Több integrál

Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt közreműködők, és jelentősen eltérhet a 2020. december 27-én felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzéshez 1 szerkesztés szükséges .

A matematikai elemzésben a többszörös vagy többszörös integrál változókból vett integrálok halmaza . Például:

Megjegyzés: a többszörös integrál határozott integrál, és kiszámításakor mindig egy számot kapunk.

Többszörös integrál definíciója

Legyen  egy n-dimenziós valós tér mérhető [1] halmaza,  legyen függvény -on .

Egy halmaz partíciója  páronként diszjunkt részhalmazok halmaza, amelyek együttesen mindent megadnak .

A válaszfal finomsága a halmazok  legnagyobb átmérője .

Egy partíciót végesnek nevezünk, ha véges halmaz, és mérhetőnek , ha minden eleme mérhető (jelen esetben Jordan szerint) halmaz.

Egy függvény többszörös (n-szeres) integrálja egy halmazon olyan szám (ha létezik), hogy bármilyen kicsi -szomszédságában is legyen a beállított számnak, mindig van a halmaznak egy ilyen partíciója és egy halmaza. közbülső pontokat, hogy a partíció közbülső pontjában lévő függvény értékének szorzatainak összege a partíció mértékén ebbe a szomszédságba esik. Formálisan:

 :  :

Itt  van a készlet mértéke .

Ez a meghatározás más formában is megfogalmazható integrálösszegekkel. Ugyanis egy adott partícióhoz és egy ponthalmazhoz vegyük figyelembe az integrál összeget

Egy függvény többszörös integrálja a határ

ha létezik. A határérték az összes partíciósorozat halmazát veszi át, 0-ra hajló finomsággal. Természetesen ez a definíció eltér az előzőtől, valójában csak a használt nyelvben.

Az integrált a következőképpen jelöljük:

,

A modern matematikai és fizikai cikkekben nem alkalmazzák az integráljel ismételt használatát.

Az ilyen többszörös integrált megfelelő integrálnak nevezzük .

Abban az esetben, ha a többszörös integrál megegyezik a Riemann integrállal .

Több integrál létezése

Elegendő feltételek Darboux-kritérium

Legyen a függvény felső és alsó Darboux integrálja . Ezután, ha a felső és az alsó Darboux integrál egyenlő, akkor ez a függvény integrálható a , és:

Lebesgue-kritérium

Legyen egy Jordan mérhető halmaz. A funkció integrálható, ha:

Több integrál tulajdonságai

. . . .

Több integrál számítása

Több integrál redukálása iteratívra

Legyen  mérhető halmaz,  legyen mérhető halmaz is, legyen definiálható és integrálható -on . Akkor

egy függvény halmaz feletti iterált integráljának nevezzük ;

Bármely d-dimenziós integrál d egydimenziósra redukálható.

Változók módosítása többszörös integrálban

Adjunk meg egy bijektív leképezést , amely átalakítja a tartományt a következőre:

,

hol  vannak a "régi" és  az "új" koordináták. Továbbá legyen a leképezést meghatározó függvényeknek a tartományban elsőrendű folytonos parciális deriváltjai, valamint korlátos és nem nulla Jacobi-

.

Ezután azzal a feltétellel, hogy az integrál létezik

a változók változásának képlete érvényes:

A szimmetria használata

Ha az integrációs tartomány legalább az egyik integrációs változó koordinátáinak origójához képest szimmetrikus, és az integrandus páratlan ebben a változóban, akkor az integrál egyenlő nullával, mivel az integrációs tartomány két felén lévő integrálok ugyanaz az abszolút érték, de ellentétes előjelek. Ha az integrandus páros ezen a változón felül, akkor az integrál az integrációs tartomány egyik felében lévő integrál kétszeresével egyenlő, mivel az integrálok mindegyik fele egyenlő.

1. példa. Legyen a függvény integrálva a tartományon keresztül

egy 1 sugarú kör ,  amelynek középpontja az origó.

A linearitási tulajdonság segítségével az integrál három részre bontható:

A 2sin( x ) és a 3 y 3 páratlan függvények, és az is világos, hogy a T lemez szimmetrikus mind az x , mind az y tengelyre . Így csak a konstans 5 járul hozzá a végeredményhez.

2. példa. Legyen az f ( x ,  y ,  z ) = x  exp( y 2  +  z 2 ) függvény integrálva egy 2 sugarú gömbön , amelynek középpontja az origóban van,

A "golyó" mindhárom tengely mentén szimmetrikus, de elég az x tengely mentén integrálni , hogy az integrál 0 legyen, mivel a függvény ebben a változóban páratlan.

