Files

101 lines
6.2 KiB
Markdown
Raw Permalink Blame History

This file contains ambiguous Unicode characters

This file contains Unicode characters that might be confused with other characters. If you think that this is intentional, you can safely ignore this warning. Use the Escape button to reveal them.

## Криволинейные координаты в пространстве. Замена переменных в тройном интеграле. Вычисление тройного интеграла в цилиндрических и сферических координатах.
### Криволинейные координаты в пространстве
Криволинейные координаты $(u, v, w)$ в пространстве определяются через декартовы координаты $(x, y, z)$ с помощью преобразования:
$$x=x(u,v,w),$$
$$y=y(u,v,w),$$
$$z=z(u,v,w).$$
Эти преобразования должны быть взаимно однозначными и непрерывно дифференцируемыми в области $V$.
### Выражение объема в криволинейных координатах
Объем элементарной области в криволинейных координатах $(u, v, w)$ выражается через якобиан преобразования:
$$dV=|J|\,du\,dv\,dw,$$
где якобиан $J$ определяется как:
$$J=\frac{\partial(x,y,z)}{\partial(u,v,w)}=\begin{vmatrix}\frac{\partial x}{\partial u}&\frac{\partial x}{\partial v}&\frac{\partial x}{\partial w}\\\frac{\partial y}{\partial u}&\frac{\partial y}{\partial v}&\frac{\partial y}{\partial w}\\\frac{\partial z}{\partial u}&\frac{\partial z}{\partial v}&\frac{\partial z}{\partial w}\end{vmatrix}.$$
### Замена переменных в тройном интеграле
Для замены переменных в тройном интеграле используется якобиан преобразования. Если $f(x, y, z)$ — функция, определенная на области $V$ в декартовых координатах, то тройной интеграл в криволинейных координатах $(u, v, w)$ выражается как:
$$\iiint_{V}f(x,y,z)\,dV=\iiint_{V'}f(x(u,v,w),y(u,v,w),z(u,v,w))|J|\,du\,dv\,dw,$$
где $V'$ — область в координатах $(u, v, w)$, соответствующая области $V$ в координатах $(x, y, z)$.
### Цилиндрические координаты
Цилиндрические координаты $(r, \theta, z)$ определяются следующим образом:
$$x=r\cos\theta,$$
$$y=r\sin\theta,$$
$$z=z.$$
Якобиан преобразования для цилиндрических координат равен:
$$J=\begin{vmatrix}\cos\theta&-r\sin\theta&0\\\sin\theta&r\cos\theta&0\\0&0&1\end{vmatrix}=r.$$
Таким образом, объем элементарной области в цилиндрических координатах выражается как:
$$dV=r\,dr\,d\theta\,dz.$$
### Вычисление тройного интеграла в цилиндрических координатах
Рассмотрим пример вычисления тройного интеграла функции $f(x, y, z) = x^2 + y^2$ по цилиндру радиуса $R$ и высоты $h$, центрированного в начале координат. В цилиндрических координатах $(r, \theta, z)$ область $V$ описывается как $0 \leq r \leq R$, $0 \leq \theta \leq 2\pi$ и $0 \leq z \leq h$. Тогда тройной интеграл можно вычислить как:
$$\iiint_{V}(x^2+y^2)\,dV=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{R}\int_{0}^{h}r^2r\,dz\,dr\,d\theta.$$
Вычислим внутренний интеграл:
$$\int_{0}^{h}r^3\,dz=r^3h.$$
Теперь вычислим следующий интеграл:
$$\int_{0}^{R}r^3h\,dr=\left[\frac{r^4h}{4}\right]_{0}^{R}=\frac{R^4h}{4}.$$
И, наконец, вычислим внешний интеграл:
$$\int_{0}^{2\pi}\frac{R^4h}{4}\,d\theta=\frac{R^4h}{4}\cdot2\pi=\frac{\pi R^4h}{2}.$$
Таким образом, значение тройного интеграла равно $\frac{\pi R^4h}{2}$.
### Сферические координаты
Сферические координаты $(\rho, \theta, \phi)$ определяются следующим образом:
$$x=\rho\sin\phi\cos\theta,$$
$$y=\rho\sin\phi\sin\theta,$$
$$z=\rho\cos\phi.$$
Якобиан преобразования для сферических координат равен:
$$J=\begin{vmatrix}\sin\phi\cos\theta&\rho\cos\phi\cos\theta&-\rho\sin\phi\sin\theta\\\sin\phi\sin\theta&\rho\cos\phi\sin\theta&\rho\sin\phi\cos\theta\\\cos\phi&-\rho\sin\phi&0\end{vmatrix}=\rho^2\sin\phi.$$
Таким образом, объем элементарной области в сферических координатах выражается как:
$$dV=\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\theta\,d\phi.$$
### Вычисление тройного интеграла в сферических координатах
Рассмотрим пример вычисления тройного интеграла функции $f(x, y, z) = x^2 + y^2 + z^2$ по шару радиуса $R$, центрированного в начале координат. В сферических координатах $(\rho, \theta, \phi)$ область $V$ описывается как $0 \leq \rho \leq R$, $0 \leq \theta \leq 2\pi$ и $0 \leq \phi \leq \pi$. Тогда тройной интеграл можно вычислить как:
$$\iiint_{V}(x^2+y^2+z^2)\,dV=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{\pi}\int_{0}^{R}\rho^2\rho^2\sin\phi\,d\rho\,d\phi\,d\theta.$$
Вычислим внутренний интеграл:
$$\int_{0}^{R}\rho^4\sin\phi\,d\rho=\left[\frac{\rho^5\sin\phi}{5}\right]_{0}^{R}=\frac{R^5\sin\phi}{5}.$$
Теперь вычислим следующий интеграл:
$$\int_{0}^{\pi}\frac{R^5\sin\phi}{5}\,d\phi=\frac{R^5}{5}\left[-\cos\phi\right]_{0}^{\pi}=\frac{2R^5}{5}.$$
И, наконец, вычислим внешний интеграл:
$$\int_{0}^{2\pi}\frac{2R^5}{5}\,d\theta=\frac{2R^5}{5}\cdot2\pi=\frac{4\pi R^5}{5}.$$
Таким образом, значение тройного интеграла равно $\frac{4\pi R^5}{5}$.