Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 25 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
25
Dung lượng
1,16 MB
Nội dung
Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Chương TÍCH PHÂN BỘI 1.1 Các mặt bậc hai tắc Cho hàm biến z f ( x, y ) Đồ thị mặt cong không gian R3 xác định G ( f ) x, y, f ( x, y ) R /( x, y ) D f Ví dụ 1.1 Đồ thị hàm z x y mặt phẳng qua điểm (1, 0, 0); (0,1, 0); (0, 0,1) z O y 1 x Ví dụ 1.2 Khảo sát đồ thị hàm z x y Nhận xét : ( x, y) R , z Đồ thị đối xứng qua mặt x 0; y cắt mặt theo parabol z y2; z x2 Đồ thị cắt mặt phẳng z h theo đường tròn x y h Như h thay đổi từ đến , đường tròn vẽ nên đồ thị, gọi mặt paraboloit eliptic z y x O Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Ngồi khảo sát số mặt bậc hai có phương trình tổng quát Ax By Cz 2Dxy Eyz Fxz Gx Hy Iz K có hệ số bậc hai khác không Các trường hợp suy biến x : tập trống x y z : điểm gốc toạ độ (0,0,0) x 0; y 0; z : mặt Oyz; Oxz; Oxy x y : đường thẳng giao mặt x 0; y Các mặt bậc hai tắc z x2 y2 z 2 1: elipxoit a b c y x O x2 y2 z : paraboloit eliptic a2 b2 x2 y2 z : paraboloit hyperbolic (mặt yên ngựa) a b Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội x2 y2 z : hyperboloit tầng a2 b2 c2 x2 y2 z 1 : hyperboloit hai tầng a2 b2 c2 x2 y2 : mặt trụ eliptic a2 b2 x2 y2 : mặt trụ hyperbolic a2 b2 Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội y px : mặt trụ parabolic 1.2 x2 y2 z : mặt nón bậc hai a2 b2 c2 Tích phân bội (Tích phân kép) 1.2.1 Bài tốn mở đầu: thể tích hình trụ cong z z f ( x, y ) Ωi y O x Di D Xét hình trụ cong giới hạn mặt cong z f ( x, y ) , giới hạn miền phẳng D mặt phẳng Oxy giới hạn xung quanh mặt trụ có Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội đường sinh song song với trục Oz có đường chuẩn biên D (hình vẽ trên) Vấn đề đặt tính thể tích V hình trụ cong trên? Chia miền D thành n mảnh D1 , D2 , Dn không dẫm lên với diện tích tương ứng S1 , S , S n Lấy điểm M i ( xi , y i ) thuộc Di , coi thể tích hình trụ cong i gần thể tích hình trụ thẳng có đáy Di , chiều cao f ( xi , y i ) Khi n Vn f ( x i , y i ) S i i 1 Khi n cho max d ( Di ) lim Vn V thể tích hình trụ cong cần tìm n 1.2.2 Định nghĩa Cho hàm f ( x, y ) xác định miền D đóng bị chặn mặt phẳng Oxy Chia D cách tuỳ ý thành n mảnh D1 , D2 , Dn khơng dẫm lên có diện tích tương ứng S1 , S , S n Gọi d ( Di ) khoảng cách lớn điểm thuộc Di M i ( xi , yi ) điểm thuộc Di n Lập tổng I n f ( xi , y i )S i gọi tổng tích phân hàm f ( x, y ) ứng với i 1 phân hoạch D1 , D2 , Dn Nếu n cho max d ( Di ) mà I n I hữu hạn không phụ thuộc cách chia miền D cách