Matan__teoria
.pdf
|
n |
|
Ix′ = 2 |
∑ mi (x − ai )= 0, |
|
|
i=1 |
|
|
n |
|
|
||
∑ mi (y − bi )= 0. |
||
Iy′ = 2 |
||
|
i=1 |
|
|
|
n |
|
|
n |
|
Получим критическую точку |
xc = |
1 |
∑ mi ai , |
yc = |
1 |
∑ mi bi , где |
|
m |
m |
||||||
|
|
i=1 |
|
i=1 |
|||
|
|
|
|
|
Для исследования этой точки на экстремум вычислим величины
n
m = ∑ mi .
i=1
n |
|
|
n |
A11 = I′′xx = 2∑ mi = 2m, A12 = I′′xy = 0, A22 = I′′yy = 2∑ mi = 2m, |
|||
i=1 |
|
|
i=1 |
n |
|
A11 A12 |
|
|
|
||
1 = A11 = 2∑ mi = 2m, 2 = |
|
= A11 A22 − A122 = 4m2. |
|
i=1 |
|
A12 A22 |
|
Так как 1 > 0, 2 > 0, то критическая точка (xc , yc ) является точкой минимума.
5.2. Глобальный экстремум функции
Требуется найти наибольшее и наименьшее значения непрерывной функции не в окрестности точки (локальный экстремум), а в некоторой ограни( ченной замкнутой области (глобальный экстремум). Наибольшее (наименьшее) значение функции в такой области может достигаться либо внутри области в точках локального экстремума (а значит, в критических точках), либо на грани( це области.
Поэтому получаем следующий алгоритм отыскания наибольшего и наименьшего значений функции z = f (M) в области D :
1) найти критические точки функции f (M) , принадлежащие области D , и вычислить значения функции в этих точках;
2)найти наибольшее и наименьшее значения функции на границе области;
3)из всех полученных значений функции выбрать наибольшее и наименьшее значения.
Пример 5.3. Найти наибольшее и наименьшее значения функции z = x y + y2 в круге x2 + y2 ≤ 4.
Решение. 1). Найдем критические точки функции в круге: |
z′ |
= y = 0, |
|
|
x |
= x + 2y = 0. |
|
|
|
z′ |
|
|
y |
|
Критическая точка M0(0,0) лежит в заданном круге и z0 = z (0,0) = 0 .
2). На границе области x2 + y2 = 4 или x = 2cost, y = 2sint (0 ≤ t ≤ 2π ), и поэтому функция z примет вид: z = 4sint cost + 4sin2 t = 2sin 2t + 2(1− cos2t). Найдем крити( ческие точки получившейся функции:
z′t = 4cos2t + 4sin 2t = 0 t g 2t = −1 t1 = 3π /8, t2 = 7π /8.
31
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В критических точках имеем значения функции z1 = 2 + 2 |
|
2 , z2 = 2 |
− 2 |
2 |
, на |
|||||||||
концах отрезка [0, 2π ] значение функции z = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
3). Из получившихся значений функции z = 0 , z = 2 + 2 2 , |
z = 2 − 2 2 |
≈ −0.8 |
вы( |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
берем наибольшее значение z = 2 + 2 2 и наименьшее значение z = 2 − 2 |
2 . |
|
5.3. Условный экстремум функции
Выше рассматривалась задача об экстремуме функции нескольких пере( менных, при этом на независимые переменные не накладывалось никаких огра( ничений. На практике часто приходится иметь дело с экстремумом функции нескольких переменных, когда эти переменные связаны некоторыми условиями
– уравнениями связи. Например, требуется найти экстремум функции
F(x, y, z)=0,
G(x, y, z)=0, заданной
Общая постановка задачи
Исследовать функцию f (M ) = f (x1, x2 ,..., xn) на экстремум при наличии урав( нений связи
F |
(x , x ,..., x ) = 0, |
|
|||
|
1 |
1 2 |
n |
(k < n). |
|
................................ |
(5.2) |
||||
F |
k |
(x , x ,..., x ) = 0, |
|
||
|
1 2 |
n |
|
|
|
Точку M0 назовем точкой условного минимума (соответственно, максимума) |
|||||
функции f (M ) при наличии связей (5.2), если |
f (M0) < f (M ) |
(соответственно, |
f (M0) > f (M ) ) для всех точек M, принадлежащих некоторой окрестности точ(
ки M0 и удовлетворяющих уравнениям связи (5.2).
