1. Введение: Роль курса в структуре математики в техническом ВУЗе
- Обобщение интегрального исчисления на случай ФНП (функций нескольких переменных).
- Аналогия:
- Простые (одинарные) интегралы — это «азбука»;
- Кратные интегралы этого семестра — это «слова» (интегральная сумма).
- Математика — язык технического ВУЗа! (описание таких величин, как температура, плотность, скорость, давление и др.).
2. Понятие двойного интеграла (вывод через обобщение)
Вспомним определение определённого интеграла Римана для функции одной переменной:
Обобщим эту конструкцию на случай функции двух переменных , заданной в замкнутой квадрируемой области на плоскости :
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.1, >=stealth]
% Координатные оси
\draw[->] (-0.5,0) -- (4.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.5) -- (0,4.0) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Область D
\draw[thick, fill=blue!10] plot [smooth cycle, tension=0.8]
coordinates {(1.2,1.2) (2.0,3.2) (3.5,2.8) (3.2,1.0) (2.0,0.6)};
\node[right] at (3.5,2.8) {$D$};
% Сетка разбиения внутри области
\draw[gray!60] (1.4,1.0) -- (1.4,2.5);
\draw[gray!60] (1.8,0.7) -- (1.8,3.1);
\draw[gray!60] (2.2,0.7) -- (2.2,3.1);
\draw[gray!60] (2.6,0.8) -- (2.6,3.0);
\draw[gray!60] (3.0,1.0) -- (3.0,2.6);
\draw[gray!60] (1.0,1.2) -- (3.2,1.2);
\draw[gray!60] (1.2,1.6) -- (3.4,1.6);
\draw[gray!60] (1.3,2.0) -- (3.4,2.0);
\draw[gray!60] (1.4,2.4) -- (3.2,2.4);
\draw[gray!60] (1.6,2.8) -- (2.8,2.8);
% Выделенная ячейка Delta S_i
\filldraw[fill=red!30, draw=red!80!black] (1.8,1.6) rectangle (2.2,2.0);
\fill (2.0,1.8) circle [radius=1.2pt];
\node[above right] at (2.0,1.8) {\scriptsize $(\xi_i, \eta_i)$};
\node[below left] at (2.0,1.8) {\scriptsize $\Delta S_i$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Условия существования предела:
- Независимость от способа разбиения при условии, что максимальный диаметр ячеек .
- Независимость от выбора промежуточной точки внутри элементарного кусочка .
Наглядная интерпретация тройного (двойного) интеграла:
«На каждом этаже УЛК, в каждой аудитории, на каждом стуле написана буква; задача — пройти по всему УЛК и собрать все буквы».
Альтернативная интерпретация: измерение температуры во всех точках здания!
Важно: при построении и вычислении кратных интегралов критически важна геометрическая интерпретация. Без неё решать задачи крайне сложно!
Дальнейшее развитие темы: криволинейные и поверхностные интегралы.
3. Свойства кратных интегралов
Для кратных интегралов справедливы те же фундаментальные свойства, что и для определённого интеграла Римана:
- Линейность: .
- Аддитивность по области: если и не имеют общих внутренних точек, то .
- Монотонность и переход к пределу в неравенствах: если , то .
- Теорема об оценке интеграла: .
- Теорема о среднем: .
