background image

Rachunek prawdopodobieństwa MAP1064

Wydział Elektroniki, rok akad. 2008/09, sem. letni

Wykładowca: dr hab. A. Jurlewicz

Przykłady do listy 1: Całki podwójne

Przykłady do zadania 1.1 :
Obliczyć dane całki podwójne po wskazanych prostokątach

(a)

Z Z

R

sin(ydxdy=



π

4

,

π

4



×



0,

π

4



Z Z

R

sin(ydxdy =

π

4

Z

π

4

dx

π

4

Z

0

sin(y)dy =

• =

π

4

Z

π

4

(− cos(y)





y=

π

4

y=0

dx =

π

4

Z

π

4

(− cos(+

π

4

) + cos x)dx =

• = (− sin(+

π

4

) + sin x





x=

π

4

x=

π

4

− sin

π

2

+ sin

π

4

+ sin 0 − sin



π

4



=

− 1

(b)

Z Z

R

(x

2

y

2

xdxdy= [11] × [24]

Z Z

R

(x

2

y

2

xdxdy =

4

Z

2

dy

1

Z

1

(x

2

y

2

x)dx =

• =

4

Z

2

 

x

3

3

y

2

·

x

2

2





x=1

x=1

dy =

4

Z

2



2

3

+ 0



dy =

• =

2

3

· 2 =

4

3

(c)

Z Z

R

e

x+y

dxdy= [01] × [01]

Z Z

R

e

x+y

dxdy =

Z Z

R

e

x

e

y

dxdy =

• =

1

Z

0

e

x

dx

·

1

Z

0

e

y

dy

=

1

Z

0

e

x

dx

2

=

• =

e

x





x=1

x=0

2

= (e − 1)

2

(d)

Z Z

R

xy(ydxdy= [11] × [11]

Z Z

R

xy(ydxdy =

Z Z

R

x

2

y dxdy +

Z Z

R

xy

2

dxdy =

• =

1

Z

1

x

2

dx

·

1

Z

1

ydy

+

1

Z

1

xdx

·

1

Z

1

y

2

dy

= 2

1

Z

1

x

2

dx

·

1

Z

1

ydy

= 0,

bo druga całka w iloczynie równa jest 0 jako całka z funkcji nieparzystej po przedziale
symetrycznym względem 0.

1

background image

Przykłady do zadania 1.2 :
Podane całki podwójne zamienić na całki iterowane i obliczyć. Narysować obszar całkowania.

(a)

Z Z

D

1

(1 + y)

2

dxdy, gdzie =

n

(x, y) : 0 ¬ x ¬ 2,

x
2

¬ y ¬ 2x

o

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

 2

 0

 y=2x

y=x/2

Z Z

D

1

(1 + y)

2

dxdy =

2

Z

0

dx

2x

Z

x
2

dy

(1 + y)

2

=

2

Z

0

1

1 + y





y=2x

y=

x
2

dx =

=

2

Z

0

 

1

1 + 3x

+

1

1 +

3
2

x

!

dx =

1

3

ln |1 + 3x| +

2

3

ln




1 +

3

2

x








x=2

x=0

1

3

ln 7 +

2

3

ln 4

(b)

Z Z

D

e

xy

dxdy, gdzie =



(x, y) : 1 ¬ x ¬ e, ¬ y ¬

1

x



• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

−0.5

0

0.5

1

1.5

 1

 e

y=1/x 

y=0 

Z Z

D

e

xy

dxdy =

e

Z

1

dx

1
x

Z

0

e

xy

dy =

e

Z

1

1

x

e

xy





y=

1
x

y=0

dx =

e

Z

1



1

x

e −

1

x



dx =

=

 

(e − 1) ln |x|





x=e

x=1

e − 1

2

background image

(c)

Z Z

D

x dxdy, gdzie =

n

(x, y) : 0 ¬ x ¬ 1¬ y ¬

− x

2

o

.

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

 1

 0

 y=(1−x

2

)

1/2

Z Z

D

x dxdy =

1

Z

0

dx

1−x

2

Z

0

xdy =

1

Z

0

xy





y=

1−x

2

y=0

dx =

1

Z

0

x

− x

2

dx =




= 1 − x

2

dy 2xdx

0 1

1 0




=

1

2

0

Z

1

ydy =

1

2

·

y

3/2

3/2





y=0

y=1

=

1

3

Przykłady do zadania 1.3 :

Obszar ograniczony jest krzywymi o podanych równaniach. Całke podwójną

Z Z

D

(x, ydxdy

(gdzie (x, y) jest ciągła na D) zamienić na dwa rodzaje całek iterowanych.

