Upload
others
View
9
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CAŁKA POTRÓJNA
JJ, IMiF UTP
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 1 / 32
Obszary normalne
DEFINICJA. Obszar normalny wzgledem płaszczyzny 0xy , to zbiór
Bxy = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, p(x , y) ¬ z ¬ q(x , y)},
gdzie D ⊂ R2 to obszar regularny, funkcje p(x , y) i q(x , y) sa ciagłe w Di spełniaja w nim warunek p(x , y) ¬ q(x , y).
Podobnie definiuje sie obszar normalny wzgledem płaszczyzny 0xz orazobszar normalny wzgledem płaszczyzny 0yz .
UWAGA. Zazwyczaj idziemy dalej w opisie i zbiór D zapisujemy jako obszar normalny względem
osi 0x (albo Oy).
DEFINICJA. Obszarem regularnym nazywamy sume skończonej liczbyobszarów normalnych.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 2 / 32
Obszar normalny, przykład
−2 −1 0 1 2−2
0
2
0
1
2
B = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, 0.5 + x2 + y2 ¬ z ¬ 2.5− x2 − y2},
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 3 / 32
Obszar normalny, inny przykład
Sześciościan B o wierzchołkach (0, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 1, 3), (0, 0, 3),(1, 0, 0), (1, 1, 0), (1, 1, 2), (1, 0, 2) możemy opisać następująco:
3
2
1
1 x
y
z
0
z = 3− x
B : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 3− x
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 4 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 5 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 5 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 5 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 5 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 5 / 32
Kolejny przykład, spojrzenie z różnych stron
Czworościan o wierzchołkach (1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2) jestobszarem normalnym względem wszystkich trzech płaszczyzn układu.
1
1 x
yz
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 6 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.Dokładniej:
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
D
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.Dokładniej:
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
D
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.Dokładniej:
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
y = x − 1
y = 1
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.Dokładniej:
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
z = 0
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ y + 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
z = 2− 2x + 2y
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 1. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, x − 1 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ y + 1, 0 ¬ z ¬ 2− 2x + 2y}.
1
1 x
yz
20
1
1 x
y
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 7 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
z = 0
z = 2y
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
x = 1
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
x = 1 + y − 12z
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 2. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 0 ¬ y ¬ 1, 0 ¬ z ¬ 2y , 1 ¬ x ¬ 1 + y − 12z}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2,12z ¬ y ¬ 1, 1 ¬ x ¬ 1 + y − 1
2z}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 y
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 8 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
z = 0
z = 4− 2x
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
y = x + 12z − 1
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
y = 1
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
WERSJA 3. Opis czworościanu C o wierzchołkach(1, 0, 0), (1, 1, 0), (2, 1, 0), (1, 1, 2).
C = {(x , y , z) : 1 ¬ x ¬ 2, 0 ¬ z ¬ 4− 2x , x +12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
lub
C = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ 2, 1 ¬ x ¬ 2− 12z , x +
12z − 1 ¬ y ¬ 1}.
1
1 x
yz
20
2
1
1 x
z
20
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 9 / 32
PRZYKŁAD. Opisz obszar B
ograniczony powierzchniami:
x = −1, x = 1, y = −1, y = 1 , z = 4− 2x4 − 2y4, z = x2 − y2 + 2.
−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
−0.5
0
0.5
1−2
−1
0
1
2
3
4
x
y
z
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 10 / 32
Opis:
B : −1 ¬ x ¬ 1, −1 ¬ y ¬ 1, x2 + y2 − 2 ¬ z ¬ 4− 2x4 − 2y4
−1 −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
−1
−0.5
0
0.5
1−2
−1
0
1
2
3
4
x
y
z
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 10 / 32
DEFINICJA
Załóżmy, że funkcja f (x , y , z) jest ograniczona w obszarze regularnym B.Dzielimy zbiór B na n dowolnych obszarów regularnych B1, . . . ,Bn o paramirozłącznych wnętrzach. Niech ∆i , dla i = 1, 2, . . . n, oznacza objętość obszaruBi . Największą ze średnic zbiorów B1, . . . ,Bn oznaczamy przez δn i nazywamynormą podziału. W każdym zbiorze Bi wybieramy dowolnie punkt (xi , yi , zi ).Tworzymy sumę całkową
σn = f (x1, y1, z1)∆1 + f (x2, y2, z2)∆2 + · · ·+ f (xn, yn, zn)∆n.