Для краткости записи ограничимся случаем экстремума w = f (x, y,u,v) четырех переменных при наличии двух уравнений связи
F (x, y,u,v) = 0,
G(x, y,u,v) = 0.
функции
(5.3)
D(F ,G)
Будем предполагать, что якобиан D(u,v) отличен от нуля. Тогда система двух уравнений (5.3) теоретически определяет две функции u, v от аргументов x, y:
u= u(x, y), v = v(x, y).
Взависимости от того, можно ли практически выразить u, v из системы уравнений (5.3), различают два метода отыскания условного экстремума.
Сведение к безусловному экстремуму
Предположим, что из уравнений связи легко выразить переменные u, v че( рез две другие переменные x , y : u = u(x, y), v = v(x, y). Подставим найденные
32
u, v в функцию w. Получим w = f (x, y,u (x, y),v(x, y)) = g (x, y) − функцию двух пе( ременных. Так как связи между переменными x , y , u, v уже учтены, то остает( ся найти безусловный экстремум полученной функции g (x, y) .
Пример 5.4. Найти экстремум функции w = x2 + y2 + z2 , если x , y , z удовлетво( ряют уравнениям связи x + y − 3z + 7 = 0, x − y + z − 3 = 0.
Решение. Из двух уравнений связи выразим две переменные y = 2x −1, z = x + 2 и подставим в функцию w. Получим w = x2 + (2x −1)2 + (x + 2)2 . Исследуем получен( ную функцию одной переменной на экстремум:
|
w ′ = 2 x + 4 (2 x −1) + 2(x + 2) =12 x = 0 при x = 0 . |
|
|
x |
|
Так как w′′ |
=12 > 0 , то функция w = x2 + (2x −1)2 + (x + 2)2 |
имеет минимум при x = 0 . |
x x |
|
|
Тогда функция w = x2 + y2 + z2 имеет минимум при |
x = 0, y = −1, z = 2 , при этом |
|
wmin = 5 . |
|
|
|
Метод множителей Лагранжа |
Этот метод применяется, когда из уравнений связи трудно или невозможно выразить одни переменные через другие.
Пусть точка M0 есть точка условного экстремума функции w = f (x, y,u,v) при наличии двух уравнений связи
F (x, y,u,v) = 0,
G(x, y,u,v) = 0.
D(F ,G)
Если якобиан D(u,v) отличен от нуля, то система двух уравнений связи теорети(
чески определяет две функции u, v от аргументов x, y: u = u(x, y), v = v(x, y). Тогда а) функция w = f (x, y,u (x, y),v(x, y)) = g (x, y) имеет экстремум в точке (x0 , y0) и в силу следствия из теоремы 5.1 в этой точке d f (x, y,u (x, y),v(x, y)) = 0 ;
|
|
|
|
|
б) из уравнений связи имеем |
F (x, y,u (x, y),v(x, y)) ≡ 0, |
d F (x, y,u (x, y),v(x, y)) ≡ 0, |
||
|
G(x, y,u (x, y),v(x, y)) ≡ 0, |
|
d G(x, y,u (x, y),v(x, y)) ≡ 0. |
|
|
|
|
||
|
|
|
||
|
|
|
Воспользовавшись свойством инвариантности первого дифференциала, запишем:
d f = f ′ |
dx + f ′ |
dy + f ′ |
du + f ′ |
dv = 0, |
|
|
x |
y |
u |
v |
|
d F = F′ |
dx + F′ |
dy + F′ |
du + F′ |
dv = 0, |
|
|
x |
y |
u |
v |
|
d G = G′ |
dx + G′ dy + G′ du + G′ dv = 0. |
||||
|
x |
y |
u |
v |
|
|
|
Умножим второе уравнение на множитель λ , третье уравнение – на множитель 8 и сложим с первым уравнением:
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
′ |
(fx |
+ λ Fx + 8 Gx )dx + (fy + λ Fy + 8 Gy )dy + (fu |
+ λ Fu + 8 Gu )du + (fv |
+ λ Fv |
+ 8 Gv )dv = 0 . |
|||||||
|
Введем функцию Лагранжа Ф = f + λ F + 8 G |
(λ и 8 называют множителями |
Лагранжа) и запишем предыдущее равенство с помощью этой функции:
′ |
′ |
′ |
′ |
(5.4) |
Фx dx +Фy dy +Фu du +Фv dv = 0 . |
33
Выберем λ и 8 так, чтобы Фu′ = Ф′v = 0 . Это возможно, так как система уравнений
Ф′ |
= f |
′ |
+ λ F′ |
+ 8 G′ |
= 0, |
||
|
u |
|
u |
u |
u |
|
|
|
′ |
= f |
′ |
+ λ F |
′ |
′ |
= 0, |
Ф |
v |
|
+ 8 G |
||||
|
v |
|
v |
v |
|
имеет единственное решение в силу того, что определитель системы D((F ,G)) ≠ 0 .