(a) = 0, = 1, x

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

y=1 

x=0 

y=x 

• to obszar normalny względem osi 0x, bo

{(x, y) : 0 ¬ x ¬ 1, x ¬ y ¬ 1}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dx

1

Z

x

(x, y)dy

• to także obszar normalny względem osi 0y, bo

{(x, y) : 0 ¬ y ¬ 1¬ x ¬ y}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dy

y

Z

0

(x, y)dx

3

background image

(b) x

2

=

x

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

 x

 y=x

2

y=x

1/2

 

• szukamy punktów wspólnych podanych krzywych:

x

2

=

x

x

4

x, x ­ 0

x(x

3

− 1) = 0, x ­ 0

= 0 ∨ x = 1

,

dla = 0 mamy = 0

2

= 0, dla = 1 mamy = 1

2

= 1

• to obszar normalny względem osi 0x, bo

{(x, y) : 0 ¬ x ¬ 1, x

2

¬ y ¬

x}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dx

x

Z

x

2

(x, y)dy

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

 x

 x=y

1/2

x=y

2

 

• to także obszar normalny względem osi 0y, bo

{(x, y) : 0 ¬ y ¬ 1, y

2

¬ x ¬

y}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dy

y

Z

y

2

(x, y)dx

4

background image

(c) (x − 1)

2

+ (+ 2)

2

= 4

• krzywa to okrąg o środku (1, −2) i promieniu 2

• wyznaczenie dolnej i górnej funkcji:

(x − 1)

2

+ (+ 2)

2

= 4

+ 2 = ±

q

− (x − 1)

2

±

q

− (x − 1)

2

, −¬ x ¬ 3

d(x) = 

q

− (x − 1)

2

g(x) = 2 +

q

− (x − 1)

2

¬ x ¬ 3

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

−4.5

−4

−3.5

−3

−2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

−1 

 (1,−2)

y=−2+(4−(x−1)

2

)

1/2

 

y=−2−(4−(x−1)

2

)

1/2

 

• to obszar normalny względem osi 0x, bo

=

n

(x, y) : ¬ x ¬ 3, −

q

− (x − 1)

2

¬ y ¬ −2 +

q

− (x − 1)

2

o

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

3

Z

1

dx

2+

4(x−1)

2

Z

2

4(x−1)

2

(x, y)dy

• wyznaczenie lewej i prawej funkcji:

(x − 1)

2

+ (+ 2)

2

= 4

x − 1 = ±

q

− (+ 2)

2

= 1 ±

q

− (+ 2)

2

, −¬ y ¬ 0

l(y) = 1 

q

− (+ 2)

2

p(y) = 1 +

q

− (+ 2)

2

¬ y ¬ 0

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

−4.5

−3.5

−2.5

−1.5

−0.5

0.5

(1,−2) 

−4 

x=1+(4−(y+2)

2

)

1/2

 

x=1−(4−(y+2)

2

)

1/2

 

• to także obszar normalny względem osi 0y, bo

=

n

(x, y) : ¬ y ¬ 0

q

− (+ 2)

2

¬ x ¬ 1 +

q

− (+ 2)

2

o

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

0

Z

4

dy

1+

4(y+2)

2

Z

1

4(y+2)

2

(x, y)dx

5

background image

(d) 1, = 1, = 2 

− y

2

1 +

− y

2

• dwie ostatnie krzywe to półokręgi:

= 2 

− y

2

x − 2 = 

− y

2

(x − 2)

2

= 1 − y

2

(x − 2)

2

y

2

= 1, x ¬ 2

lewy półokrąg o środku (20) i promieniu 1

1 +

− y

2

+ 1 =

− y

2

(+ 1)

2

= 1 − y

2

(+ 1)

2

y

2

= 1, x ­ 1

prawy półokrąg o środku (10) i promieniu 1

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

(−1,0) 

(2,0) 

−1 

x=2−(1−y

2

)

1/2

 

x=−1+(1−y

2

)

1/2

 

• to obszar normalny względem osi 0y, bo

=

n

(x, y) : ¬ y ¬ 1, −1 +

− y

2

¬ x ¬ 

− y

2

o

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

1

dy

2

1−y

2

Z

1+

1−y

2

(x, y)dx

6

background image

• nie jest obszarem normalnym względem osi 0x, ale jest sumą takich obszarów o roz-