Tak postępujemy dla n = 2, 3, . . . otrzymując pewien ciąg podziałów zbioru B.Ciąg ten nazywamy ciągiem normalnym podziałów, jeżeli limn→∞ δn = 0.
Jeżeli dla każdego ciągu normalnego podziałów zbioru B istnieje skończonagranica limn→∞ σn (taka sama bez względu na wybór zbiorów Bi oraz punktów(xi , yi , zi )), to granicę tę nazywamy całką potrójną funkcji f (x , y , z) w zbiorze Bi oznaczamy
∫∫∫Bf (x , y , z)dxdydz , a funkcję f nazywamy całkowalną w zbiorze
B.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 11 / 32
INTERPRETACJA
Jeżeli γ(x , y , z) oznacza gęstość objętościową w punkcie (x , y , z), to masaobszaru B jest równa ∫ ∫ ∫
Bγ(x , y , z)dxdydz .
TWIERDZENIE.Funkcja ciągła w obszarze regularnym jest w nim całkowalna.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 12 / 32
WŁASNOŚCI. Zakładamy, że funkcje f (x , y , z) orazg(x , y , z) są całkowalne w obszarze regularnym B .
∫∫∫B
[f (x , y , z)± g(x , y , z)
]dxdydz
=∫∫∫
B f (x , y , z)dxdydz ±∫∫∫
B g(x , y , z)dxdydz ;∫∫∫B λf (x , y , z)dxdydz = λ
∫∫∫B f (x , y , z)dxdydz ;
jeśli B jest sumą obszarów regularnych B1 i B2 o rozłącznychwnętrzach, to∫∫∫
B f (x , y , z)dxdydz
=∫∫∫
B1f (x , y , z)dxdydz +
∫∫∫B2
f (x , y , z)dxdydz ;
objętość bryły B = {(x , y , z) : 0 ¬ z ¬ f (x , y), (x , y) ∈ D} jestrówna
∫∫∫B 1dxdydz .
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 13 / 32
Jak obliczamy całki potrójne?
TWIERDZENIE.Gdy f jest ciągła w obszarze normalnym
Bxy = {(x , y , z) : (x , y) ∈ D, p(x , y) ¬ z ¬ q(x , y)},
to ∫∫∫Bxy
f (x , y , z) dxdydz
=
∫∫D
[∫ q(x ,y)
p(x ,y)f (x , y , z)dz
]dxdy .
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 14 / 32
PRZYKŁAD
Stosując całki potrójne znaleźć współrzędne środka masy (xs , ys , zs)pięciościanu B o wierzchołkach(0, 0, 0), (1, 0, 0), (1, 1, 0), (0, 0, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 1), jeżeli gęstośćobjętościowa γ(x , y , z) = 2.
1
1 x
y
z
0
Bryła B da się opisać następująco:{(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 15 / 32
PRZYKŁAD
Stosując całki potrójne znaleźć współrzędne środka masy (xs , ys , zs)pięciościanu B o wierzchołkach(0, 0, 0), (1, 0, 0), (1, 1, 0), (0, 0, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 1), jeżeli gęstośćobjętościowa γ(x , y , z) = 2.
1
1 x
y
z
0
Bryła B da się opisać następująco:{(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 15 / 32
PRZYKŁAD „Widać”, że S(
23 ,
13 ,
12
).
Stosując całki potrójne znaleźć współrzędne środka masy (xs , ys , zs)pięciościanu B o wierzchołkach(0, 0, 0), (1, 0, 0), (1, 1, 0), (0, 0, 1), (1, 0, 1), (1, 1, 1), jeżeli gęstośćobjętościowa γ(x , y , z) = 2.