D u,v
С учетом равенства Фu′ = Ф′v = 0 соотношение (5.4) примет вид Ф′x dx +Ф′y dy = 0 . Это равенство верно при любых dx и dy ; в частности,
при dy = 0, dx ≠ 0 из равенства Ф′x dx +Ф′y dy = 0 получим Ф′x = 0 , при dx = 0, dy ≠ 0 из равенства Ф′x dx +Ф′y dy = 0 получим Ф′y = 0 .
Итак, в точке экстремума Ф′x = Ф′y = Фu′ = Ф′v = 0 . Для отыскания условного экстремума
F (x, y,u,v) = 0,
функции f (x, y,u,v) при наличии уравнений связи нужно:
G(x, y,u,v) = 0
1)составить вспомогательную функцию Лагранжа Ф следующим образом:
Ф= f (x, y,u,v)+ λ F (x, y,u,v)+ 8 G(x, y,u,v);
2) найти ее критические точки из уравнений Ф |
′ = Ф |
′ = Ф |
′ = Ф ′ = 0 и урав( |
x |
y |
u |
v |
нений связи F (x, y,u,v) = 0, G(x, y,u,v) = 0 ; |
|
|
|
3) исследовать критические точки на экстремум, исходя из геометрических или физических соображений или знака d2Ф .
Аналогично этот метод применяется и для отыскания экстремума функции
n переменных при наличии k |
уравнений связи (k < n). |
|||
Пример 5.5. На поверхности |
|
x2 |
+ y2 + z2 =1 найти точки, наиболее и наименее |
|
96 |
||||
|
|
удаленные от плоскости 3x + 4y +12z = 288 .
Решение. Рассмотрим точку M (x, y,z) , лежащую на заданной поверхности. Рас( стояние от точки M до плоскости 3x + 4y +12z = 288 вычисляется по формуле
d = |
|
|
3x + 4y +12z − 288 |
|
|
= |
|
|
3x + 4y +12z − 288 |
|
|
. |
(5.5) |
||
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
32 + 42 +122 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Чтобы исследовать расстояние на экстремум, достаточно исследовать на экс( тремум более простую функцию f (x, y,z) = 3x + 4y +12z − 288, причем надо учесть, что точка M (x, y,z) не произвольная точка пространства, а лежит на заданной поверхности, т.е. ее координаты удовлетворяют уравнению поверхности
x2 + y2 + z2 −1= 0 . Это уравнение есть уравнение связи. Решим задачу, применив
96
метод множителей Лагранжа. Составим функцию Лагранжа
Ф =(3x+4y +12z−288) +λ |
x2 |
+ y2 + z |
2 −1 . |
|
|||
96 |
|
|
34
Найдем ее критические точки из системы уравнений
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
=3+λ |
|
=0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
Ф |
x |
|
48 |
|
|
|
|
|
x = − |
3 48 , |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
= 4+2λy =0, |
y = − |
2 |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Ф |
y |
λ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
′ |
|
=12+2λz =0, |
|
z = − |
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
λ |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ y |
+ z |
−1= 0. |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
x2 |
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ y |
|
+z |
|
|
−1 |
=0, |
|
|
|
96 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
96 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Подставим полученные x , y , z в последнее уравнение системы |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
32 482 |
+ |
4 |
|
+ |
|
36 |
=1 или |
|
1 |
|
|
(9 24 + 4 + 36) =1 , λ2 = 256 , |
λ = ±16. |
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
48 2λ2 |
λ2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
λ2 |
|
|
|
|
|
|
|
λ2 |
(−9,− 1 ,− |
3). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Для λ1 = 16 получим критическую точку M1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
||
Для λ2 = −16 получим критическую точку M2 (9, |
1 , |
|
3). |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
По формуле (5.5) вычислим расстояние от точек M1 |
|
и M2 |
до заданной плоскости: |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
3 (−9)+4 (− |
1)+12 (− |
3)−288 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 9+4 1 |
+12 3−288 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
d |
1 |
= |
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
= 24 |
8 |
, |
|
d |
2 |
= |
|
|
|
|
|
|
8 |
8 |
|
=19 |
9 |
. |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
13 |
13 |
||||||||||||||
Таким образом, точка M1 |
наиболее удалена от заданной плоскости, точка M2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
наименее удалена от плоскости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пример 5.6. Найти наибольшее и наименьшее значения функции f (x, y, z) = x y z , если x2 + y2 + z2 =1, x + y + z = 0.