4. Вычисление кратных интегралов: сведение к повторным
Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах сводится к последовательному вычислению двух однократных (повторных) интегралов:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2]
\draw[->] (-0.5,0) -- (4.8,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.5) -- (0,3.8) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
\draw[dashed] (1,0) node[below] {$a$} -- (1,2.5);
\draw[dashed] (3.8,0) node[below] {$b$} -- (3.8,2.7);
\filldraw[fill=blue!10, draw=none]
(1,1.2) to[out=40, in=190] (2.4,1.8) to[out=10, in=160] (3.8,1.4)
-- (3.8,2.7) to[out=170, in=10] (2.4,3.2) to[out=190, in=30] (1,2.5) -- cycle;
\draw[thick, red] (1,1.2) to[out=40, in=190] (2.4,1.8) to[out=10, in=160] (3.8,1.4)
node[midway, below=3pt] {$y_1(x)$ (entry)};
\draw[thick, green!60!black] (1,2.5) to[out=30, in=190] (2.4,3.2) to[out=10, in=170] (3.8,2.7)
node[midway, above=3pt] {$y_2(x)$ (exit)};
\node at (2.4,2.3) {$D$};
\draw[thick, dashed, violet] (2.1,0) node[below] {$x = \mathrm{const}$} -- (2.1,3.4);
\draw[->, very thick, violet] (2.1,1.2) -- (2.1,3.1);
\fill[red] (2.1,1.72) circle [radius=1.5pt] node[below right] {\scriptsize entry};
\fill[green!60!black] (2.1,3.12) circle [radius=1.5pt] node[above right] {\scriptsize exit};
\end{tikzpicture}
\end{document}Алгоритм расстановки пределов («вертикальная раскраска»):
- Фиксируем промежуточный (): определяем диапазон изменения переменной на внешнем интеграле.
- Проводим вертикальный луч в направлении возрастания и определяем функцию входа в область и функцию выхода из области .
- Внутренний интеграл берётся по переменной при «замороженном» .
Хороший аналог: ребёнок закрашивает область карандашом — штриховка (раскраска) может быть «вертикальной» () или «горизонтальной» ().
Re: Показать, что кратные интегралы (двойной и тройной) строятся строго в рамках логики обычных (одинарных) интегралов: через разбиение области и построение интегральной суммы.
5. Практикум: Вычисление и смена порядка интегрирования
Задача 1 (Демидович, № 2113 — базовая)
Вычислить повторный интеграл:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2]
\draw[->] (-0.3,0) -- (2.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,2.6) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\filldraw[fill=blue!15, draw=blue!80!black, thick] (0,0) rectangle (1,2);
\node at (0.5,1.0) {$D$};
\draw[dashed] (1,0) node[below] {$1$} -- (1,2);
\draw[dashed] (0,2) node[left] {$2$} -- (1,2);
\draw[thick, dashed, red] (-0.2,1.2) -- (1.5,1.2) node[right] {$y = \mathrm{const}$};
\draw[->, very thick, red] (0,1.2) -- (1,1.2);
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение: Внутренний интеграл берётся по при «замороженном» :
Важно:
- Построение интеграла: сначала строится внешний предел, затем внутренний.
- Вычисление интеграла: наоборот — сначала вычисляется внутренний, затем внешний!
Дополнение (самостоятельная работа):
Вычислить исходный интеграл , изменив порядок интегрирования на :
Задача 2 (Демидович, № 2114 — самостоятельно, чуть сложнее)
Вычислить повторный интеграл:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.0, >=stealth]
\draw[->] (-0.5,0) -- (5.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.5) -- (0,3.0) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
\filldraw[fill=orange!20, draw=orange!80!black, thick] (3,1) rectangle (4,2);
\node at (3.5,1.5) {$D$};
\draw[dashed] (3,0) node[below] {$3$} -- (3,1);
\draw[dashed] (4,0) node[below] {$4$} -- (4,1);
\draw[dashed] (0,1) node[left] {$1$} -- (3,1);
\draw[dashed] (0,2) node[left] {$2$} -- (3,2);
\node[below right, red] at (1.0,-0.6) {\scriptsize (schematic, not to scale)};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
Задача 3 (Демидович, № 2121 — на понимание сути)
Написать уравнения границ области интегрирования, изобразить область на чертеже и поменять порядок интегрирования:
Решение:
-
Уравнения границ области: Пределы изменения по : от до .
