"Чистая"
и прикладная математика

Вычисление тройных интегралов

Понятие тройного интеграла

Тройные интегралы – это аналог двойного интеграла для функции трёх переменных, заданной как f(M) = f(xyz).

Записывается тройной интеграл так:

.

Здесь V – пространственная (трёхмерная) фигура, ограниченная плоскостями, выражения которых (равенства) даны в задании вычисления тройного интеграла. V называют также замкнутой ограниченной областью трёхмерного пространства.

Вычислить тройной интеграл - значит найти число, равное объёму тела V или, что то же самое - области V.

Почему именно тройной интеграл служит для нахождения объёма тела V? Пусть область V разбита на n произвольных областей Δvi, причём под этим обозначением подразумевается не только каждая маленькая область, но и её объём. В каждой такой маленькой области выбрана произвольная точка Mi, а f(Mi) - значение функции f(M) в этой точке. Теперь будем максимально увеличивать число таких маленьких областей, а наибольший диаметр Δvi - наоборот, уменьшать. Можем составить интегральную сумму вида

.

Если функция f(M) = f(xyz) непрерывна, то будет существовать предел интегральных сумм вида, указанного выше. Этот предел и называется тройным интегралом.

В этом случае функция f(M) = f(xyz) называется интегрируемой в области V; V - областью интегрирования; x, y, z - переменными интегрирования, dv (или dx dy dz) - элементом объёма.

Вычисление тройного интеграла путём уменьшения кратности

Как и в случае двойных интегралов, вычисление тройных интегралов сводится к вычислению интегралов меньшей кратности.

Рассмотрим трёхмерную область V. Снизу и сверху (то есть по высоте) эта область ограничена поверхностями z = z1(xy) и z = z2(xy). С боковых сторон (то есть по ширине) область ограничена поверхностями y = y1(x) и y = y2(x). И, наконец, по глубине (если Вы смотрите на область в направлении оси Ox) - поверхностями x = a и x = b

Чтобы применять переход к интегралам меньшей кратности, требуется, чтобы трёхмерная область V была правильной. Она правильна тогда, когда прямая, параллельная оси Oz, пересекает границу области V не более чем в двух точках. Правильными трёхмерными областями являются, например, прямоугольный параллелепипед, эллипсоид, тетраэдр. На рисунке ниже - прямоугольный параллелепипед, который встретится нам в первом примере на решение задач.

чертёж прямоугольного параллелепипеда - правильной области, объём которой можно вычислить с помощью тройного интеграла путём непосредственного перехода к последовательности трёх интегралов

Чтобы наглядно представить отличие правильности от неправильности, добавим, что поверхности области по высоте у правильной области не должны быть вогнуты вовнутрь. На рисунке ниже - пример неправильной области V - однополостный гиперболоид, поверхность которого прямая, параллельная оси Oz (красного цвета), пересекает более чем в двух точках.

чертёж однополостного гиперболоида - пример неправильной области, объём которой нельзя вычислить путём непосредственного перехода от тройного интеграла к последовательности трёх интегралов

Мы будем рассматривать только правильные области.

Итак, область V - правильная. Тогда для любой функции f(xyz), непрерывной в области V, справедлива формула

формула сведения тройного интеграла к последовательности определённого интеграла по переменной z и двойного интеграла

Эта формула позволяет свести вычисление тройного интеграла к последовательному вычислению внутреннего определённого интеграла по переменной z (при постоянных x и y) и внешнего двойного интеграла по двумерной области D.

Переходя от двойного интеграла к повторному, получаем следующую формулу для вычисления тройного интеграла:

формула перехода от тройного интеграла к последовательности трёх определённых интегралов

Таким образом, для вычисления тройного интеграла требуется последовательно вычислить три определённых интеграла.

Вычисляются эти интегралы от самого внутреннего (по переменной z) к самому внешнему (по переменной x). Для удобства восприятия последовательности вычислений три "вложенных" интеграла можно записать так:

другая форма записи последовательности трёх определённых интегралов.

Из этой записи уже однозначно видно, что:

  • сначала нужно интегрировать функцию f(xyz) по переменной z, а в качестве пределов интегрирования взять уравнения z = z1(xy) и z = z2(xy) поверхностей ограничивающих область V снизу и сверху;
  • получившийся на предыдущем шаге результат интегрировать по переменной y, а в качестве пределов интегрирования взять уравнения y = y1(x) и y = y2(x) поверхностей, ограничивающих область V с боковых сторон;
  • получившийся на предыдущем шаге результат интегрировать по переменной x, а в качестве пределов интегрирования взять уравнения x = a и x = b поверхностей, ограничивающих область V по глубине.

Пример 1. Вычислить тройной интеграл

,

где V - параллелепипед, ограниченный плоскостями x = - 1, x = + 1, y = 0, y = 1, z = 0, z = 2.

Решение. Пределы интегрирования для всех трёх определённых интегралов однозначно заданы уравнениями поверхностей, ограничивающих параллелепипед. Поэтому сразу сводим данный тройной интеграл к последовательности трёх определённых интегралов:

.

Вычисляем самый внутренний интеграл - по переменной z, считая икс и игрек константами. Получаем:

.

Вычисляем интеграл "в серединке" - по переменной y. Получаем;

.