Решение. Составим функцию Лагранжа
Ф = x y z + λ (x2 + y2 + z2 −1)+ 8 (x + y + z) .
Найдем ее критические точки из системы уравнений
|
′ |
|
|
= y z +2λx |
|
|
x |
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
′ |
|
|
= x z +2λ y |
|
|
y |
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
′ |
|
|
= x y +2λz |
|
Фz |
||
|
|
|
+ =0,
|
|
|
2 |
+ y |
2 |
+ z |
2 |
=1, |
+ =0, |
и уравнений связи |
x |
|
|
|
|||
|
|
|
x + y + z = 0. |
|||||
+ =0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вычитая в первой системе второе уравнение из первого, получим
|
(y − x) z + 2λ (x − y) = 0 |
или (y − x)( z − 2λ) = 0. |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рассмотрим два случая: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
а) если y = x , то из уравнений связи получим систему |
|
|
|
|
2 |
+ z |
2 |
=1, и критиче( |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 x |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 x + z = 0, |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x, y, z) = x y z и |
|||||||||
ские точки M1,2 ± |
|
|
|
, ± |
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
; в силу симметрии функции |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
6 |
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
уравнений связи аналогично можно получить критические точки |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||
M3,4 |
± |
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
, |
± |
|
|
|
, |
M5,6 |
|
|
|
, ± |
|
|
, |
± |
|
|
|
|
; |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
6 |
|
6 |
6 |
6 |
6 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
б) если z = 2λ , то вычитая в первой системе третье уравнение из первого, получим
35
(z − x) y − 2λ (z − x) = 0 , или (z − x) |
|
|
= 0 |
|
(z − x)( y − z) = 0. |
|
y − 2λ |
, или |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
=z |
|
|
|
При z = x получим критические точки |
|
M3,4 ; при |
y = z |
получим критические |
точки M5,6 . Функция f (x, y, z) = x y z в полученных точках принимает два значения
f |
= |
−2 |
|
, |
f |
|
= |
|
2 |
|
. |
|
|
|
|
|
|
||||||
1 |
6 |
6 |
|
|
2 |
|
6 |
6 |
|
Уравнения связи определяют линию пересечения сферы x2 + y2 + z2 =1 с центром в начале координат и плоскости x + y + z = 0 , проходящей через начало коорди( нат. Так как линия пересечения есть окружность, т.е. ограниченное замкнутое множество, то на нем непрерывная функция достигает наибольшего и наименьшего значений, причем достигает она эти значения в критических точ( ках.
Поэтому значение f = |
−2 |
|
− минимальное, а значение f |
|
= |
2 |
|
|
− максимальное. |
|
1 |
6 |
|
6 |
|
2 |
|
6 |
6 |
|
|
Глава 2. ИНТЕГРАЛЫ ПО ФИГУРЕ
В этой главе будут рассмотрены различные интегралы от функции несколь( ких переменных, а именно, определенные, двойные, тройные, криволинейные, поверхностные интегралы, т.е. интегралы соответственно по отрезку, по плос( кой области, по телу, по дуге, по поверхности.
6. Понятие интеграла по фигуре и его свойства
Для единообразного введения интегралов нам понадобится понятие фигуры
и её меры.
6.1. Фигура и её мера
Объединим общим названием “фигура” – отрезок [a,b], дугу (l) , плоскую область (S) , поверхность (σ ), тело (V) . Отрезок и дугу назовем одномерной фи( гурой, плоскую область и поверхность – двумерной фигурой, тело – трехмер( ной фигурой.
С понятием фигуры связано понятие её меры. Мерой одномерной фигуры назовем её длину, мерой двумерной фигуры назовем её площадь, мерой трех( мерной фигуры назовем её объём. Для фигур (l) , (S) , (σ ) , (V) их меры соответ( ственно обозначим l , S , σ , V . В общем случае фигуру обозначим (Ф) , а её ме( ру – той же буквой Ф , но без скобок.
Для дальнейшего изложения введем понятие диаметра фигуры. Назовем диаметром diam(Ф) фигуры (Ф) наибольшее из расстояний между её точками. Например, диаметр шара радиусом R равен 2R , диаметр куба равен длине его диагонали.
Вдальнейшем будем предполагать, что
1)фигура (Ф) ─ ограничена, т.е. имеет конечный диаметр,
2)фигура (Ф) ─ замкнута, т.е. включает границу.
36
6.2. Задача о вычислении массы фигуры
Пусть (Ф) – произвольная фигура, в каждой точке P которой известна плот(
ность распределения массы γ (P) . Разобьём фигуру (Ф) на |
|
|
|
n малых ячеек ( Фk ) (k = 1, 2,…n) . В каждой ячейке ( Фk ) |
|
|
|
выберем произвольную точку Pk (рис. 13). В силу малости |
P1 |
Pk |
|
ячейки её плотность можно считать постоянной и равной |
|
||
|
|
|
|
γ (Pk ). Тогда масса ячейки mk приближенно равна произ( |
|
|
|
ведению плотности на меру ячейки, т.е. mk ≈ γ (Pk ) Фk . |
|
Рис. 13 |
|
|
|
|
|
Суммируя массы всех ячеек, получим массу фигуры |
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
m ≈ ∑γ (Pk ) Фk . |
|
(6.1) |
k=1
Это приближенное равенство будет тем точней, чем меньше диаметры всех ячеек или максимальный из диаметров ячеек d = max diam( Фk ) . Точное значе( ние массы фигуры определяется как предел суммы (6.1) при d → 0
n
m = lim ∑γ (Pk) Фk .
d→0 = k 1
Этот предел называют интегралом от функции γ (P) по фигуре (Ф) и обозначают ∫ γ (P) dФ. К пределам такого типа приводят и другие задачи. Абстрагируясь от
(Ф)
конкретной задачи о массе фигуры, дадим общее понятие интеграла по фигуре.
6.3. Понятие интеграла по фигуре
Пусть на фигуре (Ф) определена скалярная функция f (P) . Так же, как и в задаче о массе фигуры, разобьем фигуру (Ф) на n ячеек ( Фk ) (k = 1, 2,…n) . В
каждой ячейке ( Фk ) выберем произвольную точку Pk . Составим |
сумму |
n |
|
∑ f (Pk ) Фk . Эту сумму называют интегральной суммой функции f (P) |
по фи( |
k=1 |
|
гуре (Ф) . Найдем предел интегральной суммы при стремлении к нулю d (мак( симального из диаметров ячеек).
Если существует при d → 0 предел интегральной суммы функции f (P) по |
|
||||
фигуре (Ф) , не зависящий от способа разбиения фигуры и выбора точек Pk , то |
|
||||
этот предел называют интегралом функции f (P) по фигуре (Ф) и обозначают |
|
||||
∫ f (P)dФ. При этом функцию f (P) |
называют интегрируемой на фигуре (Ф) . |
|
|||
(Ф) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, по определению |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
∫ f (P)dФ = lim ∑ f (Pk ) Фk . |
|
(6.2) |
||
|
(Ф) |
d→0 k=1 |
|
|
|
Естественно возникает вопрос: для каких функций f (P) |
существует инте( |
грал по фигуре (то есть существует предел интегральных сумм, не зависящий
37
от способа разбиения фигуры на ячейки и от выбора точек Pk ). Ответ на этот вопрос дает следующая теорема, которую приводим без доказательства.