lấy điểm M i ( xi , y i ) I gọi tích phân kép n hàm f ( x, y ) lấy miền D Ta viết f ( x, y )dS lim f ( xi , y i )S i D n i 1 Nhận xét: Vì giá trị tích phân kép khơng phụ thuộc cách chia miền D nên ta chia miền D theo đường thẳng song song với trục toạ độ Khi S i dxi dyi hay dS dx.dy Tích phân kép hàm f ( x, y ) lấy miền D viết dạng f ( x, y)dxdy D Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Ký hiệu biến tích phân khơng ảnh hưởng đến giá trị tích phân, nghĩa f ( x, y)dxdy f (u, v)dudv D D Nếu f ( x, y ) liên tục miền đóng , bị chặn D có biên trơn khúc f ( x, y)dxdy tồn ta nói f ( x, y ) khả tích D D Giá trị tích phân f ( x, y)dxdy thể tích hình trụ cong giới hạn D mặt mặt cong z f ( x, y ) , mặt miền phẳng D mặt Oxy xung quanh mặt trụ có đường sinh song song Oz, đường chuẩn biên D Nếu f ( x, y ) dxdy diện tích miền D D 1.2.3 Tính chất f ( x, y ) g ( x, y )dxdy f ( x, y)dxdy g ( x, y )dxdy D D D kf ( x, y )dxdy k f ( x, y )dxdy D D Nếu f ( x, y ) 0, ( x, y ) D f ( x, y)dxdy D Nếu f ( x, y) g ( x, y ), ( x, y ) D f ( x, y)dxdy g ( x, y)dxdy D f ( x, y)dxdy D D f ( x, y ) dxdy D Nếu D D1 D2 f ( x, y)dxdy f ( x, y )dxdy f ( x, y )dxdy D D1 D2 Nếu f ( x, y ) liên tục miền đóng, bị chặn liên thơng D tồn điểm ( x0 , y ) D cho f ( x, y)dxdy f ( x , y 0 ) S ( D) (định lý giá trị trung bình) D Nếu m f ( x, y ) M mS ( D) f ( x, y )dxdy MS ( D ) D Nếu hàm f ( x, y ) lẻ theo biến x (hoặc y) miền D đối xứng qua trục Oy (hoặc Ox) f ( x, y )dxdy D Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội 10 Nếu hàm f ( x, y ) chẵn theo biến x (hoặc y) miền D chia thành miền không dẫm lên , đối xứng qua trục Oy (hoặc Ox) f ( x, y)dxdy 2 f ( x, y )dxdy 2 f ( x, y )dxdy D D1 D2 1.2.4 Cách tính tích phân kép hệ toạ độ Decards D miền đơn giản TH1: D ( x, y ) R : a x b; c y d y d b D d f ( x, y)dxdy f ( x, y )dy dx ac d D c b f ( x, y)dx dy ca x O a b TH2: D ( x, y ) R : a x b; y1 ( x) y y ( x) y ( x) y D b y2 ( x) f ( x, y ) dxdy f ( x, y ) dy dx a y1 ( x ) D y1 ( x) O x a b TH3: D ( x, y ) R : x1 ( y ) x x ( y ); y c y d d x2 ( y ) f ( x, y )dxdy f ( x, y)dx dy c x1 ( y ) d D x1 ( y ) c O Trang D x2 ( y ) x Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội D miền khơng đơn giản : Ta tìm cách chia D thành miền đơn giản n D1 , D2 , , Dn rời ta có f ( x, y )dxdy f ( x, y)dxdy i 1 Di D Ví dụ 1.3: Tính I x ydxdy với D miền tam giác giới hạn đường D y y 0; y x; x Giải y=x D O x x=1 0 x 0 y x Ta thấy D miền đơn giản x 2 Suy I x ydxdy dx x ydy D 0 x4 dx 10 Ví dụ 1.4: Tính I xydxdy với D miền giới hạn đường D y x 4; y2 2x y Giải y2 = 2x D O x y=x-4 -2 Giao điểm