1
1 x
y
z
0
Bryła B da się opisać następująco:{(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 15 / 32
B : {(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}
Podstawiamy do wzoru na współrzędne środka masy
xs =1m
∫∫∫Bxγ(x , y , z) dxdydz , ys =
1m
∫∫∫Byγ(x , y , z) dxdydz ,
zs =1m
∫∫∫Bzγ(x , y , z) dxdydz , m =
∫∫∫Bγ(x , y , z) dxdydz .
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 16 / 32
B = {(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}Zatem
m =
∫∫∫Bγ(x , y , z) dxdydz
=
∫ 10
[∫ x
0
(∫ 10
2dz)dy]dx
=
∫ 10
[∫ x
0
[2z]z=1z=0dy
]dx
=
∫ 10
(∫ x
02dy
)dx
=
∫ 10
[2y]y=x
y=0dx
=
∫ x
02xdx
=[x2]10 = 1;
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 17 / 32
B = {(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}
xs =1m
∫∫∫Bxγ(x , y , z) dxdydz
=11
∫ 10
[∫ x
0
(∫ 10
2xdz)dy]dx
=
∫ 10
(∫ x
0
[2xz
]z=1z=0xdy
)dx
=
∫ 10
(∫ x
02xdy
)dx
=
∫ 10
[2xy
]y=x
y=0dx
=
∫ 10
2x2dx =23
;
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 18 / 32
B = {(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}
ys =1m
∫∫∫Byγ(x , y , z) dxdydz
=
∫ 10
[∫ x
0
(∫ 10
2ydz)dy]dx
=
∫ 10
(∫ x
02ydy
)dx
=
∫ 10
[y2]y=x
y=0dx
=
∫ 10
x2dx
=13
;
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 19 / 32
B = {(x , y , z) : 0 ¬ x ¬ 1, 0 ¬ y ¬ x , 0 ¬ z ¬ 1}
zs =1m
∫∫∫Bzγ(x , y , z) dxdydz
=
∫ 10
[∫ x
0
(∫ 10
2zdz)dy]dx
=
∫ 10
[∫ x
0
[z2]z=1z=0dy
]dx
=
∫ 10
(∫ x
01dy
)dx
=
∫ 10
xdx =12.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 20 / 32
Współrzędne sferyczne
DEFINICJA.Współrzędne sferyczne punktu P , to liczby% ∈ [0,∞), ϕ ∈ [0, 2π), Θ ∈ [0, π] takie, że % jest odległością punktu Pod początku układu O (długością promienia wodzącego), ϕ jest miarąkąta między rzutem prostokątnym wektora
−→OP na płaszczyznę Oxy a
dodatnią półosią Ox , a Θ jest miarą kąta między∗ wektorem−→OP a
dodatnią półosią Oz .
∗ Niektórzy przyjmują za współrzędne sferyczne punktu P liczby %, ϕ, Θ, gdzieΘ = 1
2π −Θ jest (dla z > 0) miarą kąta między wektorem−→OP a płaszczyzną
0xy . Zamiast % możemy pisać r .