łącznych wnętrzach

D

1

∪ D

2

∪ D

3

∪ D

4

∪ D

5

gdzie D

1

=

n

(x, y) : ¬ x ¬ 0, −¬ y ¬ −

q

− (+ 1)

2

o

D

2

=

n

(x, y) : ¬ x ¬ 0,

q

− (+ 1)

2

¬ y ¬ 1

o

D

3

= [01] × [11]

D

4

=

n

(x, y) : 1 ¬ x ¬ 2, −¬ y ¬ −

q

− (x − 2)

2

o

D

5

=

n

(x, y) : 1 ¬ x ¬ 2,

q

− (x − 2)

2

¬ y ¬ 1

o

• rysunek

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

−1 

0

 y=1

 y=−1

 y=(1−(x−2)

2

)

1/2

 y=−(1−(x−2)

2

)

1/2

 y=(1−(x+2)

2

)

1/2

 y=−(1−(x+2)

2

)

1/2

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

0

Z

1

dx

1(x+1)

2

Z

1

(x, y)dy +

0

Z

1

dx

1

Z

1(x+1)

2

(x, y)dy+

+

1

Z

0

dx

1

Z

1

(x, y)dy +

2

Z

1

dx

1(x−2)

2

Z

1

(x, y)dy +

2

Z

1

dx

1

Z

1(x−2)

2

(x, y)dy

7

background image

(e) y

2

x − 2

• to obszar między parabolą y

2

a prostą + 2

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

−2.5

−1.5

−0.5

0.5

1.5

2.5

−1 

2

x=y

2

 

x=y+2 

• szukamy punktów wspólnych tych krzywych:

y

2

+ 2

y

2

− y − 2 = 0

∆ = 9
y

1

=

13

2

1, y

2

=

1+3

2

= 2

• to obszar normalny względem osi 0y, bo

{(x, y) : ¬ y ¬ 2, y

2

¬ x ¬ y + 2 }

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

2

Z

1

dy

y+2

Z

y

2

(x, y)dx

• jest też obszarem normalnym względem osi 0x, wygodniej przedstawić go jako sumę

takich obszarów o rozłącznych wnętrzach

D

1

∪ D

2

gdzie D

1

{(x, y) : 0 ¬ x ¬ 1, −

x ¬ y ¬

x }

D

2

{(x, y) : 1 ¬ x ¬ 4, x − ¬ y ¬

x }

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

−2.5

−1.5

−0.5

0.5

1.5

2.5

 y=x−2

 y=x

1/2

 y=−x

1/2

0

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dx

x

Z

x

(x, y)dy +

4

Z

1

dx

x

Z

x−2

(x, y)dy

8

background image

(f) = 0, e

2

e

x

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

−1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

2

e

2

1

0

y=e

2

 

x=ln(y) 

y=e

x

x=0 

• to obszar normalny względem osi 0x, bo

{(x, y) : 1 ¬ y ¬ e

2

¬ x ¬ ln y}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

e

2

Z

1

dy

ln y

Z

0

(x, y)dx

• = ln y ⇐⇒ y e

x

• Zatem to także obszar normalny względem osi 0y, bo

{(x, y) : 0 ¬ x ¬ 2, e

x

¬ y ¬ e

2

}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

2

Z

0

dx

e

2

Z

e

x

(x, y)dy

9

background image

(g) = 0, = sin x, przy czym 0 ¬ x ¬ π

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

y=sin(x) 

y=0

π

 

• to obszar normalny względem osi 0x, bo

{(x, y) : 0 ¬ x ¬ π, ¬ y ¬ sin x}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

π

Z

0

dx

sin x

Z

0

(x, y)dy

• = sin x, ¬ x ¬

π

2

⇐⇒ x = arc sin y, ¬ y ¬ 1

= sin x,

π

2

¬ x ¬ π ⇐⇒ x π − arc sin y, ¬ y ¬ 1

• rysunek

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

−0.5

0

0.5

1

1.5

x=

π

−arcsin(x) 

x=arcsin(x) 

• Zatem to także obszar normalny względem osi 0y, bo

{(x, y) : 0 ¬ y ¬ 1arc sin y ¬ x ¬ π − arc sin y}

• Stąd

Z Z

D

(x, ydxdy =

1

Z

0

dy

π−arc sin y

Z

arc sin y

(x, y)dx

10

background image

Przykłady do zadania 1.4 :
Wprowadzając współrzędne biegunowe obliczyć podane całki podwójne po wskazanych obszarach:

