background image

CAŁKI PODWÓJNE - część pierwsza

Przykład 1. Oblicz całkę podwójną

Z Z

D

(e

5x

+ 1) ddy,

gdzie obszar

=

©

(x, y∈ R

2

:

≤ x ≤ 2,

3e

−x

≤ y ≤ e

x

ª

.

Rozpoczniemy od naszkicowania na płaszczyźnie X0obszaru D. Najpierw prowadzimy
dwie proste prostopadłe do osi 0przechodzące przez = 1 oraz = 2. Kolejnym
etapem jest naszkicowanie dwóch funkcji wykładniczych. Malejącej funkcji = 3e

−x

oraz rosnącej e

x

. Obszar ograniczony przez te cztery krzywe to nasz obszar D, który

na rysunku cieniujemy - patrz ryc.1.

Kolejna procedura to przejście od całki podwójnej do całki iterowanej. Zabieg ten

polega na rozbiciu symbolu

RR

na dwie całki pojedyncze oznaczone. Jedna z tych dwóch

całek będzie całką względem dx, druga - względem dy. Jedna z nich będzie całką ze-
wnętrzną (odnoszącą się do zmiennej niezależnej), a druga - wewnętrzną (odnoszącą się
do zmiennej zależnej). Od nas zależy wybór, która z całek będzie zewnętrzna, a która
wewnętrzna; wynik pozostanie taki sam w obydwu konfiguracjach (o ile nie popełnimy
błędu).

1

background image

Przyjmimy, że w naszym zadaniu rolę całki zewnętrznej będzie pełniła całka wzglę-

dem dx. Musimy wskazać granice tej całki. W tym celu przyglądamy się obszarowi D
na wykresie oraz zakresowi zmienności współrzędnych odciętych (x) tego obszaru. To
znaczy rzutujemy prostopadle na oś 0obszar i odnajdujemy ekstremalne wartości
współrzędnych odciętych. U nas minimalna wartość współrzędnej odciętej to = 1, a
maksymalna to = 2. W tych granicach zmienia się x. Te dwie wartości (1 oraz 2) stają
się granicami całki względem dx. Dolną granicą jest liczba 1, a górną liczba 2.

Nieco inaczej rzecz ma się z całką wewnętrzną, u nas - całką względem dy. Jej granice

zależą bowiem od wartości, jakie przyjmuje x. Sytuację tę obrazuje ryc.2.

Wyobrażamy sobie, że na osi 0obserwujemy punkt (oznaczony na tej rycinie przez

grubą kropkę i podpisany x). Następnie zastanawiamy się, jak dla takiego zmienia się
w obszarze współrzędna y. Otóż zmienia się ona od "dolnej" funkcji wykładniczej do
"górnej" funkcji wykładniczej. Dla ustalonego na osi odciętych współrzędna będzie
się więc zmieniać od = 3e

−x

do e

x

. Formuły po prawej stronie znaku "=" stają

się granicami: (odpowiednio) dolną i górną wewnętrznej całki po dy.

2

background image

Zamieniamy zatem całkę podwójną na iterowaną:

Z Z

D

(e

5x

+ 1) dd=

2

Z

1

µ

e

x

Z

3e

−x

(e

5x

+ 1) dy

dx.

Alternatywny zapis całki iterowanej jest następujący:

Z Z

D

(e

5x

+ 1) dd=

2

Z

1

dx

e

x

Z

3e

−x

(e

5x

+ 1) dy.

Obliczmy więc naszą całkę. Metoda jest następująca: przepisujemy symbol całki

zewnętrznej, a obliczamy całkę wewnętrzną. Pamiętamy, że całkujemy funkcję dwóch
zmiennych - zatem w przypadku całkowania względem zmiennej y, będziemy traktywać
zmienną jako stałą (parametr). Stałą moża wyłączać przed symbol całki, natomiast
całka ze stałej jest równa tej stałej razy argument (po którym całkowanie się odbywa).

