Тройной интеграл

Лекция 9

Трехмерная область

Пусть в пространстве задана некоторая область V, ограниченная замкнутой поверхностью G. Пусть в области V и на её границе определена некоторая непрерывная функция u=f(x,y,z), где (x,y,z) – прямоугольные декартовы координаты точки области. Например, если f(x,y,z)≥0, то эту функцию можно считать плотностью распределения некоторого вещества в области V.

Составление интегральных сумм

Разобьём эту область V произвольным образом на элементарные ячейки с объёмами (i=1, 2, …, n). В каждой такой ячейке выберем произвольную точку Mi, вычислим значения функции в этих точках и составим интегральную сумму

.

iviv

.)(1

n

iii vMf

Определение

Назовём диаметром области максимальное расстояние между двумя точками области, лежащими на границе. Устремим максимальный диаметр ячеек к нулю и перейдём к пределу в интегральных суммах .

Определение

Если существует конечный предел интегральных сумм при условии, что максимальный диаметр ячеек стремится к нулю, не зависящий ни от разбиения области V на элементарные ячейки, ни от выбора точек Mi, то этот предел называется тройным интегралом по области V от функции f(x,y,z) и обозначается .),,(

v

dvzyxf

Правильная трехмерная область

Пусть пространственная область V, ограниченная замкнутой поверхностью G, удовлетворяет условиям:

1) всякая прямая, параллельная оси Oz, проведённая через внутреннюю точку области V, пересекает поверхность G в двух точках;

2) вся область V проектируется на плоскость Oxy в правильную область D.

Тогда область V мы будем называть правильной трёхмерной областью.

Вычисление тройного интеграла

Если область имеет вид как на рисунке, то тройной интеграл по такой области вычисляют по формуле

= v

dxdydzzyxf ),,(

D

yxz

yxz

dzzyxfdxdy),(

),(

2

1

),,(

Вычисление тройного интеграла

Пример 1. Вычислить

где V ограничена плоскостями

x=0, y=0, z=0.

,)1( 3 V zyx

dxdydz

,1 zyx

Решение.

yx

DV zyx

zyxddxdy

zyx

dxdydz1

033 )1(

)1(

)1(

)1(

1

4

1

2

1

)1(

1

2

12

1

0

2dxdy

yxdxdy

zyx D

yx

D

dxyx

ydy

yxdx

xx 1

0

1

0

1

02

1

0 1

1

42

1

)1(

1

4

1

2

1

1

0

2

)1ln(2

1

4

1

2

)1(

8

1xx

x

.16

52ln

2

1

16

1

4

12ln

2

1

dx

x

x1

0 1

1

2

1

4

1

2

1

Тройной интеграл в цилиндрических координатах

При переходе от декартовых координат к цилиндрическим по формулам x=rcosφ, y=rsinφ, z=z тройной интеграл по области V преобразуется к виду

где - это элемент объёма dv в цилиндрических координатах.

V V

drdzrdzrrfdxdydzzyxf ,),sin,cos( ),,(

drdzrd

Объем тела

В декартовых координатах объем тела равен

V

V dxdydz

Объем тела

Общая формула для вычисления объема (независимо от системы координат) имеет вид

V

dvV

Объем тела

Объём пространственной области V в цилиндрических координатах

V

drdzrdV

Найти объем тела

Вычислить объём тела, ограниченного поверхностями

,2xy ,yz

.2 yz

Решение

Найдём линию пересечения плоскостей, ограничивающих тело сверху и снизу. Очевидно, это y=1.

D

y

yD

y

yDV

dxdyydxdyzdzdxdydxdydzV )22(

22

dyyydyxydxdyyy

y

y

y

2)1(2)1(2)1(21

0

1

0

1

0

.15

16

5

2

3

244

1

0

2

5

2

31

0

3

yydyyy

Найти объем тела

Вычислить объём тела, ограниченного сферой

и параболоидом

(внутри параболоида).

2222 4azyx

azyx 322

Решение

Вычислим объём тела, переходя к цилиндрическим координатам. Для этого запишем уравнения поверхностей в цилиндрических координатах:

. Очевидно, поверхности пересекаются при z= .

Вычислим теперь объём тела.

,4 222 azr 23 raz a

Подставляя z= в одно из уравнений системы, получим .3ar

a

drrdzdzdrrddrdzrdV

ra

a

rD

ra

a

rDV

22

2

22

2

4

3

4

3

dr

a

rrarddrrd

a

rra

a

D

3

0

222

2

0

222

34

34

dr

a

rradra

aa 3

0

33

0

2222

344

2

12

2

322

32

3

0

4

2

322 4

3

2

3

2

43

24

3

2aa

a

rra

a

.

6

19

2

3

3

2

3

16

43

23 3333

4

aaaaa

a