Здравствуйте, naks1mok!
Условие: Функция f(x,y) = ln(x
2 + y
2) , границы области D : x
2 + y
2 = e
3 , x
2 + y
2 = e
4 .
Вычислить двойной интеграл I2 =
D[$8747$][$8747$]f(x,y)·dx·dy
Решение : Область интегрирования D задана двумя кривыми x
2 + y
2 = e
3 , x
2 + y
2 = e
4 . Что означают эти формулы?
Вспоминаем, что x
2 + y
2 = R
2 - это уравнение окружности радиусом R с центром в начале координат.
Значит наша область интегрирования - это кольцо м-ду 2мя концентрическими окружностями с радиусами
R
1 = [$8730$](e
3) = 4,48 и R
2 = [$8730$](e
4) = e
2 = 7,39 .
"Чтобы вычислить двойной интеграл, надо свести его к так называемым повторным интегралам" (цитата из учебной статьи "
Двойные интегралы для чайников! Ссылка1). Автор статьи - Емелин Александр - мой любимый Учитель по Высшей математике. По совету Александра я начертил график Вашей области D интегрирования в бесплатном приложении
ru.wikipedia.org/wiki/Mathcad . Маткад работает быстро и избавляет меня от частых ошибок. Маткад-скриншот прилагаю. Я добавил в него подробные комментарии зелёным цветом.
"площадь данной фигуры рассчитывается и с помощью двойного интеграла в прямоугольной системе координат. Но решение получается длительным и громоздим…, и если человек не знает о возможности перехода к полярным координатам…, то будет загружен трудной работой (цитата из "
Как вычислить двойной интеграл в полярной системе координат?"
Ссылка3 ). Я убедился: При попытке решить Вашу задачу в обычной прямоугольной системе координат, интегралы получаются очень громоздкими и трудно-решаемыми. В них легко запутаться и ошибиться.
Для облегчения вычисления перейдём к полярной системе координат по формулам, учитывая, что все Ваши кривые округлые, имеют общий центр и "заточены" именно под полярную систему. Формулы перехода к полярной системе координат:
x = r·cos([$966$]) , y = r·sin([$966$]) .
x
2 + y
2 = e
3 ==> r
2·cos
2([$966$]) + r
2·sin
2([$966$]) = e
3 ==> r
2 = e
3 ==> r = [$8730$](e
3) = 4,48
x
2 + y
2 = e
4 ==> r
2·cos
2([$966$]) + r
2·sin
2([$966$]) = e
4 ==> r
2 = e
4 ==> r = e
2 = 7,39
f(x,y) = ln(x
2 + y
2) ==> fp(r,[$966$]) = ln{[r·cos([$966$])]
2 + [r·sin([$966$])]
2} = ln{r
2·[cos
2([$966$]) + sin
2([$966$])} = ln{r
2·1} = ln{r
2} = 2·ln(r)
Порядок обхода области интегрирования:
4,48 <= r <= 7,39 , 0 <= [$966$] <= 2·?
Искомый двойной интеграл I2 =
D[$8747$][$8747$]f(x,y)·dx·dy =
D[$8747$][$8747$]fp(r,[$966$])·r·dr·d[$966$] =
02·[$960$][$8747$]d[$966$]
4,487,39[$8747$]2·ln(r)·r·dr
Решаем его в 2 этапа (переходим к повторным интегралам).
Сначала берём Внутренний интеграл: Ir =
4,487,39[$8747$]2·ln(r)·r·dr = 2·
4,487,39 [$8747$]ln(r)·r·dr
Однако, интеграл типа [$8747$]ln(r)·r·dr - не есть "табличный". Используем формулу интегрирования по частям
[$8747$]u·dv = u·v - [$8747$]v·du
u = ln(r) , потому что "
В интегралах с логарифмом за u всегда обозначается логарифм" (цитата из "
Интегрирование по частям. Примеры решений"
Ссылка4 )
dv = r·dr - оставшаяся часть подынтегрального выражения.
Находим дифференциал : du : u = ln(r) ==> du = (ln(r))'·dr = dr / r
"
Дифференциал - это почти то же, что и производная, как его находить, мы уже разбирали на предыдущих уроках" - цитата из выше-указанной статьи.
Теперь находим функцию v интегрированием: v = [$8747$]dv = [$8747$]r·dr = r
2 / 2
[$8747$]v·du = [$8747$][(r
2 / 2)·(dr / r)] = (1/2)·[$8747$]r·dr = (1/2)·r
2/2 = r
2/4
[$8747$]ln(r)·r·dr = u·v - [$8747$]v·du = ln(r)·(r
2 / 2) - r
2/4 = (1/2)·[r
2·ln(r) - r
2/2]
Продолжаем ранее-отложенное вычисление Внутреннего интеграла:
Ir = 2·
4,487,39 [$8747$]ln(r)·r·dr = (2/2)·[r
2·ln(r) - r
2/2] |
4,487,39 = [r
2·ln(r) - r
2/2] |
4,487,39 = 61,81
Искомый Внешний интеграл совсем простой:
I2 =
02·[$960$][$8747$]Ir·d[$966$] = Ir·
02·[$960$][$8747$]d[$966$] = Ir·([$966$]) |
02·[$960$] = 61,81·(2·[$960$] - 0) = 61,81·6,28 = 388
Ответ : двойной интеграл равен 388 .
В конце изнурительных рассчётов полезно сделать упрощённую проверку-прикид с точностью хотя бы 10% подстраховаться от неожиданных, досадных ошибок. Для проверки сравним исследуемую фигуру с какой-нибудь похожей классической, объём которой легко вычислить. Замечаем, что заданная нам функция - тороидальное тело вращения. Его горизонтальная проекция на плоскость XOY - это выше-описанное кольцо с голубой заливкой на графике.
Площадь кольца легко вычислить, как разность площадей внешнего и внутреннего кругов:
Sк = [$960$]·R
22 - [$960$]·R
12 = 108 кв.ед.
А средняя толщина (высота) h тора в вертикальном сечении (жёлтая заливка) чуть больше среднего арифметического м-ду значениями f(R
12 , 0) и f(R
22 , 0) изза небольшой выпуклости логарифмоиды f(x,y) .
f(R
12,0) = ln{[[$8730$](e
3)]
2 + 0
2} = ln(e
3) = 3
f(R
22,0) = ln{[[$8730$](e
4)]
2 + 0
2} = ln(e
4) = 4
То есть h [$8776$] 3,6 . Объём V такого тора примерно равен произведению площади кольца Sk на его высоту h (представьте объём стопки кольцевидных блинов на подставке).
V = Sk·h = 390 , что всего на 0,5% отличается от точно-вычисленного интеграла. Значит, проверка успешна!
Вы писали в минифоруме "интегралы тяжело даются" - тогда Вы можете решить Вашу задачу по школьному принципу "От простого к сложному". Для начала решите Ваш двойной интеграл с "пустой" функцией f(x,y) = 1. В таком варианте двойной интеграл
D[$8747$][$8747$]dx·dy численно равен уже известной площади Sk области интегрирования D .
Если что-то осталось не понятным, задавайте вопросы в минифоруме.