Vícenásobný integrál

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 27. prosince 2020; ověření vyžaduje 1 úpravu .

V matematické analýze je vícenásobný nebo vícenásobný integrál souborem integrálů vzatých z proměnných. Například:

Poznámka: násobný integrál je určitý integrál a při jeho výpočtu se vždy získá číslo.

Definice vícenásobného integrálu

Dovolit být  měřitelná [ 1] množina n-rozměrného reálného prostoru,  být funkce na .

Oddíl množiny  je množina párově disjunktních podmnožin , které se kombinují a dávají vše .

Jemnost mezistěny  je největší průměr ze sad .

Oddíl se nazývá konečný , pokud je konečnou množinou, a měřitelný , pokud jsou všechny jeho prvky měřitelné (v tomto případě podle Jordana) množiny.

Násobný (n-násobný) integrál funkce na množině je číslo (pokud existuje) takové, že bez ohledu na to, jak malé -okolí čísla , které nastavíme, vždy existuje takové rozdělení množiny a množiny mezilehlé body, že součet součinů hodnoty funkce v mezilehlém bodě dělení na rozdělovací míře bude spadat do tohoto okolí. Formálně:

 ::  _

Zde  je míra sady .

Tato definice může být formulována v jiné formě pomocí integrálních součtů. Konkrétně pro daný oddíl a množinu bodů uvažujte celočíselný součet

Vícenásobný integrál funkce je limita

pokud existuje. Limita je převzata množinou všech sekvencí oddílů s jemností klesající k 0. Tato definice se samozřejmě liší od té předchozí, vlastně jen použitým jazykem.

Integrál je označen takto:

,

V moderních matematických a fyzikálních článcích se opakované použití znaku integrálu nepoužívá.

Takový násobný integrál se nazývá vlastní integrál .

V případě, že násobný integrál je stejný jako Riemannův integrál .

Existence násobného integrálu

Dostatečné podmínky Darbouxovo kritérium

Nechť jsou horní a dolní Darbouxovy integrály funkce na . Pak, pokud jsou horní a dolní Darbouxovy integrály stejné, pak je tato funkce integrovatelná na , a:

Lebesgueovo kritérium

Nechť být Jordan měřitelný soubor. Funkce je integrovatelná, pokud:

Vlastnosti vícenásobných integrálů

. . . .

Výpočet vícenásobných integrálů

Redukce násobného integrálu na iterativní

Nechť být  měřitelná množina,  být také měřitelná množina, být definována a integrovatelná na . Pak

nazýván iterovaný integrál funkce přes množinu ;

Jakýkoli d-rozměrný integrál lze redukovat na d jednorozměrný.

Změna proměnných ve vícenásobném integrálu

Nechť je dáno bijektivní mapování , které transformuje doménu na :

,

kde  jsou "staré" souřadnice a  jsou "nové" souřadnice. Dále nechť funkce definující zobrazení mají spojité parciální derivace prvního řádu v oboru, stejně jako omezený a nenulový jakobián

.

Pak za podmínky, že integrál existuje

platí vzorec pro změnu proměnných:

Použití symetrie

Pokud je integrační doména symetrická vzhledem k počátku souřadnic pro alespoň jednu z integračních proměnných a integrand je v této proměnné lichý , je integrál roven nule, protože integrály přes dvě poloviny integrační oblasti mají stejná absolutní hodnota, ale opačná znaménka. Je-li integrand sudý nad touto proměnnou, je integrál roven dvojnásobku integrálu přes jednu z polovin integrační oblasti, protože integrály nad každou z polovin jsou stejné.

Příklad 1. Nechť je funkce integrována přes doménu

kružnice o poloměru  1 se středem v počátku.

Pomocí vlastnosti linearity lze integrál rozložit na tři části:

2sin( x ) a 3 y 3 jsou liché funkce a je také jasné, že disk T je symetrický jak podle osy x , tak podle osy y . Na konečném výsledku se tedy podílí pouze konstanta 5.

Příklad 2. Nechť funkci f ( x ,  y ,  z ) = x  exp( y 2  +  z 2 ) integrujeme přes kouli o poloměru 2 se středem v počátku,

"Kulička" je symetrická podél všech tří os, ale stačí integrovat podél osy x , aby se ukázalo, že integrál je 0, protože funkce je v této proměnné lichá.

