающие их с декартовыми, имеют вид

Якобиан отображения (8)

Пример 2 .

Вычислить интеграл

где T - область, ограниченная поверхностями

Решение. Перейдём в интеграле к сферическим координатам по формулам (9). Тогда область интегрирования можно задать неравенствами

А, значит,

Пример 3 Найти объём тела, ограниченного:

x 2 +y 2 +z 2 =8,

Имеем: x 2 +y 2 +z 2 =8 - сфера радиуса R= v8 с центром в точке O(000),

Верхняя часть конуса z 2 =x 2 +y 2 с осью симметрии Оz и вершиной в точке O (рис. 2.20).

Найдем линию пересечения сферы и конуса:

И так как по условию z ? 0, то

Окружность R=2, лежащая в плоскости z=2.

Поэтому согласно (2.28)

где область U ограничена сверху

(часть сферы),

(часть конуса);

область U проектируется на плоскости Оху в область D - круг радиуса 2.

Следовательно, целесообразно перейти в тройном интеграле к цилиндрическим координатам, используя формулы (2.36):

Пределы изменения ц, r находим по области D v полный круг R=2 с центром в точке О, тем самым: 0?ц?2р, 0?r?2. Таким образом, область U в цилиндрических координатах задается следующими неравенствами:

Заметим, что