background image

Adam Bednarz
Instytut Matematyki PK

CAŠKA POTRÓJNA - PRZYKŠADY

Zadanie 1. Obliczy¢ caªk¦

Z Z Z

V

1

(1 + x + y + z)

3

dxdydz

, je±li V bryªa ograniczona powierzchniami: x = 0,

y = 0

, z = 0 i x + y + z = 1.

Rozwi¡zanie zadanie 1.

Bryª¡ V jest czworo±cian o wierzchoªkach (0, 0, 0), (1, 0, 0), (0, 1, 0) i (0, 0, 1), wi¦c mo»na j¡ opisa¢ równaniami
x ∈ [0, 1]

, y ∈ [0, 1 − x], z ∈ [0, 1 − x − y].

Z Z Z

V

1

(1 + x + y + z)

3

dxdydz =

1

Z

0

1−x

Z

0

1−x−y

Z

0

1

(1 + x + y + z)

3

dz

dy

dx =

1

Z

0

1−x

Z

0

1−x−y

Z

0

(1 + x + y + z)

−3

dz

dy

dx =

1

Z

0

1−x

Z

0



1

2

(1 + x + y + z)

−2



1−x−y

0



dy

dx =

1

2

1

Z

0

1−x

Z

0

(1 + x + y + 1 − x − y)

−2

− (1 + x + y)

−2

 dy

dx = −

1

2

1

Z

0

1−x

Z

0

 1

4

− (1 + x + y)

−2



dy

dx =

1

2

1

Z

0

 1

4

y + (1 + x + y)

−1



1−x

0



dx = −

1

2

1

Z

0

 1

4

(1 − x) + (1 + x + 1 − x)

−1

− (1 + x)

−1



dx =

1

2

1

Z

0

 1

4

(1 − x) +

1

2

− (1 + x)

−1



dx = −

1

8

1

Z

0



1 − x + 2 −

4

1 + x



dx = −

1

8

1

Z

0



3 − x −

4

1 + x



dx =

1

8



3x −

1

2

x

2

− 4 ln |1 + x|



1

0

= −

1

8



3 −

1

2

− 4 ln 2



= −

1

16

(5 − 8 ln 2)

.

Zadanie 2. Obliczy¢ caªk¦

1

Z

0

dx

1−x

2

Z

0

dy

2−x

2

−y

2

Z

x

2

+y

2

z

2

dz

.

Rozwi¡zanie zadanie 2.

Oznaczmy przez V bryª¦ opisan¡ równaniami 0 6 x 6 1, 0 6 y 6

1 − x

2

, px

2

+ y

2

6 z 6

p

2 − x

2

− y

2

, tzn.

V =

n

(x, y, z) ∈ R

3

: 0 6 x 6 1, 0 6 y 6

p

1 − x

2

,

p

x

2

+ y

2

6 z 6

p

2 − x

2

− y

2

o

.

Bryªa V znajduje si¦ w pierwszej ósemce trójwymiarowego ukªadu wspóªrz¦dnych (x > 0, y > 0, z > 0) nad

caª¡ lub cz¦±ci¡ ¢wiartki koªa x

2

+ y

2

6 1. Bryªa jest ograniczona od doªu powierzchni¡ sto»ka z =

p

x

2

+ y

2

,

a od góry powierzchni¡ kuli z = p2 − x

2

− y

2

.

Wyznaczamy przeci¦cie powierzchni z = px

2

+ y

2

i z = p2 − x

2

− y

2

:

(

z =

p

x

2

+ y

2

z =

p

2 − x

2

− y

2

⇐⇒



p

x

2

+ y

2

=

p

2 − x

2

− y

2



⇐⇒ x

2

+ y

2

= 2 − x

2

− y

2

 ⇐⇒ x

2

+ y

2

= 1



.

Czyli przeci¦ciem tych powierzchni jest okr¡g w pªaszczy¹nie z = 1 o równaniu x

2

+ y

2

= 1

.

W zwi¡zku z tym rzutem bryªy V na pªaszczyzn¦ z = 0 jest caªa ¢wiartka koªa x

2

+ y

2

6 1, x > 0, y > 0.