-
Точки пересечения границ:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7, >=stealth]
\draw[->] (-2.5,0) -- (9.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-7.0) -- (0,3.5) node[left] {$y$};
\node[above left] at (0,0) {$O$};
% Парабола x = y^2/4 - 1 <=> y = +- 2*sqrt(x+1)
\draw[domain=-6.2:2.2, smooth, variable=\y, thick, blue]
plot ({\y*\y/4 - 1}, {\y}) node[above] {$x = \frac{y^2}{4}-1$};
% Прямая x = 2 - y <=> y = 2 - x
\draw[domain=-1.5:8.5, smooth, variable=\x, thick, red]
plot ({\x}, {2 - \x}) node[below right] {$x = 2 - y$};
% Заливка области D
\fill[gray!25, opacity=0.7]
plot[domain=-6:2, variable=\y] ({\y*\y/4 - 1}, {\y}) --
plot[domain=2:-6, variable=\y] ({2 - \y}, {\y}) -- cycle;
% Характерные точки
\fill (-1,0) circle [radius=2pt] node[below left] {$-1$};
\fill (0,2) circle [radius=2pt] node[above right] {$(0, 2)$};
\fill (8,-6) circle [radius=2pt] node[below right] {$(8, -6)$};
\fill (2,0) circle [radius=2pt] node[above] {$2$};
\draw[dashed] (8,0) node[above] {$8$} -- (8,-6) -- (0,-6) node[left] {$-6$};
\draw[dashed, red] (0,2) -- (0,-6);
% Разделитель областей при смене порядка
\draw[dashed, violet, thick] (0,-6) -- (0,2);
\node at (-0.4,-0.5) {$D_1$};
\node at (2.5,-1.5) {$D_2$};
\end{tikzpicture}
\end{document}- Смена порядка интегрирования ():
При движении по оси область делится на две части вертикальной прямой :
- Область (): вход через нижнюю ветвь параболы , выход через верхнюю ветвь параболы .
- Область (): вход через нижнюю ветвь параболы , выход через прямую .
Замечания:
- От выбора порядка интегрирования напрямую зависит вид и сложность интеграла (одно слагаемое превратилось в два).
- Самое время освежить в памяти кривые и поверхности из курса «Аналитическая геометрия»!
Задача 4 (Демидович, № 2125 — самостоятельно)
Нарисовать область и изменить порядок интегрирования:
Решение:
- Границы: , , , ().
- На прямой значение ординаты на окружности: .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=0.9, >=stealth]
\draw[->] (-0.5,0) -- (6.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.5) -- (0,6.0) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Окружность
\draw[thick, blue] (0,0) arc[start angle=90, end angle=0, radius=5] node[above right] {$x^2+y^2=25$};
% Вертикальная линия x = 3
\draw[thick, red] (3,0) node[below] {$3$} -- (3,4);
\draw[dashed] (3,4) -- (3,5);
% Заливка области
\fill[blue!15] (0,0) -- (3,0) -- (3,4) arc[start angle=53.13, end angle=90, radius=5] -- cycle;
\draw[dashed] (0,4) node[left] {$4$} -- (3,4);
\fill (0,5) circle [radius=1.5pt] node[left] {$5$};
\fill (3,4) circle [radius=1.5pt];
\fill (5,0) circle [radius=1.5pt] node[below] {$5$};
\draw[dashed, violet] (0,4) -- (3,4);
\node at (1.5,2.0) {$D_1$};
\node at (1.2,4.4) {$D_2$};
\end{tikzpicture}
\end{document}- Смена порядка интегрирования ():
При проецировании на ось область разбивается горизонталью на две части:
- При : меняется от до прямой .
- При : меняется от до окружности .
