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.
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 .
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 kritériumNechť být Jordan měřitelný soubor. Funkce je integrovatelná, pokud:
Nechť být měřitelná množina, být také měřitelná množina, být definována a integrovatelná na . Pak
Jakýkoli d-rozměrný integrál lze redukovat na d jednorozměrný.
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:
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 je násobný integrál s .
. Zde je prvek plochy v uvažovaných souřadnicích.V pravoúhlých souřadnicích: , kde je prvek plochy v pravoúhlých souřadnicích.
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 .
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.
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.
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 je násobný integrál s :
kde je prvek objemu v uvažovaných souřadnicích.
V pravoúhlých souřadnicích má trojný integrál následující tvar:
kde je prvek objemu v pravoúhlých souřadnicích.
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.
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.
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 |
— | — |
Slovníky a encyklopedie | |
---|---|
V bibliografických katalozích |
Integrální počet | ||
---|---|---|
Hlavní | ||
Zobecnění Riemannova integrálu | ||
Integrální transformace |
| |
Numerická integrace | ||
teorie míry | ||
související témata | ||
Seznamy integrálů |