Uwaga. Oczywiście zamiast ϕ ∈ [0, 2π) możemy przyjmować ϕ ∈ (−π, π].Jak dla nas, to oba przedziały mogą być domknięte:warunki ϕ ∈ [0, 2π] czy też ϕ ∈ [−π, π] nie sprawią kłopotu.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 21 / 32
Przykład
A : % = 2, ϕ = 0, Θ = 0B : % = 2, ϕ = 0, Θ = π/2C : % = 1, ϕ = π/2, Θ = π/2D : % = 1, ϕ = π, Θ = π/2E : % = 2, ϕ = 3π/2, Θ = π/2F : % = 1, ϕ = 0, Θ = π
A
BCD
E F
2
2
1
1 x
y
1
z
0
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 22 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
cosΘ =z
%,
z = % cosΘ.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
cosΘ =z
%,
z = % cosΘ.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
sinΘ =v
%,
v = % sinΘ,
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
v = % sinΘ,
cosϕ =x
v,
x = v cosϕ = % sinΘ cosϕ
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
v = % sinΘ,
sinϕ =y
v,
y = v sinϕ = % sinΘ sinϕ
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
x = % sinΘ cosϕ, y = % sinΘ sinϕ, z = % cosΘ.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Wzory „przejścia” (“konwersji”) ze współrzędnych kartezjańskich do sferycznych:
y
z
x
%
v
0
P(x , y , z)
Θ
ϕ
Oczywiściex2 + y2 + z2 = v2 + z2 = %2
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 23 / 32
Jakobian; Zależności: x = % sinΘ cosϕ, y = % sinΘ sinϕ, z = % cosΘ.
Jakobian „przejścia” ze współrzędnych kartezjańskich do sterycznych:∣∣∣∣∣∣∣x ′% x ′Θ x ′ϕy ′% y ′Θ y ′ϕz ′% z ′Θ z ′ϕ
∣∣∣∣∣∣∣ =
∣∣∣∣∣∣∣sinΘ cosϕ % cosΘ cosϕ −% sinΘ sinϕsinΘ sinϕ % cosΘ sinϕ % sinΘ cosϕ
cosΘ −% sinΘ 0
∣∣∣∣∣∣∣ =
∣∣∣∣∣∣∣sinΘ cosϕ % cosΘ cosϕ −% sinΘ sinϕsinΘ sinϕ % cosΘ sinϕ % sinΘ cosϕ
cosΘ −% sinΘ 0
∣∣∣∣∣∣∣sinΘ cosϕ % cosΘ cosϕsinΘ sinϕ % cosΘ sinϕ
cosΘ −% sinΘ= 0+ % cosΘ cosϕ · % sinΘ cosϕ · cosΘ + (−% sinΘ sinϕ) · sinΘ sinϕ · (−% sinΘ)
−(−% sinΘ sinϕ) · % cosΘ sinϕ · cosΘ − sinΘ cosϕ · % sinΘ cosϕ · (−% sinΘ)− 0
= %2 cos2Θ sinΘ cos2 ϕ+ %2 sin3Θ sin2 ϕ+ %2 sinΘ cos2Θ sin2 ϕ+%2 sin3Θ cos2 ϕ = %2 cos2Θ sinΘ(cos2 ϕ+ sin2 ϕ)
+%2 sin3Θ(sin2 ϕ+ cos2 ϕ) = %2 cos2ΘsinΘ + %2 sin2Θ · sinΘ
= %2 sinΘ(cos2Θ + sin2Θ) = %2 sinΘ
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 24 / 32
Całkowanie przez podstawienie
TWIERDZENIE. Gdy S jest zbiorem B „opisanym” we współrzędnychsferycznych, tzn.S = {(%, ϕ,Θ) : (% sinΘ cosϕ, % sinΘ sinϕ, % cosΘ) ∈ B} i gdy funkcja fjest ciągła w obszarze regularnym B, to∫∫∫
Bf (x , y , z) dxdydz
=
∫∫∫Sf (% sinΘ cosϕ, % sinΘ sinϕ, % cosΘ) · %2 sinΘ d%dϕdΘ.
Czynnik %2 sinΘ to odpowiedni jakobian.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 25 / 32
PRZYKŁAD. Obliczyć masę kuli o promieniu 1 wykonanejz materiału, którego gęstość w każdym punkcie jest równaodległości tego punktu od środka tej kuli.
Jeśli układ współrzędnych wybierzemy tak, by jego środek był środkiemkuli K , to gęstość γ(x , y , z) =
√x2 + y2 + z2, a więc
m =
∫∫∫K
√x2 + y2 + z2 dxdydz .