Задача 5 (Демидович, № 2128)
Написать формулы расстановки пределов для вычисления двойного интеграла в различном порядке, если — треугольник с вершинами , , .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2.2, >=stealth]
\draw[->] (-0.2,0) -- (1.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.2) -- (0,1.4) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\filldraw[fill=red!15, draw=red!80!black, thick] (0,0) -- (1,0) -- (1,1) -- cycle;
\draw[thick, blue] (0,0) -- (1,1) node[midway, above left] {$y = x$};
\fill (0,0) circle [radius=1pt];
\fill (1,0) circle [radius=1pt] node[below] {$1$};
\fill (1,1) circle [radius=1pt] node[above right] {$(1,1)$};
\draw[dashed] (1,1) -- (0,1) node[left] {$1$};
\node at (0.7,0.3) {$S$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Порядок (вертикальные полосы):
- Порядок (горизонтальные полосы):
Дополнение: геометрический смысл при :
Интеграл от единицы даёт площадь плоской области : И в обратном порядке:
Задача 6 (Демидович, № 2136)
Поменять порядок интегрирования:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=0.7, >=stealth]
\draw[->] (-0.5,0) -- (5.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-2) -- (0,7.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Масштаб по y сжат в 8 раз для наглядности (48 -> 6)
\draw[domain=0:4.2, smooth, variable=\x, thick, blue]
plot ({\x}, {3*\x*\x / 8}) node[right] {$y = 3x^2$};
\draw[domain=0:4.3, smooth, variable=\x, thick, red]
plot ({\x}, {12*\x / 8}) node[above left] {$y = 12x$};
% Заливка области между кривыми
\fill[gray!20, opacity=0.8]
plot[domain=0:4, variable=\x] ({\x}, {3*\x*\x / 8}) --
plot[domain=4:0, variable=\x] ({\x}, {12*\x / 8}) -- cycle;
\draw[dashed] (4,0) node[below] {$4$} -- (4,6);
\draw[dashed] (0,6) node[left] {$48$} -- (4,6);
\fill (4,6) circle [radius=2pt] node[right] {$(4, 48)$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Точки пересечения:
- Выражаем через :
- Из уравнения прямой (линия входа по );
- Из уравнения параболы (линия выхода по ).
- Результат:
Задача 7 (Демидович, № 2138 — составная область)
Изменить порядок интегрирования в интеграле:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2.0, >=stealth]
\draw[->] (-0.2,0) -- (1.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.2) -- (0,1.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Окружность x^2 + y^2 = a^2 (радиус 1, т.е. a=1)
\draw[thick, blue] (1,0) arc[start angle=0, end angle=90, radius=1] node[above right] {$x^2+y^2=a^2$};
% Парабола y = (a^2 - x^2)/(2a) => y = (1 - x^2)/2
\draw[thick, red, domain=0:1, smooth, variable=\x]
plot ({\x}, {(1 - \x*\x)/2}) node[below left=2pt] {$y = \frac{a^2-x^2}{2a}$};
% Заливка области между параболой и окружностью
\fill[gray!25, opacity=0.7]
plot[domain=0:1, variable=\x] ({\x}, {(1 - \x*\x)/2}) --
(1,0) arc[start angle=0, end angle=90, radius=1] -- cycle;
\fill (0,1) circle [radius=1pt] node[left] {$a$};
\fill (1,0) circle [radius=1pt] node[below] {$a$};
\fill (0,0.5) circle [radius=1pt] node[left] {$\frac{a}{2}$};
\draw[dashed, violet] (0,0.5) -- (0.866,0.5);
\node at (0.35,0.7) {$D_2$};
\node at (0.6,0.3) {$D_1$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Уравнения линий:
- Верхняя граница — дуга окружности: ;
- Нижняя граница — дуга параболы: .
- Анализ изменения :
- В точке : , ;
- В точке : , .
- Разбиение при смене порядка:
Горизонтальная прямая делит область на две части:- При : вход через параболу , выход через окружность ;
- При : вход от оси , выход через окружность .