Теорема существования. Пусть функция f (P) непрерывна на фи( гуре (Ф) . Тогда существует интеграл ∫ f (P)dФ.
(Ф)
Интеграл по фигуре может существовать не только для непрерывных функ( ций, но и для кусочно(непрерывных функций. В дальнейшем будем предпола( гать, что интегралы, о которых идет речь, существуют.
6.4.Конкретные виды интегралов по фигуре
Вп. 6.1 мы рассматривали фигуры пяти видов: отрезок, дугу кривой, по( верхность, плоскую область, тело. В соответствии с этим мы получим следую( щие пять видов интегралов по фигуре:
1). Если фигура (Ф) является отрезком [a,b], то интеграл называют опреде%
b
ленным интегралом и обозначают ∫ f (x)dx . По определению (6.2)
a
|
|
b |
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ f (x)dx = lim ∑ f (xk) xk . |
|
|
|
|
|
|
xk |
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
0 |
a |
|
b |
||||||||
|
|
a |
d→0 k=1 |
|
|
xk |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Здесь xk – координаты выбранных точек Pk , xk – меры |
|
|
|
|
Рис.14 |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
ячеек разбиения, т.е. длины частичных отрезков (рис. 14), d |
– максимальный из xk . |
|
|||||||||||||
2). Если фигура (Ф) является дугой кривой (l ), то интеграл по такой фигуре |
|
||||||||||||||
называют криволинейным интегралом 1%го рода и обозначают |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
∫ f (P)d l . По определению (6.2) |
|
|
|
|
Pk |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(l ) |
|
|
|
|
|
(l ) |
( lk) |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
∫ f (P)d l = lim ∑ f (Pk) lk . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
(l) |
d→0 k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис.15 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||||||||||
Здесь lk – меры ячеек, в данном случае длины частичных дуг ( lk); d |
– мак( |
|
|||||||||||||
симальный из diam( lk ) (рис. 15). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3). Если фигура (Ф) является поверхностью (σ ), то интеграл по такой фигуре называют поверх%
ностным |
интегралом |
1%го рода и обозначают |
||
∫ f (P)dσ . По определению (6.2) |
||||
(σ ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
∫ f (P)dσ = lim ∑ f (Pk) σk . |
|
|
|
|
(σ) |
d→0 k=1 |
|
Здесь σk |
– меры ячеек, в данном случае их площа( |
|||
ди; d – максимальный из |
diam( σk ) (рис. 16). |
z
Pk
(σ )
i
0 |
y |
xРис. 16
38
4). Если фигура (Ф) является плоской областью (S), то интеграл по такой фигуре называют двойным интегралом и обозначают ∫ f (P)dS . По определению (6.2)
|
(S) |
|
|
|
|
|
n |
|
∫ |
f (P)dS = lim ∑ f (Pk) Sk . |
|
(S) |
d→0 k=1 |
|
Здесь Sk – меры ячеек, в данном случае их площади; d – максимальный из diam( Sk ) (рис. 17).
5). Если фигура (Ф) является телом (V) , то интеграл по такой фигуре называют тройным интегралом и обо( значают ∫ f (P)dV . По определению (6.2)
(V)
|
n |
∫ |
f (P)dV = lim ∑ f (Pk) Vk . |
(V) |
d→0 k=1 |
y
iPk
(s)
0 |
x |
zРис. 17
(V )
Pk
Здесь Vk – меры ячеек, в данном случае их объ( |
0 |
y |
ёмы; d – максимальный из diam( Vk ) (рис. 18). |
х |
Рис.18 6 |
|
||
|
|
Рассмотрим еще одну часто употребляемую форму записи двойного инте( |
|
|||||||||||||
грала. Двойной интеграл – это интеграл по плоской области (S). Пусть эта об( |
|
|||||||||||||
ласть лежит в плоскости XOY . Так как интеграл не зависит от способа разбие( |
|
|||||||||||||
ния фигуры на ячейки, то разобьём фигуру на ячейки |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
прямыми, параллельными оси OY , с расстояниями x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
между ними и прямыми, параллельными оси OX , с |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
расстояниями y между ними (рис. 19). Тогда площадь |
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
любой ячейки, кроме приграничной, равна S = x y . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Поэтому dS и интеграл записывают в следующем виде: |
0 |
|
|
x |
x |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||
dS = dx dy , |
|
|
|
|
Рис.19 7 |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
f (P)dS = ∫∫ f (x, y)dxdy. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(S) |
(S) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогичная форма записи принята и для тройного интеграла
∫ f (P)dV =∫∫∫ f (x, y, z)dxdydz.
