background image

1

Obszar normalny w przestrzeni

Definicja

Niech

D

będzie obszarem regularnym na płaszczyźnie

OXY

. Wówczas obszar ograniczony i domknięty

V ⊂ R

postaci:

=

(x, y, z∈ R

3

: (x, y∈ D, h(x, y)

g(x, y)

,

gdzie funkcje

h(x, y)

i

g(x, y)

są ciągłe na

D

oraz

h(x, y< g(x, y)

dla punktów

(x, y)

z wnętrza obszaru

D

,

nazywamy obszarem normalnym względem płaszczyzny

OXY

.

(Analogicznie definiujemy obszary normalne względem płaszczyzn

OXZ

i

OY Z

).

background image

2

:

(x, y∈ D

h(x, y) 6 g(x, y)

background image

3

Całka potrójna

Definicja

Niech funkcja

(x, y, z)

będzie ograniczona i

ciągła na obszarze

V

normalnym względem płaszczyzny

OXY

.

Wówczas całkę potrójną po obszarze

V

definiujemy wzorem:

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz

def

=

Z

D

Z

dxdy

g(x,y)

Z

h(x,y)

(x, y, zdz.

Przykład

Niech

V

oznacza ostrosłup ograniczony płaszczyznami

układu współrzędnych oraz płaszczyzną

= 4

. Całkę

Z

Z

V

Z

(4 − xdxdydz

sprowadzić do całki pojedyńczej.

background image

4

Uwagi:

(o całce potrójnej w prostopadłościanie)

• Jeżeli funkcja

(x, y, z)

jest ograniczona i ciągła w

=

(

(x, y, z∈ R

3

a

1

a

2

, b

1

b

2

, c

1

c

2

)

,

background image

5

to

Z

Z

P

Z

(x, y, zdxdydz =

a

2

Z

a

1

dx

b

2

Z

b

1

dy

c

2

Z

c

1

(x, y, zdz =

=

c

2

Z

c

1

dz

a

2

Z

a

1

dx

b

2

Z

b

1

(x, y, zdy =

b

2

Z

b

1

dy

c

2

Z

c

1

dz

a

2

Z

a

1

(x, y, zdx . . .

• Jeżeli ponadto funkcja

(x, y, z) = f

1

(x· f

2

(y· f

3

(z)

, to

Z

Z

P

Z

(x, y, zdxdydz =

=




a

2

Z

a

1

f

1

(xdx




·





b

2

Z

b

1

f

2

(ydy





·




c

2

Z

c

1

f

3

(zdz




background image

6

Przykład

Oblicz

Z

Z

P

Z

e

x+2y−ln z

dxdydz,

=

(

(x, y, z∈ R

3

: 0

6 ln 20 6 6 ln 31 6 e

)

.

Przykład

Niech

V

oznacza obszar ograniczony płaszczyznami

= 0

i

= 4

oraz powierzchniami

=

x

i

= 2

x

.

Oblicz:

Z

Z

V

Z

4yz dxdydz.

background image

7

Własności całki potrójnej

• Jeżeli funkcje

f

1

i

f

2

są całkowalne w

V

, to dla dowolnych

α, β ∈ R

zachodzi

Z

Z

V

Z

α f

1

(x, y, z) + β f

2

(x, y, z) ) dxdydz =

α

Z

Z

V

Z

f

1

(x, y, zdxdydz β

Z

Z

V

Z

f

2

(x, y, zdxdydz.

• Jeżeli zbiór

V ∈ R

jest sumą skończonej ilości zbiorów normalnych

względem jednej z płaszczyzn układu o parami rozłącznych wnętrzach

tj.

V

1

∪ V

2

∪ · · · ∪ V

, to

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz =

Z

Z

V

1

Z

(x, y, zdxdydz +

+

Z

Z

V

2

Z

(x, y, zdxdydz . . . +

Z

Z

V

n

Z

(x, y, zdxdydz.

background image

8

• Jeżeli funkcja

f

jest całkowalna w

V

oraz

(x, y, z) > 0

dla

(x, y, z∈ V

, to

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz > 0.

Objętość bryły V

Z

Z

V

Z

dxdydz

def

=

| V |

Przykład

Oblicz objętość bryły

V

ograniczonej powierzchniami:

a)

= 1,

x

2

,

x

2

y

2

,

= 2x

2

+ 2y

2

b)

x

2

y

2

= 1,

1,

= 1 + x

2

y

2

background image

9

• Jeżeli funkcja

f

jest całkowalna w

V

, to









Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz









6

Z

Z

V

Z

| f (x, y, z| dxdydz M | V | ,

gdzie

= max

V

| f (x, y, z|

.

background image

10

Współrzędne walcowe (cylindryczne)

r

- odległość punktu

P

0

od początku układu,

0

r < +

ϕ

- miara kąta zorientowanego, jaki tworzy wektor

~

OP

0

z dodatnim kierunkiem osi

OX

,

0

ϕ 6 2π

(albo

−π ϕ π

)

|z|

- odległość punktu

P

od płaszczyzny

OXY

background image

11

Definicja

Trójkę

(r, ϕ, z)

nazywamy współrzędnymi walcowymi

(lub cylindrycznymi) punktu w przestrzeni.

Związek pomiędzy współrzędnymi walcowymi a kartezjańskimi jest

następujący:

cos ϕ

sin ϕ

z

Przekształcenie

(r, ϕ, z)

−→

(x, y, z)

nazywamy przekształceniem walcowym (cylindrycznym) a Jakobian

tego przekształcenia jest równy:

background image

12

=






















∂x

∂r

∂x

∂ϕ

∂x

∂z

∂y

∂r

∂y

∂ϕ

∂y
∂z

∂z

∂r

∂z

∂ϕ

∂z
∂z






















=






















cos ϕ

−r sin ϕ

0

sin ϕ

cos ϕ

0

0

0

1






















r

Twierdzenie

Niech obszar

V

dany we współrzędnych walcowych

będzie regularny oraz niech funkcja

(x, y, z)

będzie ciagła na

obszarze

V

będącym obrazem

V

0

w przekształceniu walcowym.

Wówczas

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz =

Z

Z

V

0

Z

(cos ϕ, r sin ϕ, zr drdϕdz

background image

13

Uogólnione współrzędne walcowe

a r cos ϕ

b r sin ϕ

a b r

z

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz =

Z

Z

V

0

Z

(a r cos ϕ, b r sin ϕ, zab r drdϕdz

background image

14

Współrzędne sferyczne

r

- odległość punktu

P

od początku układu,

0

r < +

ϕ

- miara kąta zorientowanego, jaki tworzy wektor

~

OP

0

z dodatnim kierunkiem osi

OX

,

0

ϕ 6 2π

ψ

- miara kąta zorientowanego, jaki tworzy wektor

~

OP

z wektorem

~

OP

,

π

2

ψ 6

π

2

background image

15

Definicja

Trójkę

(r, ϕ, ψ)

nazywamy współrzędnymi sferycznymi

punktu w przestrzeni.

Związek pomiędzy współrzędnymi sferycznymi a kartezjańskimi jest

następujący:

cos ϕ cos ψ

sin ϕ cos ψ

sin ψ

Przekształcenie

(r, ϕ, ψ)

−→

(x, y, z)

nazywamy przekształceniem sferycznym a Jakobian tego przekształcenia

jest równy:

background image

16

=






















cos ϕ cos ψ

−r sin ϕ cos ψ

−r cos ϕ sin ψ

sin ϕ cos ψ

cos ϕ cos ψ

−r sin ϕ sin ψ

sin ψ

0

cos ψ






















r

2

cos ψ

Twierdzenie

Niech obszar

V

dany we współrzędnych sferycznych

będzie regularny oraz niech funkcja

(x, y, z)

będzie ciagła na

obszarze

V

będącym obrazem

V

w przekształceniu sferycznym.

Wówczas

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz =

=

Z

Z

V

0

Z

cos ϕ cos ψ , r sin ϕ cos ψ , r sin ψ r

2

cos ψ drdϕdψ

background image

17

Przykład

Oblicz objętość bryły

V

ograniczonej sferą

x

2

y

2

+

z

2

= 2

i górną częścią stożka

x

2

y

2

z

.

V ←− V

0

:

0

ϕ 6 2π

π

4

ψ 6

π

2

0

6

2

background image

18

Ćwiczenie

Zrób powyższe zadanie korzystając z współrzędnych

walcowych.

Uogólnione współrzędne sferyczne

a r cos ϕ cos ψ

b r sin ϕ cos ψ

a b c r

2

cos ψ

c r sin ψ

Z

Z

V

Z

(x, y, zdxdydz =

Z

Z

V

0

Z

(a r cos ϕ cos ψ , b r sin ϕ cos ψ , c r sin ψ abc r

2

cos ψ drdϕdψ

background image

19

Zastosowania całki potrójnej w mechanice

Niech

%(x, y, z)

będzie dana ciągłą gęstością masy bryły

V

.

• Masa obszaru normalnego

V ⊂ R

:

M

def

=

Z

Z

V

Z

%(x, y, zdV,

dV dxdydz )

• Momenty statyczne bryły

V

względem płaszczyzn układu:

M

XY

def

=

Z

Z

V

Z

z %(x, y, zdV,

M

XZ

def

=

Z

Z

V

Z

y %(x, y, zdV,

M

Y Z

def

=

Z

Z

V

Z

x %(x, y, zdV,

background image

20

• Współrzędne środka ciężkości:

x

c

def

=

M

Y Z

M

=

1

M

Z

Z

V

Z

x %(x, y, zdV,

y

c

def

=

M

XZ

M

=

1

M

Z

Z

V

Z

y %(x, y, zdV,

z

c

def

=

M

XY

M

=

1

M

Z

Z

V

Z

z %(x, y, zdV,

• Momenty bezwładności bryły

V

względem osi układu:

I

X

def

=

Z

Z

V

Z

%(x, y, z) ( y

2

z

2

dV,

I

Y

def

=

Z

Z

V

Z

%(x, y, z) ( x

2

z

2

dV,

I

Z

def

=

Z

Z

V

Z

%(x, y, z) ( x

2

y

2

dV,

background image

21

• Moment bezwładności bryły

V

względem początku układu:

I

O

def

=

Z

Z

V

Z

%(x, y, z) ( x

2

y

2

z

2

dV,

Przykład

Oblicz masę bryły

V

ograniczonej powierzchniami:

= 1

i

x

2

y

2

z

, jeżeli jej gęstość w każdym punkcie

(x, y, z)

wyraża się wzorem

%(x, y, z) =

s

x

2

y

2

background image

22

Przykład

Korzystając z całki potrójnej obliczyć moment bezwładności

jednorodnej bryły ograniczonej powierzchniami:

= 2

i

x

2

y

2

2= 0

względem osi

OZ

.

Uwaga

Bryła jednorodna to bryła o stałej gęstości rozkładu masy,

tj. przyjmiemy, że

%(x, y, z) = %

0

0.