Применение тройных интегралов

Начертательная геометрия
  • Cборочные единицы
  • Обозначение материалов
  • Построение лекальных кривых
  • Примеры построения сопряжений
  • Выполнение чертежей деталей
  • Машиностроительное черчение
  • Позиционные задачи
  • Способ замены плоскостей проекции
  • Теория и синтез машин и механизмов
    Черчение выполнение чертежей
    Основы технической механики
    Примеры решения задач по математике
    Тройные и двойные интегралы
    Примеры курсового расчета
    Математика лекции и примеры решения задач
    Линейная и векторная алгебра
    Математический анализ
    Дифференцирование исчисление
    Интегральное исчисление
    Дифференциальные уравнения
    Примеры вычисления интегралов
    Вычисление длин дуг кривых
    Вычисление площадей в декартовых
    координатах
    Вычисление площадей фигур при
    параметрическом задании границы (контура)
    Площадь в полярных координатах 
    Вычисление объема тела
    Вычисление длин дуг плоских кривых,
    заданных в декартовых координатах

    Вычисление длин дуг кривых,
    заданных параметрически 

    Предел функции
    Производная функции
    Интегрирование тригонометрических выражений
    Задачи на вычисление интегралов
    Исследовать функцию
    Определенный и неопределенный интеграл
    Применение тройных интегралов
    Криволинейный интеграл
    Векторная функция
    Числовые ряды
    Степенные ряды
    Понятие функции
    комплексной переменной
    Операционное исчисление
    Интеграл Фурье
    Ряды Фурье
    Машиностроительное черчение
    Черчение в инженерной практике
    Оформление чертежа
    Техническая механика
  • Штриховка разрезов
  • Спецификация
  • Неметаллические материалы
  • Техника вычерчивания и обводка
  • Построение лекальных кривых
  • Основная надпись
  • Сопряжение
  • Форматы
  • Последовательность нанесения
    размеров
  • Проецируещие прямые
  • Позиционные задачи
  • Вращение плоскости
  • Информатика
    Основы Web технологий
    Общие принципы построения вычислительных
    сетей
    Основы передачи дискретных данных
    Базовые технологии локальных сетей
    Построение локальных сетей по стандартам
    физического и канального уровней
    Сетевой уровень как средство построения
    больших сетей
    Глобальные сети
    Средства анализа и управления сетями
    Сборник задач по физике
    Электротехника и электроника
    Электрический ток
    Законы Ома и Кирхгофа
    Кинематика материальной точки
    Основные представления
    об электричестве
    Электромагнитные волны
    Физическая оптика
    Ядерная физика
    Физика элементарных частиц
    Строение атомных ядер
    Законы теплового излучения
    Классическая физика
    Энеpгия движения тел с неподвижной осью
    Постулаты теоpии относительности
    Теpмодинамические системы
    Курс лекций по химии
    Атомная энергетика
    Повышение безопасности атомной станции
    Ядерные реакторы
    Основы ядерной физики
    Использование атомной энергетики
    для решения проблем дефицита пресной воды
    Проектирование и строительство
    атомных энергоблоков
    Юбилей Атомной энергетики

    Атомная Энергетика России Аварии и инциденты Экология Кольская АЭС Ленинградская АЭС Билибинская АЭС Курская АЭС

    Ядерные реакторы технология
    Реаторы третьего поколения ВВЭР-1500

    Масса неоднородного тела. Тройной интеграл.

    Рассмотрим тело, занимающее пространственную область  (рис. 1), и предположим, что плотность распределения массы в этом теле является непрерывной функцией координат точек тела:

        

    Единица измерения плотности - кг/м3.

                                    Рис. 1.

    Разобьем тело произволь­ным образом на n частей; объемы этих частей обозначим   Выберем затем в каждой части по про­извольной точке  Полагая, что в, каждой час­тичной области плотность по­стоянна и равна ее значению в точке , мы получим при­ближенное  выражение для массы всего тела в виде суммы 

    Декартовы координаты.

    Пусть дан тройной интеграл от функции В конкретной невырожденной координатной системе каждой точке соответствует один и только один набор координат.

