Интеграл от разрывной функции
(несобственный интеграл второго рода)
Определение 3.2. Пусть функция непрерывна на промежутке и имеет бесконечный разрыв при . Если существует конечный предел , где , то его называют сходящимся несобственным интегралом второго рода и обозначают , т.е.
. (3.2)
Если же указанный предел не существует или он бесконечен, то говорят, что интеграл расходится.
Аналогично, если функция терпит бесконечный разрыв в точке , то полагают
.
Если функция терпит разрыв во внутренней точке отрезка , то несобственный интеграл второго рода определяется формулой
.
В этом случае интеграл слева называют сходящимся, если оба предела, стоящих справа существуют.
Пример 3.5. Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость:
.
Следовательно, данный интеграл расходится.
,
Пример 3.6. Вычислить несобственный интеграл или установить его расходимость:
.
Следовательно, данный интеграл сходится.
,
4. ДВОЙНОЙ ИНТЕГРАЛ
Двойной интеграл
Рассмотрим в плоскости замкнутую область . Область называется замкнутой, если она ограничена замкнутой линией, и точки, лежащие на границе, считаются принадлежащими области .
Пусть в области задана непрерывная функция .
Схема получения двойного интеграла
1) Разбиваем область на «элементарных областей» .
2) Площадь области обозначим , а диаметр (наибольшее расстояние между двумя точками области) – через .
3) Возьмем произвольную точку .
4) Находим , что равно объему тела (призма), площадь основания которого , а высота равна .
5) Составляем интегральную сумму
.
6) Обозначим через длину наибольшего из диаметров «элементарных областей», т.е. , . Найдем предел интегральной суммы, когда так, что . Если предел существует и не зависит от способа разбиения области на части, ни от выбора точек в них, то он называется двойным интегралом от функции по области .
.
Таким образом, двойным интегралом от по замкнутой областью называется предел интегральной суммы , когда число «элементарных областей» неограниченно возрастает, а длина наибольшего диаметра стремится к нулю:
. (4.1)
- интегрируемая функция в области ;
- область интегрирования;
и - переменные интегрирования;
или - элемент площади.
Для всякой ли функции существует двойной интеграл? На этот вопрос отвечает следующая теорема, которую мы приведем без доказательства.
Теорема 4.1 (достаточное условие интегрируемости функции).
Если функция непрерывна в замкнутой области ,то она интегрируема в этой области.
Замечание: далее будем рассматривать только функции, непрерывные в области интегрирования, хотя двойной интеграл может существовать не только для непрерывных функций.
Геометрический смысл двойного интеграла.
Двойной интеграл от неотрицательной функции ( ) численно равен объему тела, которое сверху ограничено поверхностью , снизу – замкнутой областью плоскости , с боков – цилиндрической поверхностью, образующая которой параллельна оси , а направляющей служит граница , т.е.
.
Основные свойства двойного интеграла
Свойства двойного интеграла аналогичны свойствам определенного интеграла функции одной переменной на отрезке. Поэтому перечислим основные свойства двойного интеграла (без доказательства), считая подынтегральные функции интегрируемыми.
1. , где .
2. .
3. Если область разбить линией на две области и такие, что , а пересечение , где - линия, разделяющая и (см. рисунок), то
4. Если в области имеет место неравенство , то и
.
5. Если в области функции и удовлетворяют неравенству , то и
.
6. Если , , то , где - площадь области интегрирования .
7. Если функция непрерывна в замкнутой области , площадь которой , то
,
где и - соответственно наименьшее и наибольшее значения подынтегральной функции в области .
8. Если функция непрерывна в замкнутой области , площадь которой , то в этой области существует такая точка , что
.
Величину называют средним значением функции в области .
Вычисление двойного интеграла
В декартовых координатах
Покажем, что вычисление двойного интеграла сводится к последовательному вычислению двух определенных интегралов.
Пусть требуется вычислить двойной интеграл , где функция непрерывна в области . Тогда, двойной интеграл выражает объем цилиндрического тела, ограниченного сверху поверхностью . Найдем этот объем, используя метод параллельных сечений. , где - площадь сечения плоскостью, перпендикулярной оси , а и - уравнения плоскостей, ограничивающих данное тело.
направлении оси : любая прямая, параллельная оси , пересекает границу области не более чем в дух точках.
Построим сечение цилиндрического тела плоскостью, перпендикулярной оси : , где .
В сечении получаем криволинейную трапецию , ограниченную линиями , где , и . Площадь этой трапеции находим с помощью определенного интеграла:
.
Теперь, согласно методу параллельных сечений, искомый объем цилиндрического тела может быть найден так:
.
С другой стороны, объем цилиндрического тела определяется как двойной интеграл от функции по области . Следовательно,
.
Таким образом, для вычисления двойного интеграла функции по области используется следующая формула
. (4.2)
Правую часть (4.2) называют двукратным (или повторным) интегралом от функции по области . Интеграл называется внутренним интегралом.
Для вычисления двукратного интеграла сначала берем внутренний интеграл, считая постоянным, затем берем внешний интеграл, т.е. результат первого интегрирования интегрируем по в пределах от до .
Если область ограничена прямыми и ( ), кривыми и , причем для всех , т.е. область - правильная (стандартная) в направлении оси , то, рассекая тело плоскостью , аналогично получаем
. (4.3)
Здесь при вычислении внутреннего интеграла, считаем постоянным.
Замечания.
1. Формулы (4.2) и (4.3) справедливы и в случае, когда , .
2. Если область правильная в обоих направлениях, то двойной интеграл можно вычислять как и по формуле (4.2), так и по формуле (4.3).
3. Если область не является правильной ни «по », ни «по », то для сведения двойного интеграла к повторным ее следует разбить на части, правильные в направлении оси или оси .
4. Полезно помнить, что внешние пределы в двукратном интеграле всегда постоянны, а внутренние, как правило, переменные.
Пример 4.1. Вычислить , если область ограничена линиями: .
Решение. I способ.
II способ. Построенная область является правильной в направлении оси . Для вычисления двойного интеграла воспользуемся формулой (1.3):
.
,
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту:
©2015 - 2024 stydopedia.ru Все материалы защищены законодательством РФ.
|