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.
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 .
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 kriteriumLåt vara ett Jordan mätbart set. Funktionen är integrerbar om:
Låt vara en mätbar uppsättning, vara också en mätbar uppsättning, vara definierad och integrerbar på . Sedan
Vilken d-dimensionell integral som helst kan reduceras till d endimensionella.
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:
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.
En dubbelintegral är en multipelintegral med .
. Här är areaelementet i de betraktade koordinaterna.I rektangulära koordinater: , där är arealementet i rektangulära koordinater.
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 .
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.
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.
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. |
En trippelintegral är en multipelintegral med :
var är volymelementet i de betraktade koordinaterna.
I rektangulära koordinater har trippelintegralen följande form:
var är volymelementet i rektangulära 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.
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.
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 |
— | — |
![]() | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Integralkalkyl | ||
---|---|---|
Main | ||
Generaliseringar av Riemann-integralen | ||
Integrerade transformationer |
| |
Numerisk integration | ||
måttteori | ||
Relaterade ämnen | ||
Listor över integraler |