Re: Вычислять двойные интегралы мы уже научились! Теперь переходим к их практическому применению в геометрии и механике.
I. Геометрические приложения двойного интеграла
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.1, >=stealth]
% Оси координат
\draw[->] (0,0) -- (4.8,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,0) -- (0,4.8) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-2.2,-2.2) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Основание S в плоскости Oxy
\draw[thick, fill=blue!15, fill opacity=0.7] (2.2,-1.1) ellipse [x radius=1.3, y radius=0.6];
\node at (2.2,-1.1) {$S$};
% Образующие цилиндроида
\draw[dashed, gray] (0.9,-1.1) -- (0.9, 2.6);
\draw[dashed, gray] (3.5,-1.1) -- (3.5, 3.1);
% Тело V (цилиндроид)
\draw[thick] (0.9, 2.6) -- (0.9, -1.1);
\draw[thick] (3.5, 3.1) -- (3.5, -1.1);
% Верхняя поверхность (крыша f(x,y))
\filldraw[thick, fill=orange!25, fill opacity=0.8]
plot [smooth cycle, tension=0.8] coordinates {(0.9,2.6) (2.0,2.1) (3.5,3.1) (2.7,4.0) (1.3,3.7)};
\node at (2.2, 3.2) {$f(x,y)$};
\node[above left] at (1.3,3.7) {$S_n$};
\node at (2.2, 1.2) {$V$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Основные геометрические формулы
Объём цилиндроида (геометрический смысл двойного интеграла):
Объём тела, ограниченного снизу плоскостью , сверху — поверхностью , а с боков — цилиндрической поверхностью с направляющей границей области :Площадь плоской фигуры (площадь основания):
Если «высота» цилиндроида , то его объём численно равен площади основания:Площадь криволинейной поверхности («крыши»):
Площадь гладкой поверхности , проецирующейся на плоскость в область :
Пример (повтор): Площадь эллипса
Площадь эллипса
Найти площадь фигуры, ограниченной эллипсом .
Решение:
Перейдём к обобщённым полярным координатам:Граница эллипса: .
Используя симметрию (вычисляем по 1-й четверти и умножаем на 4):
\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=blue!15, draw=blue!80!black, thick] (0,0) ellipse [x radius=1.6, y radius=0.9];
\node at (0.6,0.3) {$r \le 1$};
\fill (1.6,0) circle [radius=1pt] node[below] {$a$};
\fill (0,0.9) circle [radius=1pt] node[left] {$b$};
\node[above right] at (1.1,0.7) {$\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Задача 1 (Демидович, № 2198)
Демидович, № 2198
Найти объём тела, ограниченного поверхностями:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.0, >=stealth]
% 2D проекция на Oxy
\begin{scope}[shift={(6.0,0)}]
\draw[->] (-0.5,0) -- (4.5,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.5) -- (0,3.5) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Параболы y = sqrt(x) и y = 2*sqrt(x) при x от 0 до 3.6 (масштаб x: 6 -> 3.6)
\draw[thick, blue, domain=0:3.6, samples=50] plot ({\x}, {1.3*sqrt(\x)}) node[above left] {$y = 2\sqrt{x}$};
\draw[thick, red, domain=0:3.6, samples=50] plot ({\x}, {0.65*sqrt(\x)}) node[below right] {$y = \sqrt{x}$};
\draw[thick] (3.6,0) node[below] {$6$} -- (3.6,2.47);
\fill[gray!25, opacity=0.7]
plot[domain=0:3.6, samples=40] ({\x}, {1.3*sqrt(\x)}) -- (3.6, 1.23) --
plot[domain=3.6:0, samples=40] ({\x}, {0.65*sqrt(\x)}) -- cycle;
\node at (2.2,1.3) {$S$};
\end{scope}
% 3D эскиз
\draw[->] (0,0) -- (4.2,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,0) -- (0,4.0) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-2.2,-2.2) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Плоскость x + z = 6
\draw[thick, dashed] (-1.8,-1.8) node[left] {$6$} -- (0,3.2) node[left] {$6$};
\node[above right] at (-0.8, 1.8) {$z = 6 - x$};
\draw[thick, blue] (0,0) to[out=20, in=200] (2.2,0.8);
\draw[thick, blue] (0,0) to[out=40, in=210] (2.8,1.8);
\draw[dashed] (-1.8,-1.8) -- (2.2,0.8);
\draw[dashed] (-1.8,-1.8) -- (2.8,1.8);
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Тело: снизу ограничено плоскостью , сверху — плоскостью .