Задача 8 (Демидович, № 2142 — сложная область)
Изменить порядок интегрирования:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2.2, >=stealth]
\draw[->] (-0.3,0) -- (2.2,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,1.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Парабола x = y^2 / 2 => y = sqrt(2x)
\draw[domain=0:1, smooth, variable=\y, thick, blue]
plot ({\y*\y/2}, {\y}) node[above left] {$x = \frac{y^2}{2}$};
% Окружность x^2 + y^2 = 3 => y = sqrt(3 - x^2)
\draw[domain=0:1, smooth, variable=\y, thick, red]
plot ({sqrt(3 - \y*\y)}, {\y}) node[above right] {$x^2+y^2=3$};
% Прямая y = 1
\draw[dashed] (0,1) node[left] {$1$} -- (1.414,1);
\draw[thick] (0.5,1) -- (1.414,1);
% Заливка области
\fill[gray!25, opacity=0.7]
(0,0) -- plot[domain=0:1, variable=\y] ({\y*\y/2}, {\y}) --
(1.414,1) -- plot[domain=1:0, variable=\y] ({sqrt(3 - \y*\y)}, {\y}) -- cycle;
% Характерные точки по оси Ox
\draw[dashed, violet] (0.5,0) node[below] {$\frac{1}{2}$} -- (0.5,1);
\draw[dashed, violet] (1.414,0) node[below] {$\sqrt{2}$} -- (1.414,1);
\fill (1.732,0) circle [radius=0.8pt] node[below] {$\sqrt{3}$};
\node at (0.3,0.4) {\scriptsize $D_1$};
\node at (0.95,0.5) {\scriptsize $D_2$};
\node at (1.5,0.3) {\scriptsize $D_3$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Линии границы:
- Парабола ;
- Окружность ;
- Горизонтальные пределы: и .
- Пересечение с горизонталью :
- С параболой: ;
- С окружностью: .
- При интегрировании по область разбивается на три участка:
- : меняется от до параболы ;
- : меняется от до прямой ;
- : меняется от до дуги окружности .
Задача 9 (Демидович, № 2143 — от сложного к простому!)
Упростить вычисление суммы интегралов путём объединения их в один:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2.2, >=stealth]
\draw[->] (-0.2,0) -- (1.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.2) -- (0,1.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Окружность x^2 + y^2 = R^2 (R=1.2)
\draw[thick, blue] (1.2,0) arc[start angle=0, end angle=90, radius=1.2] node[above right] {$x^2+y^2=R^2$};
% Луч под углом 45 градусов: y = x
\draw[thick, red] (0,0) -- (1.0,1.0) node[above left] {$y = x$};
% Заливка кругового сектора (угол 45 градусов)
\fill[red!20, opacity=0.7]
(0,0) -- (0.8485,0.8485) arc[start angle=45, end angle=0, radius=1.2] -- cycle;
\draw[dashed] (0.8485,0) node[below] {$\frac{R\sqrt{2}}{2}$} -- (0.8485,0.8485);
\draw[dashed] (0,0.8485) node[left] {$\frac{R\sqrt{2}}{2}$} -- (0.8485,0.8485);
\fill (1.2,0) circle [radius=0.8pt] node[below] {$R$};
\fill (0,1.2) circle [radius=0.8pt] node[left] {$R$};
\draw (0.3,0) arc[start angle=0, end angle=45, radius=0.3];
\node at (0.42,0.15) {\scriptsize $45^\circ$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- По чертежу видно, что оба интеграла складываются в единый круговой сектор радиуса с углом раствора ().
- При смене порядка интегрирования (проекция на ось ):
- Переменная меняется в диапазоне от до ;
- Луч, параллельный , входит через прямую и выходит через окружность .
Сумма двух интегралов сворачивается в один интеграл:
Методическое замечание:
- Стоит начать следующий семинар с проверки домашнего задания по этому примеру при .
- Вычисление этого интеграла в ДСК оказывается довольно трудоёмким (потребуется тригонометрическая замена или интегрирование по частям), в то время как в полярных координатах (ПСК) задача решается мгновенно!
- Задача на геометрическую смекалку:
Если , интеграл численно равен площади сектора с углом ( круга):Главный вывод: понимание геометрической сути интеграла существенно упрощает его вычисление!
Домашнее задание
- Задача № 1 из типового расчёта ДЗ.
- Вариации задач на расстановку пределов и смену порядка интегрирования из РК-1.