1. Мотивация: возврат к примеру № 2143 из прошлого семинара
На прошлом занятии была получена формула для кругового сектора в декартовых координатах (ДСК):
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=2.0, >=stealth]
\draw[->] (-0.2,0) -- (1.6,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.2) -- (0,1.6) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Окружность радиуса R
\draw[thick, blue] (1.3,0) arc[start angle=0, end angle=90, radius=1.3] node[above right] {$x^2+y^2=R^2$};
% Луч y = x (угол pi/4)
\draw[thick, red] (0,0) -- (1.1,1.1) node[above right] {$y = x \; (\varphi = \frac{\pi}{4})$};
% Заливка сектора
\fill[red!20, opacity=0.7]
(0,0) -- (0.919,0.919) arc[start angle=45, end angle=0, radius=1.3] -- cycle;
\draw[dashed] (0.919,0) node[below] {$\frac{R\sqrt{2}}{2}$} -- (0.919,0.919);
\draw[dashed] (0,0.919) node[left] {$\frac{R\sqrt{2}}{2}$} -- (0.919,0.919);
\fill (1.3,0) circle [radius=0.8pt] node[below] {$R$};
\fill (0,1.3) circle [radius=0.8pt] node[left] {$R$};
\draw[->, thick, green!60!black] (0.35,0) arc[start angle=0, end angle=45, radius=0.35];
\node[green!60!black] at (0.48,0.18) {\scriptsize $\frac{\pi}{4}$};
\node at (0.7,0.35) {$D$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Попытка прямого вычисления в ДСК при :
Проблема: корень возникает из-за круговой границы. Интеграл требует тригонометрической подстановки или интегрирования по частям с рекурсией:
Подстановка: , при : Геометрически: .
Вопрос: Нельзя ли кардинально упростить вычисление такого двойного интеграла?
Ответ: Можно! С помощью перехода в другую (полярную) систему координат.Идея: упростить уравнения кривых, описывающих область интегрирования, или упростить саму подынтегральную функцию!
2. Общая схема замены переменных в кратном интеграле
Переход к новым координатам задаётся формулами:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.0, >=stealth]
\draw[->] (-0.3,0) -- (3.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,2.8) node[left] {$y$};
\draw[thick, fill=blue!10] (1.5,1.3) circle [radius=1.0];
\begin{scope}
\clip (1.5,1.3) circle [radius=1.0];
\draw[gray!60] (0.8,0.5) grid[step=0.3] (2.2,2.1);
\end{scope}
\filldraw[fill=red!40, draw=red] (1.4,1.1) rectangle (1.7,1.4);
\node at (0.95,1.95) {$D$};
\node[below] at (1.5,0.2) {\scriptsize $dx\,dy$ (rectangle)};
\draw[<->, very thick] (3.4,1.3) -- (4.8,1.3) node[midway, above] {\scriptsize change of variables};
\begin{scope}[shift={(5.5,0)}]
\draw[->] (-0.3,0) -- (3.0,0) node[below] {$u$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,2.8) node[left] {$v$};
\draw[thick, fill=orange!15] (1.4,1.3) circle [radius=1.0];
\draw[thick, red, fill=red!30]
(1.2,1.0) to[out=20, in=190] (1.7,1.2) --
(1.8,1.6) to[out=190, in=20] (1.3,1.4) -- cycle;
\node at (0.95,1.95) {$D^*$};
\node[right, red] at (2.45,1.5) {\scriptsize $du\,dv \cdot |J|$};
\node[below] at (1.5,0.2) {\scriptsize (curvilinear cell)};
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\end{document}Правила замены переменных в кратном интеграле:
- Изменяются пределы интегрирования в повторных интегралах (определяются по новой области ).
- Изменяются переменные в подынтегральной функции: .
- Подынтегральная функция умножается на модуль якобиана преобразования:
Замечание о геометрическом смысле якобиана: Домножение на якобиан вызвано различием формы элементарной площадки в разных системах координат:
- В ДСК: (прямоугольник).
- В произвольной криволинейной с/к: элементарная площадка приближается параллелограммом, натянутым на векторы частных приращений: Модуль якобиана — это локальный коэффициент изменения (растяжения/сжатия) площади.
3. Полярная система координат (ПСК)
3.1. Определение и якобиан
Связь декартовых координат и полярных :
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2, >=stealth]
\draw[->] (-0.3,0) -- (3.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,2.6) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\coordinate (M) at (2.2,1.5);
\draw[thick, blue] (0,0) -- (M) node[midway, above left] {$r$};
\fill (M) circle [radius=1.5pt] node[above right] {$M(x,y)$};
\draw[dashed] (2.2,0) node[below] {$x$} -- (M) -- (0,1.5) node[left] {$y$};
\draw[->, thick, red] (0.7,0) arc[start angle=0, end angle=34.3, radius=0.7];
\node[red] at (0.95,0.22) {$\varphi$};
% Элементарный сектор (кольцевой элемент)
\draw[thick, orange!90!black, fill=orange!20]
(1.5,0.8) arc[start angle=28, end angle=45, radius=1.7] --
({2.1*cos(45)}, {2.1*sin(45)}) arc[start angle=45, end angle=28, radius=2.1] -- cycle;
\node[right, orange!90!black] at (2.1,1.0) {\scriptsize $dS = r\,dr\,d\varphi$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Вычисление якобиана:
Полезные соотношения:
Идея: окружность с центром в полюсе в ПСК задаётся элементарным уравнением , что чрезвычайно упрощает пределы интегрирования!
3.2. Возврат к примеру № 2143 в ПСК
(Вычисление заняло одну строку вместо громоздкой тригонометрической подстановки!)
Когда стоит переходить в ПСК?
- Если область интегрирования ограничена дугами окружностей или кривыми, естественно задаваемыми в полярных координатах (лемниската, кардиоида, спираль и т.д.).
- Если подынтегральное выражение содержит комбинации вида , , .
4. Задачи на интегрирование в ПСК
Задача 1 (Демидович, № 2164 — основа)
Составить интеграл , где область ограничена лемнискатой Бернулли:
(В ДСК эту фигуру сложно даже построить).
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.4, >=stealth]
\draw[->] (-2.2,0) -- (2.2,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-1.4) -- (0,1.4) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Асимптотические лучи phi = +- pi/4, +- 3pi/4
\draw[dashed, gray] (-1.5,-1.5) -- (1.5,1.5) node[above right] {\scriptsize $\varphi = \frac{\pi}{4}$};
\draw[dashed, gray] (-1.5,1.5) -- (1.5,-1.5) node[below right] {\scriptsize $\varphi = -\frac{\pi}{4}$};
% Лемниската (r^2 = a^2 * cos(2*phi)), a = 1.6
% Правый лепесток: phi in [-45, 45]
\filldraw[fill=red!20, draw=red!80!black, thick]
plot[domain=-44.5:44.5, samples=60] ({1.6*sqrt(cos(2*\x))*cos(\x)}, {1.6*sqrt(cos(2*\x))*sin(\x)}) -- (0,0);
% Левый лепесток: phi in [135, 225]
\filldraw[fill=red!20, draw=red!80!black, thick]
plot[domain=135.5:224.5, samples=60] ({1.6*sqrt(cos(2*(\x-180)))*cos(\x)}, {1.6*sqrt(cos(2*(\x-180)))*sin(\x)}) -- (0,0);
\fill (1.6,0) circle [radius=1pt] node[below right] {$a$};
\fill (-1.6,0) circle [radius=1pt] node[below left] {$-a$};
\node[red!80!black] at (1.0,0.4) {$S$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Подставляем , :
- Так как , должно выполняться :
- Правый лепесток: ;
- Левый лепесток: .
- В каждой петле полярный радиус меняется от до границы лемнискаты .
- Запись интеграла ():
Вычисление площади лемнискаты ():
Задача 2 (Демидович, № 2166)
Вычислить интеграл: где область ограничена кривой ().
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.4, >=stealth]
\draw[->] (-0.5,0) -- (2.8,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-1.5) -- (0,1.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Окружность (x-a)^2 + y^2 = a^2, a = 1
\filldraw[fill=red!15, draw=red!80!black, thick] (1,0) circle [radius=1];
\node at (1,0.4) {$S$};
\fill (1,0) circle [radius=1pt] node[below] {$a$};
\fill (2,0) circle [radius=1pt] node[below right] {$2a$};
% Лучи пределов по углу
\draw[dashed, blue] (0,0) -- (0,1.3) node[above] {$\varphi = \frac{\pi}{2}$};
\draw[dashed, blue] (0,0) -- (0,-1.3) node[below] {$\varphi = -\frac{\pi}{2}$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
-
Уравнение границы в ПСК:
-
Пределы изменения координат: Так как окружность лежит в правой полуплоскости (), луч из начала координат пересекает её при :
-
Подынтегральная функция: , элемент площади: .
-
Вычисление:
Понижаем степень: :
Проверка размерности: подынтегральная функция имеет размерность , дифференциал площади . Итог — размерность верна!
Задача 3 (Демидович, № 2162)
Перейти к полярным координатам в интеграле , если — треугольник, ограниченный прямыми:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.5, >=stealth]
\draw[->] (-1.5,0) -- (1.8,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,1.6) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\filldraw[fill=blue!15, draw=blue!80!black, thick] (0,0) -- (1,1) -- (-1,1) -- cycle;
\node at (0,0.6) {$S$};
\draw[thick, red] (-1.3,-1.3) -- (1.3,1.3) node[above right] {$y = x \; (\varphi = \frac{\pi}{4})$};
\draw[thick, red] (1.3,-1.3) -- (-1.3,1.3) node[above left] {$y = -x \; (\varphi = \frac{3\pi}{4})$};
\draw[thick] (-1.4,1) -- (1.4,1) node[right] {$y = 1$};
\fill (1,1) circle [radius=1pt];
\fill (-1,1) circle [radius=1pt];
\fill (0,1) circle [radius=1pt] node[above left] {$1$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Замечание: в ДСК эта область описывается очень просто, но пример отлично иллюстрирует технику перехода к ПСК при плоской границе (типичная задача из РК-1).
Решение:
- Боковые стороны треугольника задаются лучами: и .
- Верхняя граница в ПСК:
- Пределы интегрирования:
Задача 4 (Демидович, № 2169)
Вычислить, перейдя к полярным координатам:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.5, >=stealth]
\draw[->] (-0.3,0) -- (1.6,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,1.6) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\filldraw[fill=green!20, draw=green!60!black, thick]
(0,0) -- (1.2,0) arc[start angle=0, end angle=90, radius=1.2] -- cycle;
\node at (0.45,0.45) {$S$};
\fill (1.2,0) circle [radius=1pt] node[below] {$a$};
\fill (0,1.2) circle [radius=1pt] node[left] {$a$};
\node[above right, green!60!black] at (0.85,0.85) {$x^2+y^2=a^2$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Анализ: подынтегральная функция и предел в ДСК сложны, но в ПСК тривиальны.
- Область интегрирования — первая четверть круга радиуса :
- Подынтегральная функция: . Якобиан: .
- Вычисление:
Замечания лектора:
- В ПСК внешний интеграл, как правило, пишется по углу , а внутренний — по радиусу .
- Геометрический смысл двойного интеграла: объём цилиндрического тела, основанием которого является область , а верхней «крышкой» — поверхность . Если , тело вырождается в прямой цилиндр единичной высоты (), поэтому его объём численно равен площади основания: .
5. Обобщённые полярные координаты (ОПСК)
Задача 5 (Демидович, № 2171 — эллипс, важный приём)
Вычислить:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2, >=stealth]
\draw[->] (-2.2,0) -- (2.2,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-1.4) -- (0,1.4) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\filldraw[fill=purple!15, draw=purple!80!black, thick] (0,0) ellipse [x radius=1.7, y radius=1.0];
\node at (0.6,0.35) {$S$};
\fill (1.7,0) circle [radius=1pt] node[below] {$a$};
\fill (-1.7,0) circle [radius=1pt] node[below] {$-a$};
\fill (0,1.0) circle [radius=1pt] node[left] {$b$};
\fill (0,-1.0) circle [radius=1pt] node[left] {$-b$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Вводим обобщённые полярные координаты:
- Граница эллипса: В ОПСК область становится единичным кругом: , .
- Вычисление якобиана:
- Подынтегральное выражение: .
- Интегрирование: Вносим под дифференциал: :
Важный приём:
Если внутренний интеграл не зависит от переменной , внешний интеграл можно сразу вынести множителем вперёд!
Кроме того, в силу симметрии области и чётности подынтегральной функции по обеим переменным, можно было вычислить интеграл по эллипса и умножить результат на 4.
6. Вычисление площадей плоских фигур
Площадь плоской области вычисляется по формуле:
Задача 6 (Демидович, № 2180 — симметрия в ДСК)
Найти площадь, ограниченную параболами:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=0.9, >=stealth]
\draw[->] (-3.5,0) -- (2.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-2.5) -- (0,2.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% y^2 = 10x + 25 => x = (y^2 - 25)/10, вершина (-2.5, 0)
\draw[thick, blue, domain=-2.3:2.3, smooth, variable=\y]
plot ({(\y*\y - 2.5*2.5)/2.5}, {\y}) node[left] {$y^2 = 10x+25$};
% y^2 = -6x + 9 => x = (9 - y^2)/6, вершина (1.5, 0)
\draw[thick, red, domain=-2.3:2.3, smooth, variable=\y]
plot ({(2.25 - \y*\y)/1.5}, {\y}) node[right] {$y^2 = -6x+9$};
% Заливка области
\fill[gray!30, opacity=0.7]
plot[domain=-1.936:1.936, variable=\y] ({(\y*\y - 2.5*2.5)/2.5}, {\y}) --
plot[domain=1.936:-1.936, variable=\y] ({(2.25 - \y*\y)/1.5}, {\y}) -- cycle;
\fill (-1,1.936) circle [radius=1.5pt] node[above] {$(-1, \sqrt{15})$};
\fill (-1,-1.936) circle [radius=1.5pt] node[below] {$(-1, -\sqrt{15})$};
\draw[dashed] (-1,-2.2) -- (-1,2.2);
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Точки пересечения парабол:
- Выразим через :
- Используем симметрию фигуры относительно оси : Приведём дробь к общему знаменателю 30:
- Интегрируем:
Задача 7 (Демидович, № 2182 — площадь в ПСК)
Найти площадь фигуры, ограниченной прямой и окружностью (часть, не содержащая полюс).
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.5, >=stealth]
\draw[->] (-0.5,0) -- (2.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-2.2) -- (0,2.2) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Окружность r = 2
\draw[thick, blue] (0,0) circle [radius=2];
\node[above left, blue] at (-1.4,1.4) {$r = 2$};
% Прямая r*cos(phi) = 1 <=> x = 1
\draw[thick, red] (1,-2.1) -- (1,2.1) node[above] {$x = 1$};
% Заливка кругового сегмента
\fill[orange!30, opacity=0.8]
(1,-1.732) -- (1,1.732) arc[start angle=60, end angle=-60, radius=2] -- cycle;
% Лучи углов пересечения
\draw[dashed] (0,0) -- (1,1.732) node[above right] {$\varphi = \frac{\pi}{3}$};
\draw[dashed] (0,0) -- (1,-1.732) node[below right] {$\varphi = -\frac{\pi}{3}$};
\fill (1,0) circle [radius=1pt] node[below left] {$1$};
\fill (2,0) circle [radius=1pt] node[below right] {$2$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Прямая . Окружность .
- Точки пересечения:
- В силу симметрии относительно полярной оси :
- Внутренний интеграл:
- Внешний интеграл:
Вывод семинара: использование симметрии фигуры и правильный выбор системы координат сокращают объём аналитических выкладок в разы!