Multipel integral

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 27 december 2020; verifiering kräver 1 redigering .

I matematisk analys är en multipel- eller multipelintegral en uppsättning integraler hämtade från variabler. Till exempel:

Notera: en multipelintegral är en bestämd integral, och när den beräknas erhålls alltid ett tal.

Definition av en multipelintegral

Låta vara  en mätbar [1] uppsättning av ett n-dimensionellt reellt utrymme,  vara en funktion på .

En partition av en uppsättning  är en uppsättning parvis disjunkta delmängder som kombineras för att ge allt .

Finheten hos skiljeväggen  är den största diametern på uppsättningarna .

En partition kallas finit om den är en finit mängd, och mätbar om alla dess element är mätbara (i det här fallet, enligt Jordan) uppsättningar.

En multipel (n-faldig) integral av en funktion i en mängd är ett tal (om det finns) så att det, oavsett hur litet grannskap av talet vi sätter, alltid finns en sådan partition av mängden och en mängd av mellanliggande punkter att summan av produkterna av värdet av funktionen vid mellanpunkten för partitionen på partitionsmåttet kommer att falla i denna grannskap. Formellt:

 :  :

Här  är måttet på uppsättningen .

Denna definition kan formuleras i en annan form med hjälp av integralsummor. Tänk nämligen på integralsumman för en given partition och en uppsättning punkter

Multipelintegralen för en funktion är gränsen

om det finns. Gränsen tas över uppsättningen av alla sekvenser av partitioner, med finhet som tenderar till 0. Naturligtvis skiljer sig denna definition från den föregående, i själva verket bara på det språk som används.

Integralen betecknas enligt följande:

,

I moderna matematiska och fysiska artiklar används inte den upprepade användningen av integraltecknet.

En sådan multipelintegral kallas en riktig integral .

I fallet är multipelintegralen densamma som Riemannintegralen .

Förekomsten av en multipelintegral

Tillräckliga förutsättningar Darboux-kriterium

Låt det finnas övre och nedre Darboux-integraler av funktionen på . Sedan, om de övre och nedre Darboux-integralerna är lika, är denna funktion integrerbar på , och:

Lebesgue kriterium

Låt vara ett Jordan mätbart set. Funktionen är integrerbar om:

Egenskaper för flera integraler

. . . .

Beräkning av flera integraler

Reduktion av en multipelintegral till iterativa

Låt vara  en mätbar uppsättning,  vara också en mätbar uppsättning, vara definierad och integrerbar på . Sedan

kallas den itererade integralen av en funktion över en mängd ;

Vilken d-dimensionell integral som helst kan reduceras till d endimensionella.

Ändring av variabler i en multipelintegral

Låt en bijektiv mappning ges som omvandlar domänen till :

,

var  är de "gamla" koordinaterna och  är de "nya" koordinaterna. Låt vidare funktionerna som definierar mappningen ha kontinuerliga partiella derivator av första ordningen i domänen, såväl som en bounded och icke-noll Jacobian

.

Sedan, under förutsättning att integralen existerar

formeln för förändring av variabler är giltig:

Användning av symmetri

Om integrationsdomänen är symmetrisk med avseende på ursprunget för koordinater för åtminstone en av integrationsvariablerna och integranden är udda i denna variabel, är integralen lika med noll, eftersom integralerna över de två halvorna av integrationsdomänen har samma absoluta värde men motsatta tecken. Om integranden är jämn över denna variabel är integralen lika med två gånger integralen över en av halvorna av integrationsdomänen, eftersom integralerna över var och en av halvorna är lika.

Exempel 1. Låt funktionen integreras över domänen

en cirkel med radie  1 centrerad vid origo.

Med hjälp av linearitetsegenskapen kan integralen delas upp i tre delar:

2sin( x ) och 3 y 3 är udda funktioner, och det är också tydligt att skivan T är symmetrisk kring både x -axeln och y -axeln . Alltså är det bara konstant 5 som bidrar till det slutliga resultatet.

Exempel 2. Låt funktionen f ( x ,  y ,  z ) = x  exp( y 2  +  z 2 ) integreras över en sfär med radie 2 centrerad vid origo,

"Bollen" är symmetrisk längs alla tre axlarna, men det räcker med att integrera längs x -axeln för att visa att integralen är 0, eftersom funktionen är udda i denna variabel.