Dupla integrál

A kettős integrál a többszörös integrál .

. Itt  van a terület elem a figyelembe vett koordinátákban.

Téglalap koordinátákban: , ahol  a terület elem téglalap koordinátákban.

A kettős integrál geometriai jelentése

Hagyja, hogy a függvény csak pozitív értékeket vegyen fel a tartományban. Ekkor a kettős integrál numerikusan egyenlő az alapra épített, felülről a megfelelő felületdarabbal határolt függőleges hengeres test térfogatával .

A kettős integrál kifejezése polárkoordinátákkal

Egyes esetekben a kettős integrált nem derékszögű, hanem poláris koordinátákban könnyebb kiszámítani , mivel ebben az esetben az integrációs régió formája és a teljes integrációs folyamat egésze jelentősen leegyszerűsödhet.

Alkalmazzuk a változók változásának tételét. Az átmenetnek megfelelő transzformáció alakja:

A leképezés jakobi modulusa: . Így azt kapjuk

ahol .

Itt látható a terület elem polárkoordinátában.

Példa tetszőleges koordinátarendszerre való átmenetre

Számítsuk ki a régió területét .

A poláris koordináta-rendszerre váltás nem teszi könnyebbé a területet:

.

A szinusz előtti szorzó "zavarja". Ebben az esetben az átmenet kissé módosítható:

.

Ez az átalakítás az eredeti területet a következőre fordítja:

.

Jacobi kijelző:

.

A jakobi modulus is .

Innen

.

Az eredmény helyes, mert a területet a kanonikus egyenlet által megadott ellipszis határolja. A terület a képlet segítségével számítható ki . Behelyettesítéssel megbizonyosodunk arról, hogy az integrál számítása helyes.


Kettős integrálok alkalmazásai

Érték neve Általános kifejezés Téglalap koordináták Poláris koordináták
Lapos alak területe
Vékony lapos lemez tömege

sűrűség

Felületi darab terület
Egy hengeres test térfogata,

a repülőn állva

Lapos alak tehetetlenségi nyomatéka

a tengelyről

Lapos alak tehetetlenségi nyomatéka

a tengelyről

Tömegkoordináták középpontja

homogén lemez

Megjegyzések

1) Terület  – síkra vetítés ; a terület minden pontjába csak a felület egy pontja vetül;

 az érintősík és a sík közötti szög .

2) A síkkal kombinálva .

3) Vagy ami ugyanaz, az O középponthoz képest.

Tripla integrál

A hármas integrál egy többszörös integrál a következővel:

ahol a térfogatelem a figyelembe vett koordinátákban.

A hármas integrál kifejezése derékszögű koordinátákkal

Téglalap alakú koordinátákban a hármas integrálnak a következő alakja van:

ahol a térfogatelem téglalap alakú koordinátákkal.

A hármas integrál kifejezése hengerkoordinátákkal

Hasonlóképpen, bizonyos esetekben a hármas integrált nem téglalap alakú, hanem hengeres koordinátákkal könnyebb kiszámítani . Alkalmazzuk a változók változásának tételét. Az átmenetnek megfelelő transzformáció alakja:

A leképezés jakobi modulusa: . Így azt kapjuk

ahol a térfogatelem hengeres koordinátákkal.

A hármas integrál kifejezése gömbkoordinátákkal

A hengeres koordináták mellett átválthat gömbkoordinátákra is . Alkalmazzuk a változók változásának tételét. Az átmenetnek megfelelő transzformáció alakja:

A leképezés jakobi modulusa: . Így azt kapjuk

ahol a térfogatelem gömbkoordinátákkal.

A hármas integrálok alkalmazásai

Érték neve Általános kifejezés Téglalap koordináták Hengeres koordináták Gömb koordináták
test térfogata
A geometria tehetetlenségi nyomatéka

testek a tengely körül

Egy fizikai test tömege sűrűséggel
Tömegkoordináták középpontja

homogén test

Lásd még

Jegyzetek

  1. Itt és lent mindenhol, hacsak másképp nem jelezzük, egy halmaz mérhetőségét jordán értelemben értjük.
  2. Egy ilyen jelölésben meglehetősen jellemző, hogy az ( n - dimenziós) integrációs hatókör elemére más betűt használunk, mint az integrálható függvény vektorargumentumának megjelölésére, pl. nem , hanem például vagy egyszerűen vagy stb., mivel a koordináta jelölésben ez a térfogatelem a legegyszerűbb esetben a koordináta-differenciálok szorzata , és a görbe vonalú koordináták általánosabb esetben X -nek tartalmaznia kell a metrika determinánsát is :

Irodalom