Wprowadzamy wspóªrz¦dne sferyczne:

x = r cos ϕ cos ψ
y = r sin ϕ cos ψ
z = r sin ψ

,

1

background image

y

z

x

P (x, y, z)

P

0

(x, y, 0)

ϕ

r

z

y

x

ψ

obliczamy jakobian tej transformacji

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, ψ)

=











∂x

∂r

∂x

∂ϕ

∂x

∂ψ

∂y

∂r

∂y

∂ϕ

∂y

∂ψ

∂z

∂r

∂z

∂ϕ

∂z

∂ψ











=






cos ϕ cos ψ

−r sin ϕ cos ψ

−r cos ϕ sin ψ

sin ϕ cos ψ

r cos ϕ cos ψ

−r sin ϕ sin ψ

sin ψ

0

r cos ψ






=

= r

2

cos

2

ϕ cos

3

ψ + r

2

sin

2

ϕ sin

2

ψ cos ψ + r

2

cos

2

ϕ sin

2

ψ cos ψ + r

2

sin

2

ϕ cos

3

ψ =

= r

2

cos ψ



cos

2

ϕ cos

2

ψ + sin

2

ϕ sin

2

ψ + cos

2

ϕ sin

2

ψ + sin

2

ϕ cos

2

ψ



=

= r

2

cos ψ

h

cos

2

ψ cos

2

ϕ + sin

2

ϕ



|

{z

}

q

1

+ sin

2

ψ sin

2

ϕ + cos

2

ϕ



|

{z

}

q

1

i

= r

2

cos ψ

 cos

2

ψ + sin

2

ψ



|

{z

}

q

1

=

= r

2

cos ψ.

Nowe zmienne maj¡ zakresy r ∈ 0,

2



, ϕ ∈

h

0,

π

2

i, ψ ∈ h

π

4

,

π

2

i. Nasza caªka jest wi¦c równa

1

Z

0

dx

1−x

2

Z

0

dy

2−x

2

−y

2

Z

x

2

+y

2

z

2

dz =

π

2

Z

0


π

2

Z

π

4

1

Z

0

r

2

cos ψ · r

2

sin

2

ψdr


dϕ =

π

2

Z

0


π

2

Z

π

4

sin

2

ψ cos ψ

1

Z

0

r

4

dr


dϕ =

π

2

Z

0


π

2

Z

π

4



sin

2

ψ cos ψ

1

5

r

5





1

0




dϕ =

1

5

π

2

Z

0


π

2

Z

π

4

sin

2

ψ cos ψ

 dψ


dϕ =

1

5

π

2

Z

0

 1

3

[sin

3

ψ]



π

2

π

4



dϕ =

1

15

π

2

Z

0

 

1 −

2

4

!

dϕ =

1

15

 

1 −

2

4

!

ϕ



π

2

0

=

1

15

 

1 −

2

4

!

π

2

=

(4 −

2)π

120

.

Zadanie 3. Obliczy¢ caªk¦

Z Z Z

V

p

x

2

+ y

2

dv

, je±li V bryªa ograniczona powierzchniami: x

2

+ y

2

= z

2

i z = 1.

Rozwi¡zanie zadanie 3.

Bryªa V jest odwróconym sto»kiem o wierzchoªku w punkcie (0, 0, 0) i wysoko±ci dªugo±ci 1. Podstawa le»y w

pªaszczy¹nie z = 1 i jest ni¡ koªo x

2

+ y

2

6 1. Rzutem bryªy V na pªaszczyzn¦ z = 0 jest wi¦c koªo x

2

+ y

2

6 1.

Wprowadzamy wspóªrz¦dne walcowe:

x = r cos ϕ
y = r sin ϕ
z = h

,

2

background image

y

z

x

P (x, y, z)

P

0

(x, y, 0)

ϕ

r

h

y

x

jakobian transformacji

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, h)

=











∂x

∂r

∂x

∂ϕ

∂x

∂h

∂y

∂r

∂y

∂ϕ

∂y

∂h

∂z

∂r

∂z

∂ϕ

∂z

∂h











=






cos ϕ

−r sin ϕ 0

sin ϕ

r cos ϕ

0

0

0

1






= r.

Nowe zmienne maj¡ zakresy r ∈ [0, 1], ϕ ∈ [0, 2π]. Wyznaczymy zakres dla zmiennej h. Punkty bryªy V

znajduj¡ si¦ pomi¦dzy powierzchni¡ z = px

2

+ y

2

, a powierzchni¡ z = 1, czyli

p

x

2

+ y

2

6 h 6 1.

Po podstawieniu zmiennych walcowych otrzymujemy

q

r

2

cos

2

ϕ + r

2

sin

2

φ 6 h 6 1,

a nast¦pnie

q

r

2

(cos

2

ϕ + sin

2

φ) 6 h 6 1,

r

2

6 h 6 1.

Ostatecznie h ∈ [r, 1] (r > 0). Nasza caªka jest wi¦c równa

Z Z Z

V

p

x

2

+ y

2

dv =

Z

0

1

Z

0

1

Z

r

r ·

q

r

2

cos

2

ϕ + r

2

sin

2

ϕ dh

dr

dϕ =

Z

0

1

Z

0

1

Z

r

r

2

dh

dr

dϕ =

Z

0

1

Z

0

r

2

1

Z

r

1 dh

dr

dϕ =

Z

0

1

Z

0

r

2

·



h



1

r



dr

dϕ =

Z

0

1

Z

0

r

2

· (1 − r) dr

dϕ =

Z

0

 1

3

r

3

1

4

r

4



1

0

dϕ =

Z

0

 1

3

1

4



dϕ =

Z

0

1

12

dϕ =

1

12

ϕ



0

=

π

6

.

Zadanie 4. Obliczy¢

Z Z Z

V

x

2

+ y

2

 dxdydz

, je±li V bryªa ograniczona powierzchniami: x

2

+ y

2

= 2z

i z = 2.

Rozwi¡zanie zadanie 4.

Powierzchnie x

2

+ y

2

= 2z

i z = 2 przecinaj¡ si¦ tworz¡c okr¡g x

2

+ y

2

= 4

le»¡cy w pªaszczy¹nie z = 2. Zatem

rzutem bryªy na pªaszczyzn¦ OXY jest koªo x

2

+ y

2

6 4,

x

y

−2

2

−2

2

3

background image

Wprowadzamy wspóªrz¦dne walcowe:

x = r cos ϕ
y = r sin ϕ
z = h

,

y

z

x

P (x, y, z)

P

0

(x, y, 0)

ϕ

r

h

y

x

jakobian transformacji

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, h)

=











∂x

∂r

∂x

∂ϕ

∂x

∂h

∂y

∂r

∂y

∂ϕ

∂y

∂h

∂z

∂r

∂z

∂ϕ

∂z

∂h











=






cos ϕ

−r sin ϕ 0

sin ϕ

r cos ϕ

0

0

0

1






= r.

Wyznaczamy zakresy nowych zmiennych r ∈ [0, 2], ϕ ∈ [0, 2π]. Wyznaczymy zakres dla zmiennej h. Punkty

bryªy V znajduj¡ si¦ pomi¦dzy powierzchni¡ z =

1
2

(x

2

+ y

2

)

, a powierzchni¡ z = 2, czyli

1

2

(x

2

+ y

2

) 6 h 6 2.

Po podstawieniu zmiennych walcowych otrzymujemy

1

2

(r

2

cos

2

ϕ + r

2

sin

2

φ) 6 h 6 2,

a nast¦pnie

1

2

(cos

2

ϕ + sin

2

φ) 6 h 6 2,

1

2

r

2

6 h 6 2.

Ostatecznie h ∈ 

1
2

r

2

, 2



(r > 0). Nasza caªka jest wi¦c równa

Z Z Z

V

(x

2

+ y

2

)dv

=

Z

0

2

Z

0

dr

2

Z

1
2

r

2

r

3

dh =

Z

0

2

Z

0

r

3

dr

2

Z

1
2

r

2

1 dh =

Z

0

2

Z

0

r

3

·



h



2

1
2

r

2



dr =

=

Z

0

2

Z

0

r

3

·



2 −

1

2

r

2



dr =

Z

0

2

Z

0



2r

3

1

2

r

5



dr =

Z

0

 1

2

r

4

1

12

r

6





2

0

dϕ =

=

Z

0

2

3

dϕ =

2

3

· 2π =

4

3

π.

4

background image

Zadanie 5. Obliczy¢

Z Z Z

V

r

1 −

x

2

a

2

y

2

b

2

z

2

c

2

dv

, je±li V bryªa ograniczona powierzchni¡

x

2

a

2

+

y

2

b

2

+

z

2

c

2

= 1

.

Rozwi¡zanie zadanie 5.

Bryªa V jest eplisoid¡ o ±rodku w punkcie (0, 0, 0).

Wprowadzamy uogólnione wspóªrz¦dne sferyczne:

x = a · r cos ϕ cos ψ
y = b · r sin ϕ cos ψ
z = c · r sin ψ

,

jakobian transformacji

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, ψ)

= abcr

2

cos ψ.