Dubbel integral

En dubbelintegral är en multipelintegral med .

. Här  är areaelementet i de betraktade koordinaterna.

I rektangulära koordinater: , där  är arealementet i rektangulära koordinater.

Geometrisk betydelse för dubbelintegralen

Låt funktionen endast ta positiva värden i domänen. Då är den dubbla integralen numeriskt lika med volymen av en vertikal cylindrisk kropp byggd på basen och avgränsad från ovan av motsvarande yta .

Uttryck av dubbelintegralen i termer av polära koordinater

I vissa fall är det lättare att beräkna dubbelintegralen inte i rektangulära, utan i polära koordinater , eftersom i detta fall en betydande förenkling av formen för integrationsregionen och hela integrationsprocessen som helhet kan inträffa.

Vi tillämpar satsen för förändring av variabler. Transformationen som motsvarar övergången har formen:

Modulen för mappningens Jacobian är . Därmed får vi det

var .

Här är areaelementet i polära koordinater.

Ett exempel på övergång till ett godtyckligt koordinatsystem

Låt oss beräkna områdets yta .

Att byta till ett polärt koordinatsystem gör inte området lättare:

.

Multiplikatorn framför sinus "stör". I det här fallet kan övergången justeras något:

.

Denna omvandling kommer att översätta det ursprungliga området till följande:

.

Jacobian display:

.

Jacobian-modulen är också .

Härifrån

.

Resultatet är korrekt eftersom området begränsas av ellipsen som ges av den kanoniska ekvationen. Arean kan beräknas med formeln . Genom substitution ser vi till att beräkningen av integralen är korrekt.


Tillämpningar av dubbla integraler

Värdenamn Allmänt uttryck Rektangulära koordinater Polära koordinater
Arean av en platt figur
Massa av en tunn platt platta

densitet

Ytbitarea
Volymen av en cylindrisk kropp,

står på planet

Tröghetsmoment för en platt figur

om axeln

Tröghetsmoment för en platt figur

om axeln

Masscentrum koordinater

homogen platta

Anteckningar

1) Area  - projektion på ett plan ; endast en punkt på ytan projiceras in i varje punkt i området;

 är vinkeln mellan tangentplanet och planet .

2) Kombinerat med planet .

3) Eller, vilket är detsamma, i förhållande till mitten O.

Trippelintegral

En trippelintegral är en multipelintegral med :

var är volymelementet i de betraktade koordinaterna.

Uttryck av trippelintegralen i form av rektangulära koordinater

I rektangulära koordinater har trippelintegralen följande form:

var är volymelementet i rektangulära koordinater.

Uttryck av trippelintegralen i termer av cylindriska koordinater

På liknande sätt, i vissa fall, är trippelintegralen lättare att beräkna inte i rektangulära, utan i cylindriska koordinater . Vi tillämpar satsen för förändring av variabler. Transformationen som motsvarar övergången har formen:

Modulen för mappningens Jacobian är . Därmed får vi det

var är volymelementet i cylindriska koordinater.

Uttryck av trippelintegralen i termer av sfäriska koordinater

Förutom cylindriska koordinater kan du även byta till sfäriska koordinater . Vi tillämpar satsen för förändring av variabler. Transformationen som motsvarar övergången har formen:

Modulen för mappningens Jacobian är . Därmed får vi det

var är volymelementet i sfäriska koordinater.

Tillämpningar av trippelintegraler

Värdenamn Allmänt uttryck Rektangulära koordinater Cylindriska koordinater Sfäriska koordinater
kroppsvolym
Tröghetsmomentet för den geometriska

kroppar runt axeln

Massa av en fysisk kropp med täthet
Masscentrum koordinater

homogen kropp

Se även

Anteckningar

  1. Här och överallt nedan, om inte annat anges, förstås mätbarheten för en uppsättning i jordansk mening.
  2. Det är ganska typiskt i en sådan notation att använda en annan bokstav för elementet i det ( n - dimensionella) integrationsomfånget än för beteckningen av vektorargumentet för den integrerbara funktionen, dvs. inte utan till exempel eller helt enkelt eller etc., eftersom detta volymelement i koordinatnotationen i de enklaste fallen är produkten av koordinatskillnader , och i det mer allmänna fallet med kurvlinjära koordinater måste X också inkludera determinanten för metriken :

Litteratur