đường xác định y y2 y 2 y y2 x y4 Ta thấy D miền đơn giản 2 y Suy I xydxdy dy D 2 y 4 y2 xydx y5 y y 16 y dy 90 2 Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Ví dụ 1.5: Tính I sin ydxdy với D miền giới hạn đường D y x; x y; y x2 y y = 2x Giải 16 4y = x2 x = 2y D x O Ta thấy D miền không đơn giản nên ta đặt 0 x D2 : x x D D1 D2 Do I y 4 2x dx x2 ydy dx x 0 x D1 : x y x 4 ydxdy ydxdy ydxdy D D1 D2 x2 x x4 x dx 0 16 dx 0 16 x2 ydy Ví dụ 1.6 Tính I ( x sin y x)dxdy với D miền giới hạn đường D y y x; x 1 Giải y2 = x D O x x=1 -1 Nhận thấy miền D chia thành miền đối xứng qua trục Ox hàm x sin y lẻ theo y nên x sin ydxdy D Trang Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội 1 Do I ( x sin y x)dxdy dy xdx (1 y )dy 1 D y2 1 1.2.5 Phương pháp đổi biến tích phân kép Công thức đổi biến tổng quát Xét miền Dxy Duv mặt phẳng R2 Giả sử tồn song ánh x x (u , v) y y (u , v) miền với hệ hàm khả vi liên tục x D ( x, y ) u Nếu định thức Jacobi J y D(u , v) u x v 0, (u, v) Duv với y v hàm liên tục f : Dxy R ta có công thức đổi biến sau: f ( x, y )dxdy D f x(u, v), y (u, v) Dxy Chú ý: J dudv uv D ( x, y ) D ( u , v) D (u , v) D( x, y) Ví dụ 1.7 Tính I (2 x y )dxdy với D miền giới hạn đường D x y 1; x y 2 x y 1; x y Giải x+y =2 v y 2x-y 2x-y v=3 x+y =1 Duv Dxy x O O Trang 10 v=1 u=1 u=2 u Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội x (u v) u x y D ( x, y ) Đặt J D(u , v) v x - y y (2u v) 3 Suy I (2 x y )dxdy du vdv 3 D 1 Công thức đổi biến tọa độ cực cos x r cos , ta có J sin y r sin Đặt r sin r Vậy công thức đổi biến r cos f ( x, y )dxdy D f r cos , r sin r drd Dxy Ví dụ 1.8 Tính I D r x2 y sin x dxdy ; D : x2 y y y Giải x -1 O Nhận thấy miền D đối xứng qua trục Oy hàm x D sin x lẻ theo x nên x y2 1 sin x dx dxdy Vậy I 2 y 1 x y2 D x2 y x r cos 0 r ta có , J r D: D' : y r sin 0 y Chuyển sang tọa độ cực Suy I D dx r d dr ln 2 x y 1 r 1 Ví dụ 1.9 Tính I D x2 y x2 y với D : 1 dxdy a2 b2 a b2 Giải Trang 11 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội y b x O -a a -b Chuyển D: sang tọa độ x ar cos , J abr , y br sin cực ta có 0 r x2 y D' : a b 0 2 Suy I D x2 y dxdy a2 b2 2 d abr 0 r dr ab Ví dụ 1.10 Tính I xdxdy với D : ( x 3)2 ( y 2) D y Giải x O x r cos 0 r , J r ta có D : ( x 3) ( y 2) D ' : y r sin 0 2 Đặt 2 Suy I d r (3 r cos )dr 3 0 1.2.6 Ứng dụng tích phân kép Tính diện tích hình phẳng Từ định nghĩa tích phân kép ta có cơng thức tính diện tích miền phẳng D sau S ( D) dxdy D Ví dụ 1.11 Tính diện tích miền phẳng giới hạn đường ( x 1) y 1; ( x 2) y 4; y x; y0 Trang 12 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội y Giải