Теперь вычисляем самый внешний интеграл - по переменной x:

Ответ: данный тройной интеграл равен -2.

Пример 2. Вычислить тройной интеграл

,

где V - пирамида, ограниченная плоскостью x + y + z = 1 и координатными плоскостями x = 0, y = 0, z = 0. Область V проецируется на плоскость xOy в треугольник D, как показано на рисунке ниже.

Решение. Расставим сначала пределы интегрирования. Для интеграла по переменной z нижний предел интегрирования задан однозначно: z = 0. Чтобы получить верхний предел, выразим z из x + y + z = 1. Получаем 1 - x - y. Для интеграла по переменной y нижний предел интегрирования задан однозначно: y = 0. Для получения верхнего предела выразим y из x + y + z = 1, считая при этом, что z = 0 (так как линия расположена в плоскости xOy). Получаем: 1 - x.

Сводим данный тройной интеграл к последовательности трёх определённых интегралов:

.

Вычисляем самый внутренний интеграл - по переменной z, считая икс и игрек константами. Получаем:

.

Вычисляем средний интеграл - по переменной y. Получаем:

Наконец, вычисляем самый внешний интеграл - по переменной x:

Ответ: данный тройной интеграл равен 1/8.

Вычислить тройной интеграл самостоятельно, а затем посмотреть решение

Пример 3. Вычислить тройной интеграл

,

где V - пирамида, ограниченная плоскостью x + y + z = 1 и координатными плоскостями x = 0, y = 0, z = 0.

Посмотреть правильное решение и ответ.

Расстановка пределов интегрирования при переходе к последовательности трёх интегралов

Бывает, что студенты, у которых не вызывает особых трудностей непосредственное вычисление интегралов, не могут освоиться в расстановке пределов интегрирования при переходе от тройного интеграла к последовательности трёх определённых интегралов. В этом деле действительно требуется некоторая натренированность. В первом примере область интегрирования V представляла собой параллелепипед, с которым всё понятно: со всех сторон его ограничивают плоскости, а значит, пределы интегрирования однозначно заданы уравнениями плоскостей. Во втором примере - пирамида: здесь уже требовалось чуть больше подумать и выразить один из пределов из уравнения. А если область V ограничивают не плоские поверхности? Нужно, конечно, определённым образом осмотреть область V.

Пример 4. Расставить пределы интегрирования при переходе от тройного интеграла, в котором область V - эллипсоид

.

чертёж к нахождению объёма эллипсоида путём решения тройного интеграла

Решение. Пусть центр эллипсоида - начало координат, как показано на рисунке выше. Посмотрим на эллипсоид снизу. Снизу его ограничивает поверхность, являющаяся той части поверхности эллипсоида, которая расположена ниже плоскости xOy. Следовательно, нужно выразить из уравнения эллипсоида z и полученное выражение со знаком минус будет нижним пределом интегрирования по переменной z:

.

Теперь посмотрим на эллипсоид сверху. Здесь его ограничивает поверхность, являющаяся той части поверхности эллипсоида, которая расположена выше оси xOy. Следовательно, нужно выразить из уравнения эллипсоида z и полученное выражение будет верхним пределом интегрирования по переменной z:

.

Проекцией эллипсоида на плоскость xOy является эллипсоид. Его уравнение:

.

Чтобы получить нижний предел интегрирования по переменной y, нужно выразить y из уравнения эллипсоида и взять полученное выражение со знаком минус:

.

Для верхнего предела интегрирования по переменной y то же выражение со знаком плюс:

.

Что касается интегрирования по переменной x, то область V ограничена по глубине плоскостями. Следовательно, пределы интегрирования по переменной x можно представить как координаты задней и передней границ области. В случае эллипсоида ими будут взятые с отрицательным и положительным знаками величины длин полуоси a: x1 = - a и x2 = a.

Таким образом, последовательность интегралов для вычисления объёма эллипсоида следующая:

,

где "игрек первое", "игрек второе", "зет первое" и "зет второе" - полученные выше выражения. Если у Вас есть желание и отвага вычислить этот интеграл и, таким образом, объём эллипсоида, то вот ответ: 4πabc/3.

Замена переменных в тройном интеграле и цилиндрические координаты

Как для двойных интегралов, так и для тройных имеют место формулы перехода от прямоугольных координат к другим системам координат, из которых наиболее употребительная - цилиндрическая система координат.

Переход от прямоугольных координат x, y, z к цилиндрическим координатам ρ, φ, z, связанным с x, y, z формулами

x = ρcosφ,

y = ρsinφ,

z = z,

осуществляется следующим образом:

Пример 5. Вычислить тройной интеграл

переходом к цилиндрическим координатам, где V - область, ограниченная поверхностями и .

Решение. Так как область V на плоскость xOy проектируется в круг , то координата φ изменяется в пределах от 0 до 2π, а координата ρ - от ρ=0 до ρ=1. Постоянному значению в пространстве соответствует цилиндр . Рассматривая пересечение этого цилиндра с областью V, получаем изменение ординаты z от z = ρ² до z = 1. Переходим к цилиндрическим координатам и получаем:

Ответ: данный тройной интеграл равен π/6.

Интегралы функций одной переменной

Поделиться с друзьями