- Область (проекция на плоскость ):
Ограничена линиями , и прямой (пересечение плоскости с плоскостью ).
Пределы изменения переменных: - Вычисление объёма:
Задача 2 (Демидович, № 2200)
Демидович, № 2200
Найти объём тела, ограниченного плоскостями:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2, >=stealth]
% 2D проекция основания на Oxy
\begin{scope}[shift={(5.5,0)}]
\draw[->] (-0.3,0) -- (3.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,3.0) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\coordinate (A) at (0,2.4); % y = a
\coordinate (B) at (0.8,0); % x = a/3
\coordinate (C) at (1.6,0); % x = 2a/3
\filldraw[fill=red!20, draw=red!80!black, thick] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;
\node at (0.8,0.7) {$S$};
\draw[thick, blue] (-0.2, 3.0) -- (1.0, -0.6) node[above right] {\scriptsize $3x+y=a$};
\draw[thick, green!60!black] (-0.2, 2.7) -- (2.0, -0.6) node[above right] {\scriptsize $\frac{3}{2}x+y=a$};
\fill (A) circle [radius=1.2pt] node[left] {$a$};
\fill (B) circle [radius=1.2pt] node[below] {$\frac{a}{3}$};
\fill (C) circle [radius=1.2pt] node[below] {$\frac{2}{3}a$};
\end{scope}
% 3D эскиз
\draw[->] (0,0) -- (3.5,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,0) -- (0,3.2) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-1.8,-1.8) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
\fill (0,2.4) circle [radius=1pt] node[left] {$a$};
\fill (2.4,0) circle [radius=1pt] node[above] {$a$};
\draw[dashed] (0,2.4) -- (2.4,0);
\node[above] at (1.2,1.8) {$x+y+z=a$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
-
«Крышка» тела: (плоскость ).
-
Основание в плоскости ():
Ограничено прямыми , и осью .- Точка пересечения наклонных прямых:
- Пересечение с осью : Область — треугольник с вершинами , , .
-
Расстановка пределов интегрирования:
Удобнее интегрировать сначала по (от левой прямой до правой), затем по :- Левая граница: ;
- Правая граница: .
-
Вычисление: Сделаем замену под интегралом :
Внешний интеграл:
Задача 3 (Демидович, № 2203)
Демидович, № 2203
Найти объём, заключённый между цилиндром и двуполостным гиперболоидом .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2, >=stealth]
\draw[->] (0,0) -- (3.2,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,-2.6) -- (0,2.8) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-1.6,-1.6) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Цилиндр x^2 + y^2 = a^2
\draw[thick, green!60!black] (-1.2,-2.2) -- (-1.2,2.2);
\draw[thick, green!60!black] (1.2,-2.2) -- (1.2,2.2);
\draw[thick, dashed, green!60!black] (0,0) ellipse [x radius=1.2, y radius=0.4];
% Верхняя гиперболическая крыша
\draw[thick, red] (-1.2,1.7) to[out=-40, in=220] (1.2,1.7);
\fill (0,1.2) circle [radius=1pt] node[right] {$a$};
\node[right, red] at (1.2,1.9) {\scriptsize $z = \sqrt{x^2+y^2+a^2}$};
% Нижний гиперболический подпол
\draw[thick, red] (-1.2,-1.7) to[out=40, in=-220] (1.2,-1.7);
\fill (0,-1.2) circle [radius=1pt] node[right] {$-a$};
% Объём V
\node at (0.5,0.7) {$V$};
\node[left, green!60!black] at (-1.2,1.0) {$x^2+y^2=a^2$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Уравнение гиперболоида:
- Верхняя «крышка»: ;
- Нижний «подпол»: .
- Симметрия относительно плоскости ():
Объём тела равен удвоенному объёму верхней половины: где область основания — круг . - Переход в полярную систему координат (ПСК):
Используем симметрию по 4 четвертям круга:
Методические замечания лектора
- В геометрических задачах следует активно использовать симметрию фигуры (это сокращает вычисления в разы).
- Соображения размерности: объём трёхмерного тела всегда пропорционален кубу линейного размера (). Если в ответе получилась степень, отличная от кубической, — допущена ошибка!
- Полезно вспомнить метод сечений для построения поверхностей (поиск следов в координатных плоскостях).
Задача 4 (Демидович, № 2216 — Задача Вивиани в двух постановках)
Демидович, № 2216
Постановка А: Вычислить площадь части поверхности сферы , вырезанной цилиндром .
Постановка Б: Вычислить площадь части поверхности цилиндра , вырезанной сферой .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.3, >=stealth]
\draw[->] (0,0) -- (3.2,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,0) -- (0,3.0) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-1.8,-1.8) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Сфера
\draw[thick] (0,0) circle [radius=2.0];
\node[above right] at (1.4,1.4) {$x^2+y^2+z^2=a^2$};
% Цилиндр Вивиани (вдоль оси z)
\draw[thick, blue] (-0.7,-0.7) ellipse [x radius=0.6, y radius=0.3];
\draw[thick, blue] (-1.3,-0.7) -- (-1.3,2.0);
\draw[thick, blue] (-0.1,-0.7) -- (-0.1,2.0);
\node[blue, right] at (-0.1,0.5) {$x^2+y^2=ax$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение пункта А (площадь поверхности сферы):
- Уравнение сферы: .
Частные производные: Элемент площади сферы: - Цилиндр вырезает две симметричные «шапки» (сверху и снизу от плоскости ): где — основание цилиндра: , .
- Переход в ПСК с учётом симметрии по четвертям:
Решение пункта Б (площадь поверхности цилиндра):
- Ищем площадь боковой поверхности цилиндра:
- Линия пересечения сферы и цилиндра: В проекции на плоскость граница представляет собой параболу .
- Дифференциал площади поверхности цилиндра (проекция на плоскость ):
- Учитывая переднюю и заднюю половины цилиндра ( и ), а также симметрию по :
Сравнение постановок:
- Площадь сферы внутри цилиндра: ;
- Площадь цилиндра внутри сферы: .
Разный выбор проецирующей плоскости диктуется формой поверхности!
Задача 5 (Демидович, № 2205 — тело «Корона»)
Демидович, № 2205
Найти объём тела, ограниченного плоскостью , параболоидом и однополостным гиперболоидом .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.2, >=stealth]
\draw[->] (0,0) -- (3.2,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,3.2) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-1.6,-1.6) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
% Параболоид z = (x^2+y^2)/(2a)
\draw[thick, blue, domain=-1.7:1.7, samples=40] plot ({\x}, {0.5*\x*\x});
\node[blue, right] at (1.7,1.5) {$2az = x^2+y^2$};
% Однополостный гиперболоид x^2+y^2 - z^2 = a^2 => z = sqrt(r^2 - a^2)
\draw[thick, red, domain=1.0:1.7, samples=30] plot ({\x}, {sqrt(\x*\x - 1)});
\draw[thick, red, domain=-1.7:-1.0, samples=30] plot ({\x}, {sqrt(\x*\x - 1)});
\node[red, right] at (1.0,0.2) {$x^2+y^2-z^2=a^2$};
% Точка касания z = a, r = a*sqrt(2)
\draw[dashed] (-1.414,1) -- (1.414,1);
\fill (1.414,1) circle [radius=1.2pt] node[above right] {\scriptsize $z=a$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Линия пересечения поверхностей: Поверхности касаются по окружности () на высоте .
- Разбиение объёма на две части:
- : центральная часть (под параболоидом над кругом радиуса ):
- : внешняя «корона» (в кольце между параболоидом и гиперболоидом):
- Общий объём тела:
Изящное решение через метод сечений:
Сечение тела горизонтальной плоскостью представляет собой кольцо с внутренним радиусом от параболоида () и внешним от гиперболоида (): Тогда объём вычисляется через элементарный одинарный интеграл:
Задача 6 (Демидович, № 2219)
Демидович, № 2219
Вычислить площадь части поверхности цилиндра , содержащейся между плоскостью и конусом .