y=x x O 2cos r cos x r cos , J r ta có D D ' : y r sin 0 Đặt Suy diện tích miền D là: S ( D) dxdy d D 4cos 1 rdr 3(1 cos 2 )d 2 2cos Tính diện tích mặt cong Giả sử S mặt cong có phương trình z f ( x, y ) hình chiếu xuống mặt phẳng Oxy miền phẳng D Khi diện tích mặt cong S tính theo cơng thức 2 f f S dxdy x y D Ví dụ 1.12 Tính diện tích phần mặt paraboloit z x y nằm mặt trụ x2 y z Giải y x O Gọi S phần mặt cong cần tính diện tích Hình chiếu S xuống mặt phẳng Oxy miền D : x y Trang 13 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Phương trình mặt cong S z x y z x2 zy2 x y Vậy diện tích mặt cong S s z x2 zy2 dxdy x y 1 4( x y )dxdy 2 x y 1 0 r 0 2 Chuyển sang tọa độ cực D D ' : 2 s d r 4r dr 0 5 1 Tính thể tích hình trụ cong Xét hình trụ cong có mặt miền phẳng D thuộc mặt phẳng Oxy, mặt mặt cong z f ( x, y ) , xung quanh mặt trụ có đường sinh song song với trục Oz, đường chuẩn biên miền D Khi thể tích hình trụ cong tính theo cơng thức sau: V f ( x, y )dxdy D Ví dụ 1.13 Tính thể tích vật thể giới hạn mặt z 0; z 4; y x ; y Giải z y O x 1 x Hình chiếu vật thể xuống mặt phẳng Oxy miền D : x y 1 Thể tích vật thể V 4dxdy dx 4dy D 1 x2 16 Trang 14 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Ví dụ 1.14 Tính thể tích vật thể giới hạn mặt z x2 y ; z x2 y z Giải y O x Hình chiếu vật thể xuống mặt phẳng Oxy hình chiếu giao tuyến mặt, tức x y x2 y2 x2 y2 2 Thể tích vật thể V 1.3 x2 y 2 x y 1 dxdy x2 y 2 3 x y dxdy x2 y 2 2 d r r dr 3 0 Tích phân bội 1.3.1 Định nghĩa Cho hàm f ( x, y, z ) xác định miền đóng, bị chặn V không gian Oxyz Chia miền V thành n miền nhỏ V1 , V2 , , Vn khơng giao tích tương ứng V1 , V2 , , Vn Lấy điểm M i ( xi , yi , zi ) tùy ý thuộc miền Vi lập tổng tích phân n S n f ( xi , yi , zi ) Vi i 1 Trang 15 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Nếu n cho max d (Vi ) (đường kính miền Vi ) mà S n S hữu hạn không phụ thuộc cách chia miền V cách chọn M i ( xi , yi , zi ) S gọi tích phân bội hàm f ( x, y, z ) miền V Kí hiệu f(x, y,z)dV V Ta chia miền V theo mặt phẳng song song với mặt phẳng tọa độ ΔV = Δx.Δy.Δz = dxdydz Từ ta có f(x, y, z)dV f(x, y, z)dxdydz V V 1.3.2 Tính chất k.f(x, y,z)dxdydz k. f(x, y,z)dxdydz V V f(x, y,z) g(x, y,z) dxdydz f(x, y,z)dxdydz g(x, y,z)dxdydz V V Nếu hàm f ( x, y, z ) 0, ( x, y, z ) V V f(x, y,z)dxdydz V Nếu m f ( x, y, z ) M , ( x, y, z ) V m.(V) f(x, y,z)dxdydz M.(V) V Nếu f ( x, y, z ) g ( x, y, z ), ( x, y, z ) V f(x, y,z)dxdydz g(x, y,z)dxdydz V V f(x, y,z)dxdydz V f(x, y,z) dxdydz V Nếu miền V chia thành miền V1 , V2 không dẫm lên f(x, y,z)dxdydz f(x, y,z)dxdydz f(x, y,z)dxdydz V V1 V2 Nếu hàm f ( x, y, z ) liên tục miền V đóng, bị chặn liên thơng tồn x0 , y0 , z0 V cho f(x, y,z)dxdydz f(x , y ,z 0 ).(V) (định lý giá trị V trung bình) Nếu hàm f ( x, y, z ) lẻ theo biến x (biến y, biến z) miền V đối xứng qua mặt Oyz (Oxz, Oxy) f(x, y,z)dxdydz V Trang 16 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội 10 Nếu hàm f ( x, y, z ) chẵn theo biến x (biến y, biến z) miền V chia thành miền V1 , V2 không dẫm lên , đối xứng qua mặt Oyz (Oxz, Oxy) f(x, y, z)dxdydz 2 f(x, y,z)dxdydz 2 f(x, y,z)dxdydz V V1 V2 1.3.3 Cách tính tích phân bội toạ độ Decards z z = z2(x,y) V z = z1(x,y) y O x D Xét tích phân bội 3: I f ( x, y, z )dxdydz với V miền giới hạn V mặt cong z z1 ( x, y ) , giới hạn mặt cong z z2 ( x, y ) giới hạn xung quanh mặt trụ có đường sinh song song với trục Oz, đường chuẩn biên miền D (là hình chiếu V xuống mặt phẳng Oxy) Khi V z2 (x,y) f(x, y,z)dxdydz dxdy f(x, y,z)dz z (x,y) D Ví dụ 1.15 Tính I xdxdydz với V miền xác định sau V x 0; z y 0; x y z Giải y O D x Trang 17 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội x2 y2 x 0, y Hình chiếu V xuống mặt phẳng Oxy D : Suy I xdxdydz dxdy xdz x(4 x y )dxdy x2 y V D D 0r 2 , J r Chuyển sang tọa độ cực D D ' : 2 Ta có I 2 cos d r (4 r )dr 0 128 15 Ví dụ 1.16 Tính I zdxdydz với V miền giới hạn mặt V z 0; z 4; yx ; z y 1 Giải y O x 1 x x y Hình chiếu V xuống mặt phẳng Oxy D : 4 0 1 Suy I zdxdydz dxdy zdz 8 dxdy dx dy (1 x )dx V D 1 D x2 1 32 Ví dụ 1.17 Tính I x3 y z dxdydz với V cầu xác định V z x2 y2 z R2 Giải y x O Trang 18 R Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Nhận xét thấy miền V đối xứng qua mặt phẳng tọa độ hàm x , y , z lẻ theo biến x, y , z nên I x3 y z dxdydz V 1.3.4 Phương pháp đổi biến tích phân bội Cơng thức đổi biến tổng quát Giả sử miền Vuvw không gian O’uvw ánh xạ song ánh sang miền Vxyz x x (u , v, w) không gian Oxy hệ hàm khả vi liên tục y y (u , v, w) z z (u , v, w) x u D ( x, y, z ) y Nếu định thức Jacobi J = J D(u , v, w) u z u x v y v z v x w y 0, (u , v, w) Vuvw w z w ta có cơng thức đổi biến sau f ( x, y, z )dxdydz f ( x(u , v, w), y(u , v, w), z (u , v, w)) J dudvdw Vxyz Chú ý: Vuvw D( x, y, z ) D(u , v, w) D (u , v, w) D( x, y, z ) Ví dụ 1.18 Tính I dxdydz với V miền elipxoit xác định V z x2 y z R2 a2 b2 c2 c Giải b x O a a 0 x au 2 2 Đặt y bv V ' : u v w R ; J b abc z cw 0 c Trang 19 y Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Suy I dxdydz abcdudvdw V V' Hình chiếu V’ xuống mặt phẳng Ouv đường tròn D : u v R R2 u v2 w R2 u v2 R2 u v2 2abc R u v dudv dw Vậy I abc dudv D D R u v2 0r R 0 2 Chuyển sang tọa độ cực D D ' : 2 R 2 Do I 2abc d r R r dr Rabc 0 Đổi biến tọa độ trụ z M y O x φ r M’ Xét điểm M ( x, y, z ) không gian Oxyz có hình chiếu xuống mặt phẳng Oxy M ' ( x, y, 0) Gọi (r , ) tọa độ cực M’ Khi M (r , , z ) gọi x r cos tọa độ trụ điểm M xác định y r sin có J r z z Cơng thức đổi biến tọa độ trụ f ( x, y, z )dxdydz f (r cos , r sin , z )rdrd dz Vxyz Vr z Ví dụ 1.19 Tính I ( x z )dxdydz với V miền giới hạn mặt V x z y; y2 Giải y Trang 20 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội x r cos Đặt z r sin ; y y 0 r J r , ta có V V ': 0 2 r y 2 r2 16 Suy I ( x z )dxdydz d r dy dr 2 r dr 2 V 0 r2 2 2 2 Đổi biến tọa độ cầu z M Ө O x ρ y φ M’ Xét điểm M ( x, y, z ) không gian Oxyz có hình chiếu xuống mặt phẳng Oxy M ' ( x, y, 0) Gọi : khoảng cách từ O đến M : góc Ox OM ' : góc Oz OM x cos sin Khi ( , , ) gọi tọa độ cầu điểm M y sin sin có z cos J sin Công thức đổi biến tọa độ cầu Trang 21 Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội f ( x, y, z )dxdydz f ( cos sin , sin sin , cos ) Vxyz sin d d d V Ví dụ 1.20 Tính I x y z dxdydz với V cầu x y z z V Giải z 1/2 c y x x cos sin Đặt y sin sin ; z cos 1/2 O J sin , từ phương trình mặt cầu x y z z cos cos 0 cos Ta có V V ' : 0 2 Suy 0 2 I x y z dxdydz V cos d sin 0 0 0 . d d 2 sin cos d 10 Ví dụ 1.21 Tính I zdxdydz với V V z 0; z x y miền giới hạn mặt z Giải O x Trang 22 y Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Cách 1: Dùng tọa độ cầu x cos sin Đặt y sin sin ; z cos 0 J sin , ta có V V ' : 0 2 0 2 Suy I zdxdydz d sin cos d d V 0 Cách 2: Dùng tọa độ trụ x r cos Đặt y r sin ; z z 0 r J r , ta có V V ' : 0 2 0 z r Suy I zdxdydz d r V 0 2 1 r zdz dr Ví dụ 1.22 Tính I zdxdydz với V miền giới hạn mặt V z x2 y ; z x2 y z Giải O x Cách 1: Dùng tọa độ cầu x cos sin Đặt y sin sin ; z cos 0 J sin , ta có V V ' : 0 2 0 2 Suy I zdxdydz V 2 d sin cos d d 0 Trang 23 y Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội Cách 2: Dùng tọa độ trụ x r cos Đặt y r sin ; z z 0 r J r , ta có V V ' : 0 2 r z r Suy I zdxdydz d r V 0 2 r zdz dr 2 r r dr 2 1.3.5 Ứng dụng tích phân bội Thể tích miền V khơng gian Oxyz tính cơng thức sau (V ) dxdydz V Ví dụ 1.23 Tính thể tích vật thể giới hạn mặt z 0; z x y z Giải y O x x r cos Chuyển sang tọa độ trụ y r sin ; z z 0 r J r , ta có V V ' : 0 2 0 z r 1 r Suy (V ) dxdydz d r dz dr 2 r 1 r dr V 0 0 2 Ví dụ 1.24 Tính thể tích vật thể z 0; z x y ; x y Giải Trang 24 giới hạn mặt Lê Thị Thanh Hải Chương 1: Tích phân bội z 24 y x O x r cos Chuyển sang tọa độ trụ y r sin ; z z 0 r J r , ta có V V ' : 0 2 0 z r 2 r Suy (V ) dxdydz d r dz dr 2 r 3dr 8 V 0 0 2 Trang 25