Dvojitý integrál

Dvojitý integrál je násobný integrál s .

. Zde  je prvek plochy v uvažovaných souřadnicích.

V pravoúhlých souřadnicích: , kde  je prvek plochy v pravoúhlých souřadnicích.

Geometrický význam dvojného integrálu

Nechte funkci nabývat pouze kladných hodnot v doméně. Potom se dvojný integrál numericky rovná objemu svislého válcového tělesa postaveného na podstavě a ohraničeného shora odpovídajícím kouskem plochy .

Vyjádření dvojného integrálu pomocí polárních souřadnic

V některých případech je jednodušší vypočítat dvojný integrál nikoli v pravoúhlých, ale v polárních souřadnicích , protože v tomto případě může dojít k výraznému zjednodušení tvaru integrační oblasti a celého integračního procesu jako celku.

Aplikujeme větu o změně proměnných. Transformace odpovídající přechodu má tvar:

Modul jakobiánu zobrazení je . Tak to dostáváme

kde .

Zde je prvek plochy v polárních souřadnicích.

Příklad přechodu do libovolného souřadnicového systému

Vypočítejme oblast regionu .

Přepnutí na polární souřadnicový systém oblast neusnadní:

.

Násobič před sinusem "ruší". V tomto případě lze přechod mírně upravit:

.

Tato transformace převede původní oblast na následující:

.

Jakobiánský displej:

.

Jacobiánský modul je také .

Odtud

.

Výsledek je správný, protože plocha je ohraničena elipsou danou kanonickou rovnicí. Plochu lze vypočítat pomocí vzorce . Dosazením se ujistíme, že výpočet integrálu je správný.


Aplikace dvojných integrálů

Název hodnoty Obecný výraz Obdélníkové souřadnice Polární souřadnice
Plocha ploché postavy
Hmotnost tenké ploché desky

hustota

Plocha kusu povrchu
Objem válcového tělesa,

stojící v letadle

Moment setrvačnosti ploché postavy

o ose

Moment setrvačnosti ploché postavy

o ose

Souřadnice těžiště

homogenní deska

Poznámky

1) Plocha  - projekce do roviny ; do každého bodu plochy se promítá pouze jeden bod plochy;

 je úhel mezi tečnou rovinou a rovinou .

2) V kombinaci s letadlem .

3) Nebo, což je stejné, vzhledem ke středu O.

Trojný integrál

Trojný integrál je násobný integrál s :

kde je prvek objemu v uvažovaných souřadnicích.

Vyjádření trojného integrálu pomocí pravoúhlých souřadnic

V pravoúhlých souřadnicích má trojný integrál následující tvar:

kde je prvek objemu v pravoúhlých souřadnicích.

Vyjádření trojného integrálu pomocí cylindrických souřadnic

Podobně je v některých případech snazší vypočítat trojný integrál nikoli v pravoúhlých, ale ve válcových souřadnicích . Aplikujeme větu o změně proměnných. Transformace odpovídající přechodu má tvar:

Modul jakobiánu zobrazení je . Tak to dostáváme

kde je objemový prvek ve válcových souřadnicích.

Vyjádření trojného integrálu pomocí sférických souřadnic

Kromě cylindrických souřadnic můžete také přepnout na sférické souřadnice . Aplikujeme větu o změně proměnných. Transformace odpovídající přechodu má tvar:

Modul jakobiánu zobrazení je . Tak to dostáváme

kde je objemový prvek ve sférických souřadnicích.

Aplikace trojných integrálů

Název hodnoty Obecný výraz Obdélníkové souřadnice Válcové souřadnice Sférické souřadnice
objem těla
Moment setrvačnosti geometrie

tělesa kolem osy

Hmotnost fyzického těla s hustotou
Souřadnice těžiště

homogenní tělo

Viz také

Poznámky

  1. Zde a všude níže, pokud není uvedeno jinak, je měřitelnost množiny chápána v jordánském smyslu.
  2. V takovém zápisu je zcela typické použít pro prvek ( n - rozměrného) rozsahu integrace jiné písmeno než pro označení vektorového argumentu integrovatelné funkce, tzn. ne ale například nebo jednoduše nebo atd., protože v souřadnicovém zápisu je tento objemový prvek v nejjednodušších případech součinem souřadnicových diferenciálů a v obecnějším případě křivočarých souřadnic musí X obsahovat také determinant metriky :

Literatura