    причем область  отнесена к системе декартовых координат Oxyz, Разобьем область интегрирования и плоскостями, параллельными координатным плоскостям. Тогда частичными областями будут параллелепипеды с гранями, параллельными плоскостям Оху, Охz, Оуz. Элемент объема .будет равен, произведению дифференциалов переменных интегрирования

    В соответствии с этим будем писать

    Установим теперь правило для вычисления    такого интеграла.

    Если же в общем случае менять порядок интегрирования ( т.е., скажем, интегрировать сначала по направлению оси Oy, а затем по области плоскости Oxz), то это приведёт к изменению порядка интегрирования в тройном интеграле и к изменению пределов интегрирования по каждой переменной.

             Рис.3                                            Рис.4

    А) Пример.

    Вычислим тройной интеграл

    Цилиндрические координаты.

    Отнесём область  к системе цилиндрических координат , в которой положение точки M в пространстве определяется полярными координатами  ее проекции Р на плос­кость Oxy и ее аппликатой (z). Выбирая взаимное распо­ложение осей координат, как указано на рис. 5, уста­новим связь, между декарто­выми и цилиндрическими ко­ординатами точки М, именно:

                 (*)

                          Рис.5

    Разобьем область  на частичные области  тремя системами координатных поверхностей:  которыми будут соответственно круговые цилиндрические поверхности, осью кото­рых является ось Оz, полуплоскости, проходящие через ось Оz, и плоскости, параллельные плоскости Оху. Частичными областями  служат прямые цилиндры MN (рис. 5). Так как объем цилиндра MN равен площади основания, умноженной на высоту, то для элемента объема получаем выражение

    Сферические координаты.

    Отнесём теперь область интегрирования  к системе сферических координат . В этой системе координат положение точки M в пространстве определяется её расстоянием r от начала координат (длина радиуса-вектора точки), углом  между радиусом-вектором точки и осью Oz и углом  между  проекцией радиуса вектора точки на плоскость Oxy и осью Ox (рис. 6). При этом  может изменятся то 0 до а   - от 0  до .

                                        Рис.6

    Связь между сферическими и декартовыми координатами легко устанавливается. Из рис.6 имеем

    Пример. Найдем центр тяжести однородного полушара :

    Две координаты центра тяжести  равны нулю, ибо полушар симметричен относительно оси Оz (тело вращения с осью Оz).

    Интеграл   удобно вычислить, перейдя к сферическим координатам:

    Так как объём полушара равен  то

                   

    Перейдём к вычислению моментов инерции тела относительно координатных осей. Так как квадраты расстояний от точки P(x, y, z) до осей Ox, Oy, Oz соответственно равны  то полагая для простоты  получим следующие формулы :

    Аналогично плоскому случаю интегралы

    называются центробежными моментами инерции.

    Для полярного момента инерции формула имеет вид

    Если тело неоднородное, то в каждой формуле под зна­ком интеграла будет находиться дополнительный множитель  - плотность тела в точке P.

    Пример. Вычислим полярный момент инерции однородного шара радиуса R. В этом случае очень удобно перейти к сфери­ческим координатам. Будем иметь

    где М—масса шара.

    Объём цилиндрического тела. Двойной интеграл.

    Пусть в некоторой замкнутой области D плоскости хОу определена ограниченная функция z = f(x,у), причём f(x,y)>0. К определению двойного интеграла приходим, вычисляя объём фигуры, основание которой - область D; сверху фигура ограничена поверхностью, уравнение которой z=f(x,y) боковая поверхность - цилиндрическая, образованная прохождением прямой, параллельной оси Oz вдоль границы L области D. Такая фигура называется цилиндрическим телом (рисунок 1).

    Рисунок 1. Цилиндрическое тело

    Объём цилиндрического тела можно вычислить приближённо, заменив его ступенчатой фигурой следующим образом.

    Основные свойства и приложения двойного интеграла

    1. Линейные свойства двойного интеграла:

    2. Если область D разделена на несколько частей D1, D2,...,Dk без общих внутренних точек, то

    3. Если функция f(x, у) непрерывна в замкнутой области D, то в этой области найдётся такая точка (хо,уо), что

    где SD - площадь области D (теорема о среднем).

    4. Если m, М - наименьшее  и наибольшее значения непрерывной функции f(x,y) в области D, то справедливо двойное неравенство (оценка двойного интеграла):

    где SD - площадь области D (теорема о среднем).