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.1, >=stealth]
% 3D
\draw[->] (0,0) -- (3.2,0) node[right] {$y$};
\draw[->] (0,0) -- (0,3.2) node[above] {$z$};
\draw[->] (0,0) -- (-1.6,-1.6) node[below left] {$x$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
\draw[thick, blue] (-0.8,-0.8) ellipse [x radius=0.8, y radius=0.4];
\draw[thick, red] (0,0) -- (2.0,2.0) node[above right] {$z = \sqrt{x^2+y^2}$};
% Проекция на Oxz
\begin{scope}[shift={(5.0,0)}]
\draw[->] (-0.3,0) -- (3.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,3.0) node[left] {$z$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
\draw[thick, blue, domain=0:2.0, samples=40] plot ({\x}, {sqrt(2*1.0*\x)});
\node[blue, above] at (1.0,1.5) {$z^2 = 2ax$};
\filldraw[fill=blue!15, opacity=0.7] (0,0) -- plot[domain=0:2.0, samples=40] ({\x}, {sqrt(2*\x)}) -- (2.0,0) -- cycle;
\fill (2.0,0) circle [radius=1pt] node[below] {$2a$};
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Поверхность — цилиндр: .
- Линия пересечения с конусом :
- Элемент площади поверхности цилиндра (проецируем на ):
- С учётом симметрии по ( и ):
II. Механические приложения двойного интеграла
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.1, >=stealth]
\draw[->] (-0.3,0) -- (4.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.3) -- (0,3.2) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$O$};
\filldraw[fill=gray!20, draw=black, thick]
plot [smooth cycle, tension=0.8] coordinates {(1.0,1.0) (3.0,0.8) (3.5,2.4) (2.0,2.8) (0.8,1.8)};
\node at (2.4,2.2) {$S, \; \rho(x,y)$};
\fill[red] (2.0,1.7) circle [radius=2pt];
\node[red, above right] at (2.0,1.7) {$C(x_c, y_c)$};
\draw[dashed, red] (2.0,0) node[below] {$x_c$} -- (2.0,1.7) -- (0,1.7) node[left] {$y_c$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Физические характеристики пластинки с плотностью :
Масса пластинки:
Координаты центра масс:
Моменты инерции относительно координатных осей:
- Относительно оси (квадрат расстояния до оси равен ):
- Относительно оси (квадрат расстояния до оси равен ):
- Полярный момент инерции (относительно начала координат , расстояние ):
Задача 7 (Демидович, № 2227)
Демидович, № 2227
Вычислить координаты центра тяжести однородной фигуры (), ограниченной кривыми:
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.8, >=stealth]
\draw[->] (-0.2,0) -- (2.0,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-0.2) -- (0,1.4) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% y = sin(x) от 0 до pi/2 (pi/2 approx 1.57)
\draw[thick, blue, domain=0:1.57, samples=40] plot ({\x}, {sin(\x r)}) node[right] {$y = \sin x$};
% y = 2x/pi
\draw[thick, red] (0,0) -- (1.57,1.0) node[below right] {$y = \frac{2}{\pi}x$};
% Заливка области
\fill[gray!25, opacity=0.7]
plot[domain=0:1.57, samples=40] ({\x}, {sin(\x r)}) -- (0,0) -- cycle;
\draw[dashed] (1.57,0) node[below] {$\frac{\pi}{2}$} -- (1.57,1.0) -- (0,1.0) node[left] {$1$};
\fill (1.57,1.0) circle [radius=1pt];
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
-
Масса (площадь) фигуры:
-
Координата :
- ;
- .
-
Координата :
Задача 8 (Демидович, № 2237 — модельная задача)
Демидович, № 2237
Найти полярный момент инерции однородной пластинки (), ограниченной кардиоидой , относительно полюса.
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[scale=1.0, >=stealth]
\draw[->] (-1.0,0) -- (3.2,0) node[below] {$x$};
\draw[->] (0,-2.0) -- (0,2.0) node[left] {$y$};
\node[below left] at (0,0) {$0$};
% Кардиоида r = a*(1 + cos(phi)), a = 1
\filldraw[fill=red!15, draw=red!80!black, thick, domain=0:360, samples=100]
plot ({1*(1 + cos(\x))*cos(\x)}, {1*(1 + cos(\x))*sin(\x)});
\fill (2.0,0) circle [radius=1.2pt] node[below right] {$2a$};
\fill (0,1.0) circle [radius=1.2pt] node[above left] {$a$};
\fill (0,-1.0) circle [radius=1.2pt] node[below left] {$-a$};
\end{tikzpicture}
\end{document}Решение:
- Полярный момент инерции:
- В силу симметрии кардиоиды относительно полярной оси:
- Раскрываем скобки и понижаем степени:
Интегралы от нечётных степеней косинуса на интервале равны :
Для чётных степеней:
- ;
- ;
- .
- Итоговая сумма: