background image

RACHUNEK  CAŁKOWY  FUNKCJI  TRZECH ZMIENNYCH.

CAŁKA POTRÓJNA.

Def.

Obszar domknięty     z przestrzeni R

3

V

gdzie 

 

V

= (x, y, z) ∈ R3 : (x, y) ∈

_

DNOX , g(x, y) ≤ z ≤ h(x, y), g, h ∈ C

0(

_

D; R

)

oraz  

   (NOY)

g

(x, y) < z < h(x, y) dla (x, y) ∈ DNOX

nazywamy obszarem normalnym względem płaszczyzny OXY.
..............................................................................................................

Niech F  będzie funkcją rzeczywistą trzech  zmiennych określoną na obszarze   V
domkniętym , normalnym względem płaszczyzny OXY.
Całkę potrójną możemy zdefiniować analogicznie jak całkę podwójną.

..................................................................................................................
Podamy jednak tylko 

Tw. 

Jeżeli funkcja F jest ciągła na obszarze normalnym V względem płaszczyzny  OXY, to:

(1)

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz

df

=

b

a


ϕ(x)

ψ(x)


h

(x,y)

g

(x,y)

F

(x, y, z)dz


dy


dx.

..................................................................................................................

Analogicznie okreslamy obszar V

 normalny względem pozostałych dwóch płaszczyzn układu

⊂ R3

współrzednych oraz formułujemy twierdzenia wyrażające związek między całką potrójną a całką
iterowaną w tych obszarach.
..................................................................................................................

Obszar domknięty    będący sumą skończonej ilości obszarów normalnych 

V

(względem płasczyzn OXY lub OXZ lub OYZ ), które nie mają wspólnych punktów 
wewnętrznych , nazywamy obszarem regularnym w przestrzeni R

3  

.

..................................................................................................................

Tw.

Całka potrójna funkcji F (x,y,z),  na obszarze regularnym domkniętym w R

3

 będącym sumą

skończonej liczby obszarów normalnych (względem płaszczyzn OXY, OXZ lub OYZ), które
nie maj
ą wspólnych punktów wewnętrznych,  
jest sum
ą całek potrójnych tej funkcji na poszczególnych obszarach normalnych.
........................................................................................................................

1

background image

Wybrane własności  całki potrójnej.

Niech

(iloczyn wnętrz),(2)

F, G

∈ C0(V, R), α, β ∈ R, V = V1 ∪ V2, intV1 ∩ intV2 = ∅

to

V

∫ ∫ ∫

[α F(x, y, z) + β G(x, y, z)] dxdydz =

(3)

α

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz + β

V

∫ ∫ ∫

G

(x, y, z) dxdydz

.................................................................................................................................

,            (4)

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz =

V

1

∫ ∫ ∫

F

(x, y) dxdydz +

V

2

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz

....................................................................................................................................

.

            (5)

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz ≥ 0

dla

F

(x, y, z) ≥ 0 na V

................................................................................................................................

2

background image

Tw. ( o zamianie zmiennych w całce potrójnej).

Jeżeli

1.

odwzorowanie 
x = x(u,v,w),  y = y(u,v,w),  z = z(u,v,w)   przekształca 
wzajemnie jednoznacznie wn
ętrze  obszaru regularnego   

∆ ⊂ R3

na wnętrze obszaru regularnego 

,

V⊂ R3

2.

funkcje  

,

x, y, z

∈ C1( ∆ ; R)

3.

funkcja  

,

F

∈ C0( V ; R)

4.

jakobian

J(u,v,w) = 

  na obszarze  ,

∂x
∂u

∂x
∂v

∂x

∂w

∂y
∂u

∂y
∂v

∂y

∂w

∂z

∂u

∂z
∂v

∂z

∂w

≠ 0

to

 

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, v) dxdydv =

∫ ∫ ∫

F

(x(u, v, w), y(u, v, w), z(u, v, w)) J(u, v, w) dudvdw

(6)

........................................................................................................................................

3

background image

W przypadku, gdy obszar V jest sferą lub wycinkiem tej figury, a także i w niektórych innych przy-
padkach, często wygodnie jest przy obliczaniu całki potrójnej wprowadzić a)

współrzędne sfe-

ryczne ( kuliste )

.

x

= R cos θ cos ϕ,

y

= R cos θ sin ϕ,

z

= R sin θ

x

P(x,y,z)

R

ϕ

θ

y

z

P'(x,y,0)

r

P'(x,y,0)

x

y

r

ϕ

W tym przypadku jakobian przybiera posta

ć

:

J(u,

) = 

v, w

∂x
∂u

∂x
∂v

∂x

∂w

∂y
∂u

∂y
∂v

∂y

∂w

∂z

∂u

∂z
∂v

∂z

∂w

=

∂x

∂R

∂x

∂ϕ

∂x
∂θ

∂y

∂R

∂y

∂ϕ

∂y

∂θ

∂z

∂R

∂z

∂ϕ

∂z

∂θ

=

 =  R

2

cos

cos

θ cos ϕ − R cos θ sin ϕ − R sin θ cos ϕ

cos

θ sin ϕ R cos θ cos ϕ

R cos

θ cos θ

sin

θ

0

R cos

θ

θ

i wzór (6) ma posta

ć

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y) dxdy =

∫ ∫ ∫

F

(R cos θ cos ϕ, cos θ sin ϕ, R sin θ) R2cos θ dRdθ dϕ

4

background image

lub 

b)

współrzędne cylindryczne ( walcowe ) 

x

= r cos ϕ,

y

= r sin ϕ,

z

= z

x

y

z

P(x,y,z)

r

W tym przypadku jakobian przybiera posta

ć

:

J(

) = 

=  r.

u, v, w

∂x
∂u

∂x
∂v

∂x

∂w

∂y
∂u

∂y
∂v

∂y

∂w

∂z

∂u

∂z
∂v

∂z

∂w

=

∂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 r cos ϕ 0

0

0

1

i wzór (6) ma posta

ć

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y) dxdy =

∫ ∫ ∫

F

(r cos ϕ, r sin ϕ, z) r drdz dϕ

5

background image

Zastosowania całki potrójnej.

1.

Obliczanie obj

ę

to

ś

ci obszaru  .

Je

ż

eli V jest obszarem regularnym  

,  to

V

⊂ R3

.

V

=

V

∫ ∫ ∫

dxdydz

2.

Obliczanie masy obszaru.
Je

ż

eli  F(x,y)  jest g

ę

sto

ś

ci

ą

 obj

ę

to

ś

ciow

ą

 masy obszaru regularnego

  

  i  

 mas

ę

 obszaru V wyra

ż

a wzór:

V

⊂ R3

F

∈ C0(V; R), to

m

=

V

∫ ∫ ∫

F

(x, y, z) dxdydz

5.

Obliczanie momentów statycznych oraz momentów bezwładno

ś

ci.

Je

ż

eli  F(x,y,z)  jest g

ę

sto

ś

ci

ą

 obj

ę

to

ś

ciow

ą

 masy obszaru regularnego  

   i  

 momenty statyczne 

 

V

⊂ R3

F

∈ C0(V; R),

to

Mxy

(wzgl

ę

dem płaszczyzny OXY)  , 

 (wzgl

ę

dem płaszczyzny OXZ) 

Mxz

oraz 

(wzgl

ę

dem płaszczyzny OYZ)  wyra

ż

aj

ą

  wzory:

Myz

,

Mxy =

V

∫ ∫ ∫

z F

(x, y, z) dxdydz

   

Mxz

=

V

∫ ∫ ∫

y F

(x, y, z) dxdydz

oraz

Myz

=

V

∫ ∫ ∫

x F

(x, y, z) dxdydz

za

ś

 momenty bezwładno

ś

ci 

 (wzgl

ę

dem płaszczyzny OXZ) , 

 (wzgl

ę

dem płaszczyzny OXZ

Bxz

Bxz

 oraz 

 wzgl

ę

dem płaszczyzny OYZ, wyra

ż

aj

ą

  wzory:

Byz

,

Bxy =

V

∫ ∫ ∫

z2 F

(x, y, z) dxdydz

,

Bxz =

V

∫ ∫ ∫

y2 F

(x, y, z) dxdydz

.

Byz

=

V

∫ ∫ ∫

x2 F

(x, y, z) dxdydz

6.

Obliczanie 

ś

rodka ci

ęż

ko

ś

ci.

Współrz

ę

dne   

   

ś

rodka ci

ęż

ko

ś

ci  

 masy obszaru 

 

ξ, η, ζ

S

(ξ, η, ζ)

V

⊂ R3

wyra

ż

aj

ą

 wzory:

 .

ξ =

Myz

m ,

η =

Mxz

m ,

ζ =

Mxy

m

6

background image

Przykład.

Oblicz obj

ę

to

ść

 bryły ,  ograniczonej cz

ęś

ciami  powierzchni :


S1 : z = 4 − x

2 − y2

S2 : z = x

2 + y2


x

y

z

-2

2

Znajd

ź

my lini

ę

 przeci

ę

cia powierzchni S

1

 i S

2

, sk

ą

d  x

+ y

= 2 dla z = 

,

4

− x2 − y2 = x2 + y2

2

zatem

.

P

(x, y, z) ∈ V ⇔


− 2

≤ x ≤

2

− 2 − x2 ≤ y ≤

2

− x2

x2

+ y2 ≤ z ≤

4

− x2 − y2


St

ą

 =  

.

V

V

∫ ∫ ∫

dxdydz

=

− 2

2


2

−x

2

− 2−x

2

x

2

+ y

2

4

− x

2

− y

2

dzdy


dx

7

background image

Dokonajmy zamiany zmiennych, wprowadzaj

ą

c współrz

ę

dne cylindryczne:

x

= r cos ϕ,

y

= r sin ϕ,

z

= z.

Mamy :

0

≤ r ≤

2

0

≤ ϕ ≤

2

π

r

≤ z ≤

4

− r2

V

∫ ∫ ∫

dxdydz

=

0

2

2

π

0

r

4

−r

2

r d

θ

d

ϕ

dr

lub dokonajmy zamiany zmiennych, wprowadzaj

ą

c współrz

ę

dne sferyczne:

.

x

= R cos θ cos ϕ,

y

= R cos θ sin ϕ,

z

= R sin θ

Mamy :

.

0

≤ R ≤ 2

0

≤ ϕ ≤ 2π

π
4

≤ θ ≤ π

2

Wówczas 

 = 

V

∫ ∫ ∫

dxdydz

=

− 2

2


2

−x

2

− 2−x

2


x

2

+ y

2

4

− x

2

− y

2

dz


dy


dx

=

0

2

2

π

0

π
2

π
4

R2cos

θdθ

d

ϕ

dR

8

background image

Przykład.

Obliczmy obj

ę

to

ść

 bryły 

,  ograniczonej cz

ęś

ciami  powierzchni

V

⊂ R3

,


S1 :

z

= x2 + y2

S2 :

x2

+ y2 + 2y = 0

S3 :

z

= 0


x

y

z

,

P

(x, y, z) ∈ V ⇔


− −2y − y2 ≤ x ≤

−2y − y2

−2

≤ y ≤

0

0

≤ z ≤

x2

+ y2


Zatem

,

V

=

V

∫∫ ∫

dxdydz

gdzie 

.

V

=


(x, y, z) ∈ R3 :


− −2y − y2 ≤ x ≤

−2y − y2

−2

≤ y ≤

0


0

≤ z ≤ x2 + y2


x

y

9

background image

Poniewa

ż

 obszar V jest normalny wzgl

ę

dem płaszczyzny OXY , zatem

V

=

V

∫ ∫ ∫

dxdydz

=

−2

0


− −2y−y

2

−2y−y

2

x

2

+y

2

0

dz

dx


dy

=

.

−2

0


− −2y−y

2

−2y−y

2

[z]

x

2

+ y

2

0

dx


dy

−2

0


− −2y−y

2

−2y−y

2

x2

+ y2

dx


dy

Poniewa

ż

 obszar D jest normalny wzgl

ę

dem osi OY , zatem

 = 

 =

V

=

−2

0


− −2y−y

2

−2y−y

2

x2

+ y2

dx


dy

−2

0


x3

3

+ x ⋅ y2

− −2y−y

2

−2y−y

2


dy

=

=

−2

0

 −2y−y

2

3

3

+

 −2y − y

2 

 ⋅ y

2

− −2y−y

2

3

3

+

− −2y − y

2 

 ⋅ y

2

dy

=

.

2

−2

0

−2y−y

2

3

3

+

−2y − y2

⋅ y2

dy

Wobec zło

ż

onej postaci wyra

ż

enia podcałkowego zastosujmy twierdzenie 

o zamianie zmiennych  w całce podwójnej:

,

x

= r cos ϕ

y

= r sin ϕ

wówczas

  czyli  

,

x2

+ y2 + 2y ≤ 0

r2

+ 2r sin ϕ ≤ 0

dla        

.

0

≤ r ≤ −2 sin ϕ

π

≤ ϕ ≤

2

π

10

background image

Zatem

=

D

∫∫

x2

+ y2

dxdy

=

2

π

π


−2 sin ϕ

0

r3

dr


d

ϕ =

2

π

π

r4

4

0

−2 sin ϕ

d

ϕ

=

2

π

π

[−2 sin ϕ]4

4

d

ϕ = 4

2

π

π

sin4

ϕ dϕ = 4

2

π

π


1

− cos 2ϕ

2


2

d

ϕ =

=

=

=

2

π

π

1

− 2 cos 2ϕ + cos22ϕ

d

ϕ

2

π

π


1

− 2 cos 2ϕ +

1

+ cos 4ϕ

2


d

ϕ

=

+

ϕ − sin 2ϕ +

ϕ +

sin 4

ϕ

4

2

π

2

π

=

2

π − sin (2 ⋅ 2π) +

2

π +

sin (4

⋅2π)

4

2

-

=

-

.

π − sin (2 ⋅ π) +

π +

sin (4

⋅π)

4

2

2

π + 2π

2

π + π

2

= π − π

2

= π

2

Ćwiczenia. 

Oblicz całki:

1.

, gdzie 

,

V

∫ ∫ ∫

ex dxdydz

V

=

obszar ograniczony powierzchniami

x

= o,

y

= 2,

x

= ln y, z = 0, z = 1

2.

,

V

∫ ∫ ∫

2y dxdy dz, gdzie V

=

obszar ograniczony powierzchniami

y

= x ,

y

= 0,

x

+ y = 2, z = 0, z = 2

3.

,

V

∫ ∫

x2

+ y2 + z2

dxdydz , gdzie V

=

obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = 4, z = 0, z = 4

4.

,

V

∫ ∫ ∫

2 dxdzdy ,

gdzie V

=

obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = 4, z = 0, z = x2 + y2

5.

,

V

∫ ∫ ∫

dzdxdy ,

gdzie V

=

obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = −2y, z = 0, z = −x2 − y2

6.

,

V

∫ ∫ ∫

dxdzdy , gdzie V

=


obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = −2x + 2y, z = 0, z = x2 + y2


11

background image

7.

,

V

∫ ∫ ∫

x2

+ y2 dxdydz ,

gdzie V

=

obszar ograniczony pow.

z

= x2 + y2, x2 + y2 = 2x, z = 0

8.

V

∫ ∫ ∫

1

+ x2 + y2 + z2 dxdydz , gdzieV =

obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = 4, z = 0, z = 1

,

9.

V

∫ ∫ ∫

x2

+ y2 + z2 dxdzdy , gdzie V =

obszar ograniczony pow.

z

= 1, z = 2, x2 + y2 = 1

,

10.

,

V

∫ ∫ ∫

1

x2

+ y2 + z2

dxdydz , gdzie V

=

obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = 9, z = 0, z = x2 + y2

11.

.

V

∫ ∫ ∫

1

1

+ x2 + y2 + z2

dxdzdy , gdzieV

=


obszar ograniczony pow.

x2

+ y2 = 9, z = 1, z = x2 + y2


12