    Вычисление двойного интеграла в декартовых координатах

    Область D называется правильной относительно оси Ох, если прямая, параллельная этой оси, проходящая через внутреннюю точку области D, пересекает границу области в двух точках. Аналогично определяется правильная область относительно оси Оу.

      Рисунок 2. Рисунок 3.

    Рисунок 2 - Область, правильная, относительно оси Оу Рисунок 3 - Область, правильная, относительно оси Ох

    Область D, правильную относительно как Ох, так и Оу, называют просто правильной областью.

    Если область D - правильная относительно Оу (рисунок 2), двойной интеграл вычисляется по формуле:

    Изменим порядок интегрирования. При этом нижняя граница области D задана двумя аналитическими выражениями . В этом случае область D нужно разбить на две области Dl, D2 с помощью прямой, проходящей по оси Оу. На основании свойства 2 двойного интеграла получаем:

    Двойной интеграл в полярных координатах

    Если область интегрирования D - круг или часть круга, то обычно двойной интеграл вычислить легче, если перейти к полярным координатам. Полярный полюс помещается в начало декартовых координат, полярная ось направлена вдоль оси Ох. Формулы перехода к полярным координатам:

    Дифференциал площади в полярных координатах равен

    ds = rdrdφ

    С учётом формул (10), (11) находим:

    Двойные интегралы в полярных координатах выражаются через двукратные интегралы вида

    Приложения тройного интеграла

    С помощью тройного интеграла наряду с другими величинами можно вычислить:

    1) объём области V по формуле

    2) массу m тела V переменной плотностью

    по формуле

    Вычисление тройного интеграла в декартовых и других координатах

    Тройной интеграл в декартовых координатах

    Вычисление тройного интеграла сводится к последовательному вычислению трёх однократных интегралов. При этом дифференциал  объёма равен

    произведению дифференциалов независимых переменных dv = dxdydz. Область интегрирования называется правильной, если прямая, проходящая через произвольную внутреннюю точку области интегрирования параллельно каждой оси координат пересекает границу области в двух точках. В правильной области можно выбрать любую последовательность интегрирования по переменным х, у, z. Вычисление начинается с построения рисунка области интегрирования по заданным уравнениям границ области. Выбрав первую переменную интегрирования, нужно построить проекцию области интегрирования на плоскость двух других переменных. Например, если первое интегрирование производится по переменной z, то будет нужна проекция области на плоскость хОу.

    Пусть поверхность,  ограничивающая область V снизу, имеет уравнение

    Тройной интеграл в сферических координатах

    Если область V ограничена сферой или частью сферы, тройной интеграл вычислить проще переходом к сферическим координатам. Точка М в сферических координатах однозначно определяются величинами ρ, φ, θ. Здесь ρ- расстояние ОМ до точки из начала координат; φ- угол между проекцией ОМ на плоскость хОу и

    осью Ох; θ - угол между положительным направлением оси Oz и лучом ОМ. Связь между прямоугольными декартовыми координатами  х, у, z точки М и её

    сферическими координатами ρ, φ, θ определяется соотношениями

    где

    Дифференциал объёма в сферических координатах выражается как

    Формула замены переменных в тройном интеграле имеет вид:

    Основные свойства и приложения криволинейного интеграла первого рода

    1. Линейные свойства:

    2.Если линия L состоит из частей L1 и L2, то

    3. При изменении направления интегрирования криволинейный интеграл не изменяет своего значения, т.е. если под MN и NM понимать разнонаправленные линии, то

    4. Это свойство характерно только для криволинейного интеграла 1-го рода, ввиду того, что dl > 0 при любом движении вдоль кривой MN.

    С помощью криволинейных интегралов 1-го рода можно вычислять следующие геометрические и физические величины:

    Вычисление криволинейных интегралов 1-го рода

    Чтобы вычислить криволинейный интеграл 1-го рода, его нужно преобразовать в определённый интеграл с помощью уравнения кривой интегрирования, при этом:

    - если кривая MN задана уравнением:

    , то

    - если кривая MN задана уравнением:

    , то

    - если кривая MN задана параметрическими уравнениями: