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. За
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 – рівняння зовнішньої сфери, тому
.
У випадку, коли – куля , у цій формулі слід покласти . Інших будь-яких загальних рекомендацій, коли необхідно переходити до тієї чи іншої системи координат, дати неможливо. Це залежить і від області інтегрування, і від підінтегральної функції. Іноді потрібно написати інтеграл у різних системах координат і лише після цього вирішити, в якій з них обчислення буде найпростішим.
Приклад
1. Обчислити інтеграл , якщо область обмежена поверхнями і .
Розв’язання
Область є конусом (рис. 5).
Рисунок 5 – Область
Рівняння конічної поверхні, яка обмежує область , можна записати у вигляді , а саму область подати таким чином: , де – круг радіуса з центром . Тому даний потрійний інтеграл можна звести до послідовного обчислення трьох визначених інтегралів у прямокутних координатах:
.
Проте зручніше перейти до циліндричних координат . Тоді прообраз круга є прямокутник , прообраз конічної поверхні – плоска поверхня , а прообраз області – область . Якобіан переходу до циліндричних координат дорівнює , підінтегральна функція в циліндричних координатах дорівнює. Зводячи потрійний інтеграл за областю до послідовного обчислення трьох визначних інтегралів, отримаємо
Зазначимо, що розставлення меж інтегрування в циліндричних координатах, як правило, виконують, розглядаючи не область, а зміну циліндричних координат в області. Наочно видно, що в області змінна змінюється від до, при кожному значенні змінна змінюється від до, а для кожної точки області змінна змінюється в області від (значення в області ) до (значення на конічній поверхні).
4. Деякі застосування потрійного інтеграла
інтеграл потрійний обчислення змінний
1. Обчислення об'ємів. Якщо деяке тіло є обмеженою і замкненою
областю , що має об'єм , то згідно з
формулою (4)
.(11)
Застосування у механіці. Нехай – обмежена замкнена область простору , яку займає деяке матеріальне тіло з густиною , де – неперервна функція в області , тоді:
а)маса цього тіла
;(12)
б)моменти інерції тіла відносно координатних осей відповідно дорівнюють
.(13)
Моменти інерції тіла відносно координатних площин обчислюються за формулами
.(14)
Момент інерції тіла відносно початку координат
(15)
в) статичні моменти тіла відносно координатних площин обчислюються за формулами
;(16)
г) координати центра маси тіла визначаються за формулами
.(17)
Доведення формули (11), як уже зазначалося, випливає з означення потрійного інтеграла:
.