49 lines
3.3 KiB
Markdown
49 lines
3.3 KiB
Markdown
|
## Задачи, приводящие к понятию двойного интеграла
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 1. Вычисление площади области
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Одной из основных задач, приводящих к понятию двойного интеграла, является вычисление площади области $D$ на плоскости $xy$. Если область $D$ ограничена кривыми $y=f(x)$ и $y=g(x)$ на интервале $[a,b]$, то площадь этой области можно вычислить с помощью двойного интеграла:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$A=\iint_{D}dA=\int_{a}^{b}\int_{g(x)}^{f(x)}dy\,dx.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 2. Вычисление объема тела
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Двойной интеграл также используется для вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=f(x,y)$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$. Если $D$ — область на плоскости $xy$, то объем тела можно вычислить как:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$V=\iint_{D}f(x,y)\,dA.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 3. Вычисление массы пластины
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Если плотность пластины $\rho(x,y)$ задана как функция координат $(x,y)$, то масса пластины, занимающей область $D$, можно вычислить с помощью двойного интеграла:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$M=\iint_{D}\rho(x,y)\,dA.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 4. Вычисление центра масс пластины
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Центр масс пластины с плотностью $\rho(x,y)$ и областью $D$ можно найти, используя двойные интегралы. Координаты центра масс $(x_c,y_c)$ определяются как:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$x_c=\frac{\iint_{D}x\rho(x,y)\,dA}{\iint_{D}\rho(x,y)\,dA},$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$y_c=\frac{\iint_{D}y\rho(x,y)\,dA}{\iint_{D}\rho(x,y)\,dA}.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### 5. Вычисление моментов инерции
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Моменты инерции пластины относительно осей $x$ и $y$ также можно вычислить с помощью двойных интегралов. Моменты инерции $I_x$ и $I_y$ определяются как:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$I_x=\iint_{D}y^2\rho(x,y)\,dA,$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
### Пример
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Рассмотрим пример вычисления объема тела, ограниченного поверхностью $z=x^2+y^2$ и проекцией этой поверхности на плоскость $xy$ в пределах круга радиуса 1. Область $D$ — это круг радиуса 1, центрированный в начале координат. В полярных координатах $(r,\theta)$ область $D$ описывается как $0\leq r\leq1$ и $0\leq\theta\leq2\pi$. Тогда объем тела можно вычислить как:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$V=\iint_{D}(x^2+y^2)\,dA=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}r^2r\,dr\,d\theta.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Вычислим внутренний интеграл:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$\int_{0}^{1}r^3\,dr=\left[\frac{r^4}{4}\right]_{0}^{1}=\frac{1}{4}.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Теперь вычислим внешний интеграл:
|
|||
|
|
|
|||
|
|
$$\int_{0}^{2\pi}\frac{1}{4}\,d\theta=\frac{1}{4}\cdot2\pi=\frac{\pi}{2}.$$
|
|||
|
|
|
|||
|
|
Таким образом, объем тела равен $\frac{\pi}{2}$.
|