Потрійний інтеграл

Размещено на /

ПОТРІЙНИЙ ІНТЕГРАЛ

1. Поняття потрійного інтеграла. Умови його існування та властивості

Схема побудови потрійного інтеграла така сама, як і звичайного визначеного інтеграла та подвійного інтеграла.

Нехай функція визначена в обмеженій замкненій області . Розіб'ємо область сіткою поверхонь на частин , які не мають спільних внутрішніх точок і об'єми яких дорівнюють . У кожній частині візьмемо довільну точку і утворимо суму

,(1)

яка називається інтегральною сумою для функції за областю . Нехай – найбільший з діаметрів областей .

Якщо інтегральна сума (1) при має скінченну границю, яка не залежить ні від способу розбиття області на частини , ні від вибору в них точок , то ця границя називається потрійним інтегралом і позначається одним із таких символів:

або .

Таким чином, за означенням

,(2)

де – функція, інтегровна в області ; – область інтегрування; і – змінні інтегрування; (або ) – елемент об'єму.

Якщо по тілу розподілено масу з об'ємною густиною в точці , то маса цього тіла знаходиться за формулою

. (3)

Формула (3) аналогічна формулі (1.8) і може розглядатися як механічний зміст потрійного інтеграла, коли підінтегральна функція невід'ємна в області . Якщо всюди в області покласти , то з формули (2) випливає формула для обчислення об'єму тіла :

.(4)

Потрійний інтеграл є безпосереднім узагальненням подвійного інтеграла на тривимірний простір. Теорія потрійного інтеграла аналогічна теорії подвійного інтеграла, тому в більшості випадків ми обмежимося лише формулюваннями тверджень і короткими поясненнями.

Теорема (достатня умова інтегровності функції). Якщо функція неперервна в обмеженій замкненій області , то вона в цій області інтегрована.

Властивості потрійних інтегралів.

1. Сталий множник можна винести за знак потрійного інтеграла:

.

Потрійний інтеграл від суми кількох інтегровних функцій дорівнює сумі потрійних інтегралів від доданків:

.

3. Якщо в області інтегрування , то

.

4. Якщо функції та визначені в одній і тій самій області і , то

.

5. (Адитивність потрійного інтеграла.) Якщо область інтегрування функції розбити на частини і , які не мають спільних внутрішніх точок, то

.

6. (Оцінка потрійного інтеграла.) Якщо функція неперервна в обмеженій замкненій області , яка має об'єм , то

,

де і відповідно найменше і найбільше значення функції в області .

7. (Середнє значення функції.) Якщо функція неперервна в обмеженій замкненій області , яка має об'єм , то в цій області існує така точка , що

.

Величина

називається середнім значенням функції в області .

2. Обчислення потрійного інтеграла

Обчислення потрійного інтеграла зводять до обчислення повторних, тобто до інтегрування за кожною змінній окремо.

Нехай область обмежена знизу і зверху поверхнями і , а з боків циліндричною поверхнею, твірні якої паралельні осі . Позначимо проекцію області на площину через (рис. 1) і вважатимемо, що функції і неперервні в .

Рисунок 1 – Область

Якщо при цьому область є правильною, то область називається правильною у напрямі осі . Припустимо, що кожна пряма, яка проходить через кожну внутрішню точку паралельно осі , перетинає межу області у точках і . Точку назвемо точкою входу в область , а точку – точкою виходу з області , а їхні аплікати позначимо відповідно через і . Тоді , і для будь-якої неперервної в області функції має місце формула

.(5)

Зміст формули (5) такий. Щоб обчислити потрійний інтеграл, потрібно спочатку обчислити інтеграл за змінною , вважаючи та сталими. Нижньою межею цього інтеграла є апліката точки входу , а верхньою – апліката точки виходу . Внаслідок інтегрування отримаємо функцію від змінних та .

Якщо область , наприклад, обмежена кривими і , де і – неперервні функції, тобто

, то, переходячи від подвійного інтеграла до повторного (п. 1.3), отримаємо формулу

,(6)

яка зводить обчислення потрійного інтеграла до послідовного обчислення трьох визначених інтегралів. Порядок інтегрування може бути й іншим, тобто змінні і у правій частині формули (6) за певних умов можна міняти місцями.

Якщо, наприклад, область правильна в напрямі осі :

,

де – неперервні функції, то

.

Зокрема, якщо областю інтегрування є паралелепіпед:

,

то

. (7)

У цьому разі інтегрування виконується в будь-якому порядку, оскільки область правильна у напрямі всіх трьох координатних осей .

3. Заміна змінних в потрійному інтегралі

Заміну змінної в потрійному інтегралі виконують за таким правилом: якщо обмежена замкнена область взаємно однозначно відображується на область за допомогою неперервно диференційовних функцій , , , якобіан в області не дорівнює нулю:

і – неперервна в , то справедлива формула

. (8)

На практиці найуживанішими є циліндричні та сферичні координати. При переході від прямокутних координат до циліндричних (рис.4, а), пов'язаних з співвідношеннями

;

,

якобіан перетворення

.

З формули (8) отримуємо потрійний інтеграл у циліндричних координатах:

.(9)

Назва «циліндричні координати» пов'язана з тим, що координатна поверхня є циліндром, прямолінійні твірні якого паралельні осі .

При переході від прямокутних координат до сферичних

(рис. 4, б), які пов'язані з формулами

Рисунок 4 – Координати: а) циліндричні; б) сферичні

;

,

якобіан перетворення

.

З формули (8) знаходимо потрійний інтеграл у сферичних координатах:

. (10)

Назва «сферичні координати» пов'язана з тим, що координатна поверхня є сферою. При обчисленні потрійного інтеграла в циліндричних чи сферичних координатах область , як правило, не будують, а межі інтегрування знаходять безпосередньо за областю , користуючись геометричним змістом нових координат. При цьому рівняння поверхонь та , які обмежують область , записують у нових координатах.

Зокрема, якщо область обмежена циліндричною поверхнею та площинами , то всі межі інтегрування в циліндричній системі координат сталі:

і не змінюються при зміні порядку інтегрування. Те саме буде у сферичних координатах у випадку, коли – куля: або кульове кільце. Наприклад, якщо – кульове кільце з внутрішньою сферою , то рівняння цієї сфери в сферичних координатах має вигляд

або

,

звідки . Аналогічно