Wyznaczamy zakresy nowych zmiennych ϕ ∈ [0, 2π], ψ ∈

h

π

2

,

π

2

i, za± r wyznaczymy z nierówno±ci:

x

2

a

2

+

y

2

b

2

+

z

2

c

2

6 1,

a

2

r

2

cos

2

ϕ cos

2

ψ

a

2

+

b

2

r

2

sin

2

ϕ cos

2

ψ

b

2

+

c

2

r

2

sin

2

ψ

c

2

6 1,

r

2

cos

2

ϕ cos

2

ψ + r

2

sin

2

ϕ cos

2

ψ + r

2

sin

2

ψ 6 1,

r

2

cos

2

ψ(cos

2

ϕ + sin

2

ϕ) + r

2

sin

2

ψ 6 1,

r

2

cos

2

ψ + r

2

sin

2

ψ 6 1,

r

2

6 1.

Ostatecznie r ∈ [0, 1]. Nasza caªka jest wi¦c równa

Z Z Z

V

r

1 −

x

2

a

2

y

2

b

2

z

2

c

2

dv =

Z

0


π

2

Z

π

2

1

Z

0

abcr

2

cos ψ ·

p

1 − r

2

dr


dϕ =

abc

Z

0

dϕ ·

π

2

Z

π

2

cos ψ dψ ·

1

Z

0

r

2

·

p

1 − r

2

dr = 4abcπ

1

Z

0

r

2

·

p

1 − r

2

dr.

Zadanie 6. Obliczy¢ mas¦ bryªy ograniczonej powierzchni¡ x

2

+ y

2

+ z

2

= z

, je±li g¦sto±¢ tej bryªy w ka»dym

punkcie jest równa odlegªo±ci tego punktu od pocz¡tku ukªadu wspóªrz¦dnych.

Rozwi¡zanie zadanie 6.
Oznaczmy przez V bryª¦ ograniczon¡ powierzchni¡ x

2

+ y

2

+ z

2

= z

. Jest ni¡ kula o ±rodku w punkcie



0, 0,

1

2



,

promieniu

1

2

i g¦sto±ci tej ρ(x, y, z) = px

2

+ y

2

+ z

2

. W zwi¡zku z tym masa m tej kuli wyra»a si¦ wzorem

m =

Z Z Z

V

p

x

2

+ y

2

+ z

2

dv

Wprowadzamy wspóªrz¦dne sferyczne:

x = r cos ϕ cos ψ
y = r sin ϕ cos ψ
z = r sin ψ

,

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, ψ)

= r

2

cos ψ.

Mamy ϕ ∈ [0, 2π], ψ ∈

h

0,

π

2

i. Wyznaczamy zakres r:

x

2

+ y

2

+ z

2

6 z,

5

background image

r

2

6 r sin ψ,

r(r − sin ψ) 6 0.

Poniewa» ψ nale»y do I ¢wiartki, sin ψ > 0, to r ∈ [0, sin ψ].

m =

Z

0


π

2

Z

0

sin ψ

Z

0

r

2

cos ψ · r dr


dϕ =

Z

0

dϕ ·

π

2

Z

0

cos ψ

sin ψ

Z

0

r

3

dr

dψ =

ϕ



0

·

π

2

Z

0



cos ψ ·

1

4

r

4





sin ψ

0



dψ =

1

4

· 2π ·

π

2

Z

0

cos ψ · sin

4

ψ

 dψ =

π

2

·

1

5

sin

5

ψ





π

2

0

=

π

10

.

Zadanie 7. Obliczy¢ obj¦to±¢ bryªy ograniczonej powierzchniami x

2

+ y

2

= z

i x

2

+ y

2

= z

2

.

Rozwi¡zanie zadanie 7.

Obj¦to±¢ t¡ mo»emy oczywi±cie obliczy¢ korzystaj¡c z caªki podwójnej. My jednak w tym celu, chcemy wyko-

rzysta¢ caªk¦ potrójn¡. Oznaczmy przez V bryª¦, której obj¦to±¢ chcemy obliczy¢.
Bryª¦ V mo»emy opisa¢ V =

n

(x, y, z) : x

2

+ y

2

6 z 6

p

x

2

+ y

2

o. Obj¦to±¢ bryªy mo»emy zapisa¢ jako:

|V | =

Z Z Z

V

1dxdydz.

Wprowadzamy zmienne walcowe

x = r cos ϕ
y = r sin ϕ
z = h

,

J

T

=

∂(x, y, z)

∂(r, ϕ, h)

= r,

ϕ ∈ [0, 2π], r ∈ [0, 1], h ∈ [r

2

, r].

|V | =

Z

0

1

Z

0

r

Z

r

2

dh

dr

dϕ = 2π

1

Z

0

(r − r

2

)dr =

π

3

.

6