(V) (V)
6.5. Свойства интеграла по фигуре
Пусть, как предполагалось ранее, фигура (Ф) ─ ограничена и замкнута, а интегралы, о которых идет речь, существуют.
1. Свойство линейности
∫ (λ f (P)+ 8 g (P))dФ = λ ∫ f (P)dФ + 8 ∫ g (P)dФ , |
||
(Ф) |
(Ф) |
(Ф) |
где λ и 8 – константы.
39
Это свойство следует из определения интеграла по фигуре и свойств пределов:
|
|
|
n |
|
|
||
∫ (λ f (P)+ 8 g (P))dФ = lim ∑(λ f (Pk )+ 8 g (Pk )) Фk = |
|
||||||
(Ф) |
|
d→0 k=1 |
|
|
|||
|
n |
|
n |
(Pk ) Фk =λ ∫ f (P)dФ + 8 ∫ g (P)dФ . |
|
||
= λ lim ∑ f (Pk ) Фk |
+ 8 lim ∑g |
|
|||||
d→0 k=1 |
|
d→0 k=1 |
|
(Ф) |
(Ф) |
|
|
2. Свойство аддитивности |
|
|
|
|
|||
Пусть фигура (Ф) разбита (рис. 20) на части (Ф1) и (Ф2 ) . Тогда |
(Ф |
2 ) |
|||||
|
|
|
|
|
|
||
|
∫ f (P)dФ = ∫ |
f (P)dФ + ∫ |
f (P)dФ |
. |
|||
|
(Ф1 ) |
|
|||||
|
(Ф) |
(Ф1) |
(Ф2) |
|
|
||
|
|
|
|
Так как интеграл по фигуре численно равен массе фигуры с
плотностью f (P) , то физический смысл этого свойства сле( Рис.20 дующий: масса всей фигуры (Ф) равна сумме масс её ча( стей (Ф1) и (Ф2 ) .
3. О вычислении меры фигуры
Мера Ф фигуры (Ф) вычисляется по формуле
Ф = ∫ dФ .
(Ф)
Это свойство следует из определения интеграла по фигуре (Ф) от функции f (P) ≡1:
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
1 dФ = lim ∑ |
1 Фk = lim Ф = Ф . |
|
|
|
|
||
|
|
(Ф) |
|
d→0 k=1 |
d→0 |
|
|
|
|
|
В частности, из этой формулы мы имеем формулы для отыскания длины l |
дуги (l) , |
|||||||||
площади S плоской области (S), площади σ поверхности (σ ), объёма V тела (V) : |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l = ∫ d l , |
S = ∫ dS , |
σ = ∫ dσ , V = ∫ dV . |
|
|
(6.3) |
|||
|
|
(l) |
|
(S) |
(σ) |
(V) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Об интегрировании неравенств |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Если |
f (P) ≤ g (P) на фигуре (Ф) , то ∫ f (P)dФ ≤ ∫ |
g (P)dФ . |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
(Ф) |
(Ф) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
n |
|
|
|
|
Действительно, так как f (P) ≤ g (P) , то |
∑ f (Pk ) Фk ≤ ∑g |
(Pk ) Фk и поэтому |
||||||||
|
|
|
|
|
k=1 |
k=1 |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
∫ f (P)dФ = lim ∑ f (Pk ) Фk ≤ lim ∑g (Pk ) Фk = ∫ g (P)dФ . |
|
||||||||
|
(Ф) |
d→0 k=1 |
d→0 k=1 |
(Ф) |
|
|||||
5. Об оценке интеграла |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m Ф ≤ ∫ |
f (P)dФ ≤ M Ф, |
|
|
|
|
(6.4) |
|
|
|
|
(Ф) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где m и M − наименьшее и наибольшее значения функции f (P) на фигуре (Ф) . Действительно, так как m ≤ f (P) ≤ M на фигуре (Ф) , то по свойствам 4, 1, 3
40