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 26 / 32
PRZYKŁAD. Obliczyć masę kuli o promieniu 1 wykonanejz materiału, którego gęstość w każdym punkcie jest równaodległości tego punktu od środka tej kuli.
Kula K to obszar opisany we współrzędnych sferycznych jako
S = {(%, ϕ,Θ) : 0 ¬ % ¬ 1, 0 ¬ ϕ ¬ 2π, 0 ¬ Θ ¬ π}.
Oczywiście√x2 + y2 + z2 = %.
Przypominam, że jakobian to %2 sinΘ .
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 27 / 32
S = {(%, ϕ,Θ) : 0 ¬ % ¬ 1, 0 ¬ ϕ ¬ 2π, 0 ¬ Θ ¬ π}.
Zatem
m =
∫∫∫K
√x2 + y2 + z2 dxdydz =
∫∫∫S% · %2 sinΘ d%dϕdΘ
=
∫ 10
[∫ 2π0
(∫ π
0%3 sinΘ dΘ
)dϕ]d%
=
∫ 10
[∫ 2π0
[−%3 cosΘ
]Θ=π
Θ=0 dϕ]d%
=
∫ 10
[∫ 2π0
2%3 dϕ]d%
=
∫ 10
4π%3d%
= 4π[1
4%4]10 = π.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 28 / 32
Własność:∫ ba
{∫ dc
[∫ qp g(x) · h(y) · j(z)dz
]dy
}dx =∫ b
a g(x)dx · ∫ dc h(y)dy · ∫ qp j(z)dz
Całkę z poprzedniego slajdu mogliśmy więc wyliczyć tak (wszystkie całkimają stałe granice i całkujemy odpowiedni iloczyn):
m =
∫ 10
[∫ 2π0
(∫ π
0%3 sinΘ dΘ
)dϕ]d%
=
∫ 10%3d% ·
∫ 2π0
1dϕ ·∫ π
0sinΘ dΘ
=[1
4%4]10 ·[ϕ]2π0 ·
[− cosΘ
]π0 =
14· 2π ·
[[−(−1)]− [−1]
]= π.
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 29 / 32
Kilka innych zastosowań, γ(x , y , z) to gęstość obszaru regularego B
moment statyczny bryły B względem płaszczyzny 0xy jest równy
Mxy =
∫∫∫B
z · γ(x , y , z) dxdydz
moment statyczny bryły B względem płaszczyzny 0xz jest równy
Mxz =
∫∫∫B
y · γ(x , y , z) dxdydz
moment statyczny bryły B względem płaszczyzny 0yz jest równy
Myz =
∫∫∫B
x · γ(x , y , z) dxdydz
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 30 / 32
Kilka innych zastosowań, γ(x , y , z) to gęstość obszaru regularego B
moment bezwładności bryły B względem osi 0x jest równy
Ix =
∫∫∫B
(y2 + z2) · γ(x , y , z) dxdydz
moment bezwładności bryły B względem osi 0y jest równy
Iy =
∫∫∫B
(x2 + z2) · γ(x , y , z) dxdydz
moment bezwładności bryły B względem osi 0z jest równy
Iz =
∫∫∫B
(x2 + y2) · γ(x , y , z) dxdydz
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 31 / 32
Kilka innych zastosowań, γ(x , y , z) to gęstość obszaru regularego B
moment bezwładności bryły B względem początku układu jest równy
I0 =∫∫∫
B
(x2 + y2 + z2) · γ(x , y , z) dxdydz
moment bezwładności bryły B względem płaszczyzny 0xy jest równy
Ixy =
∫∫∫B
z2 · γ(x , y , z) dxdydz
moment bezwładności bryły B względem płaszczyzny 0xz jest równy
Ixz =
∫∫∫B
y2 · γ(x , y , z) dxdydz
moment bezwładności bryły B względem płaszczyzny 0yz jest równy
Iyz =
∫∫∫B
x2 · γ(x , y , z) dxdydz
(IMiF UTP) CAŁKA POTRÓJNA 20 32 / 32