(a)

Z Z

D

e

(x

2

+y

2

)

dxdy, gdzie to obszar ograniczony krzywą x

2

y

2

= 2

• {(x, y) : x

2

y

2

¬ 2- koło o środku (00) i promieniu

2

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

 y

2

1/2

 

• we współrzędnych biegunowych odpowiada ∆ = {(ϕ, ρ) : 0 ¬ ϕ ¬ 2π, ¬ ρ ¬

2}

Z Z

D

e

(x

2

+y

2

)

dxdy =

Z Z

e

−ρ

2

ρ dρdϕ =

2π

Z

0

2

Z

0

e

−ρ

2

ρ dρ =

2π

Z

0

·


2

Z

0

e

−ρ

2

ρ dρ


=

= 2π ·

1

2

e

−ρ

2





2

0

π(1 − e

2

)

(b)

Z Z

D

dxdy

x

2

y

2

− 1

, gdzie to obszar ograniczony krzywymi x

2

y

2

= 9 i x

2

y

2

= 25

• {(x, y) : 9 ¬ x

2

+y

2

¬ 25- pierścień kołowy o środku (00) i promieniu wewnętrznym

3, zewnętrznym 5

−6

−4

−2

0

2

4

6

−6

−4

−2

0

2

4

6

 3

 5

• we współrzędnych biegunowych odpowiada ∆ = {(ϕ, ρ) : 0 ¬ ϕ ¬ 2π, ¬ ρ ¬ 5}

Z Z

D

dxdy

x

2

y

2

− 1

=

Z Z

1

ρ

2

− 1

ρ dρdϕ =

2π

Z

0

5

Z

3

ρ

ρ

2

− 1

dρ =

2π

Z

0

·

5

Z

3

ρ

ρ

2

− 1

=

= 2π ·

1

2

ln 

2

− 1|





5

3

π(ln 24 − ln 8) = π ln 3

11

background image

(c)

Z Z

D

y dxdy, gdzie to obszar ograniczony krzywymi x

2

y

2

= 1, x

2

y

2

= 4, x= 0,

(x, y ­ 0)

• {(x, y) : 1 ¬ x

2

y

2

¬ 4¬ y ¬ x} - wycinek pierścienia kołowego o środku (00) i

promieniu wewnętrznym 1, zewnętrznym 2

−3

−2

−1

0

1

2

3

−3

−2

−1

0

1

2

3

 x

y=x 

y=0 

• we współrzędnych biegunowych odpowiada ∆ =

n

(ϕ, ρ) : 0 ¬ ϕ ¬

π

4

¬ ρ ¬ 2

o

Z Z

D

y dxdy =

Z Z

(ρ sin ϕρ dρdϕ =

π

4

Z

0

2

Z

1

ρ

2

sin ϕ dρ =


π

4

Z

0

sin ϕ dϕ


·

2

Z

1

ρ

2

=

=

− cos ϕ





ϕ=

π

4

ϕ=0

·

ρ

3

3





ρ=2

ρ=1

=

 

2

2

+ 1

!

·



8

3

1

3



=

7(2 

2)

3

(d)

Z Z

D

x dxdy, gdzie to obszar ograniczony krzywymi x

2

+ (y − 1)

2

= 1, x, (x ­ y)

• {(x, y) : x

2

+ (y − 1)

2

¬ 1¬ y ¬ x} - fragment koła o środku (01) i promieniu 1

leżący poniżej prostej x

−2

−1.5

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

−1

−0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

y=x 

• x

2

+ (y − 1)

2

¬ ⇐⇒ x

2

y

2

¬ 2y ⇐⇒ ρ

2

¬ 2ρ sin ϕ ⇐⇒ ρ ¬ 2 sin ϕ

Zatem we współrzędnych biegunowych odpowiada ∆ =

n

(ϕ, ρ) : 0 ¬ ϕ ¬

π

4

¬ ρ ¬ 2 sin ϕ

o

Z Z

D

x dxdy =

Z Z

(ρ cos ϕρ dρdϕ =

π

4

Z

0

2 sin ϕ

Z

0

ρ

2

cos ϕ dρ =

π

4

Z

0

ρ

3

3





ρ=2 sin ϕ

ρ=0

cos ϕ dϕ =

=

2

3

π

4

Z

0

4 sin

3

ϕ cos ϕ dϕ =

2

3

sin

4

ϕ





π

4

0

=

2

3

 

2

2

!

4

=

1

6

12