Zatem

Z Z

D

(e

5x

+ 1) dd=

2

Z

1

µ

e

x

Z

3e

−x

(e

5x

+ 1) dy

d=

2

Z

1

µ

e

5x

e

x

Z

3e

−x

d+

e

x

Z

3e

−x

1 dy

d=

=

2

Z

1

µ

e

5x

·

y

2

2

¸

e

x

3e

−x

+ [y]

e

x

3e

−x

d=

2

Z

1

µ

e

5x

µ

(e

x

)

2

2

(3e

−x

)

2

2

e

x

− 3e

−x

d=

=

2

Z

1

µ

e

5x

µ

e

2x

2

9e

2x

2

+e

x

3e

−x

d=

2

Z

1

µ

1
2

e

5x

·e

2x

9
2

e

5x

·e

2x

+e

x

3e

−x

d=

=

2

Z

1

µ

1
2

e

7x

9
2

e

3x

e

x

− 3e

−x

d=

·

1
2

·

1
7

e

7x

9
2

·

1
3

e

3x

e

x

+ 3e

−x

¸

2

1

=

=

1

14

e

7·2

3
2

e

3·2

e

2

+ 3e

2

µ

1

14

e

7·1

3
2

e

3·1

e

1

+ 3e

1

=

=

1

14

e

14

3
2

e

6

e

2

+ 3e

2

1

14

e

7

+

3
2

e

3

− e − 3e

1

≈ 85251.

.

3

background image

Przykład 2. Oblicz całkę podwójną

Z Z

D

xy

2

ddy,

gdzie obszar

=

©

(x, y∈ R

2

:

≤ x

2

y

2

≤ 4,

x ≤ 0,

y ≥ 0

ª

.

Szkicujemy na płaszczyźnie X0obaszar D. Ponieważ równanie

x

2

y

2

= 1

określa okrąg o środku w punkcie (00) i promieniu równym 1, zaś równanie

x

2

y

2

+ 4

określa okrąg o środku w punkcie (00) i promieniu równym 2, to rozwiązaniem podwój-
nej nierówności

≤ x

2

y

2

≤ 4

jest różnica między dwoma kołami o środkach w punkcie (00): tym większym - o promie-
niu równym 2 oraz tym mniejszym - o promieniu równym 1. Ze względu zaś na warunek,
że

x ≤ 0 oraz y ≥ 0,

ograniczamy się do II ćwiartki układu współrzędnych - patrz ryc.3.

4

background image

W przypadku, gdy obszar jest kołem, fragmentem koła lub fragmentem różnicy

dwóch kół, stosujemy zamianę współrzędnych (x, y) na współrzędne biegunowe. Współ-
rzędne biegunowe określamy następująco:

½

cos α
sin α.

Jakobian tego przekształcenia wynosi r.

W zadanym obszarze określamy zmienność (długości promienia wodzącego) oraz

α (kąta, jaki zakreśla w obszarze promień wodzący począwszy od osi 0X, przeciwnie
do ruchu wskazówek zegara).

Mamy więc:

½

r ∈ h1; 2i
α ∈

­

π

2

π

®

.

Zmieniając współrzędne (x, y) na (r, α), musimy zastąpić w funkcji podcałkowej

zmienną wyrażeniem cos(α) oraz zmienną wyrażeniem sin(α). Ponadto w cał-
ce wyrażonej przy użyciu nowych zmiennych należy funkcję podcałkową przemnożyć
przez jakobian (= r).

Otrzymujemy więc:

Z Z

D

xy

2

dd=

π

Z

π

2

µ

2

Z

1

cos α

| {z }

x

·(sin α

| {z }

y

)

2

·

r

|{z}

jakobian

dr

dα =

=

π

Z

π

2

µ

2

Z

1

r

4

cos α sin

2

α dr

dα =

π

Z

π

2

µ

cos α sin

2

α

2

Z

1

r

4

dr

dα =

=

π

Z

π

2

µ

cos α sin

2

α

·

r

5

5

¸

2

1

dα =

π

Z

π

2

µ

cos α sin

2

α

µ

2

5

5

1

5

5

| {z }

31

5

¶¶

dα =

=

31

5

π

Z

π

2

cos α sin

2

α dα =

°

°

°

°

°

°

°

°

sin α t
cos α dα = dt

α

π

2

π

1 0

°

°

°

°

°

°

°

°

=

=

31

5

0

Z

1

t

2

d=

31

5

·

t

3

3

¸

0

1

=

31

5

µ

0

3

3

1

3

3

=

31

5

·

µ

1
3

31
15

.

5