LISTA 13 - Ca÷

ki wielokrotne.

De…nicja 1 (obszary normalne wzgl ¾

edem osi uk÷

adu)

1. Obszar domkni ¾

ety D nazywamy obszarem normalnym wzgl ¾

edem osi Ox,

je·zeli mo·zna go zapisać w postaci:

D = (x; y) 2 R2 : a

x

b; g (x)

y

h (x) ;

gdzie funkcje g i h s ¾

a ci ¾

ag÷

e na [a; b] oraz g (x) < h (x) dla ka·zdego x 2 (a; b).

2. Obszar domkni ¾

ety D nazywamy obszarem normalnym wzgl ¾

edem osi Oy,

je·zeli mo·zna go zapisać w postaci:

D = (x; y) 2 R2 : c

y

d; p (x)

x

q (x) ;

gdzie funkcje p i q s ¾

a ci ¾

ag÷

e na [c; d] oraz p (x) < q (x) dla ka·zdego y 2 (c; d).

Twierdzenie 2 (ca÷

ki iterowane po obszarach normalnych)

1. Je·zeli funkcja f jest ci ¾

ag÷

a na obszarze domkni ¾

etym

D = (x; y) 2 R2 : a

x

b; g (x)

y

h (x)

normalnym wzgl ¾

edem osi Ox, to

!

RR

b

R

h(x)

R

f (x; y) dxdy =

f (x; y) dy

dx:

D

a

g(x)

2. Je·zeli funkcja f jest ci ¾

ag÷

a na obszarze domkni ¾

etym

D = (x; y) 2 R2 : c

y

d; p (x)

x

q (x) ;

normalnym wzgl ¾

edem osi Oy, to

!

RR

d

R

q(y)

R

f (x; y) dxdy =

f (x; y) dx

dy:

D

c

p(y)

De…nicja 3 (obszar regularny na p÷

aszczyźnie)

Sum ¾

e skończonej liczby obszarów normalnych (wzgl ¾

edem osi Ox i Oy) o

parami roz÷¾

acznych wn ¾

etrzach nazywamy obszarem na p÷

aszczyźnie.

De…nicja 4 (wspó÷

rz ¾

edne biegunowe)

Po÷

o·zenie punktu P na p÷aszczyźnie mo·zna opisać par ¾

a liczb ('; %), gdzie

' - oznacza miar ¾

e k ¾

ata mi ¾

edzy dodatni ¾

a cz ¾

eści ¾

a osi Ox a promieniem wodz ¾

a-

cym punktu P , 0

' < 2 ,

% - oznacza odleg÷

ość punktu P od pocz ¾

atku uk÷

adu wspó÷

rz ¾

ednych, 0

% < 1.

Par ¾

e liczb ('; %) nazywamy wspó÷

rz ¾

ednymi biegunowymi punktu p÷

aszczyzny.

1

Fakt 5 (zale·zność mi ¾

edzy wspó÷

rz ¾

ednymi biegunowymi i kartezjańskimi)

Wspó÷

rz ¾

edne kartezjańskie (x; y) punktu p÷aszczyzny danego we wspó÷rz ¾

ednych

biegunowych ('; %) określone s ¾

a wzorami:

x = % cos ';

B :

y = % sin ':

Uwaga 6 Przekszta÷

cenie B, które punktowi ('; %) przyporz ¾

adkowuje punkt

(x; y) określony powy·zszymi wzorami, nazywamy przekszta÷ceniem biegunowym.

De…nicja 7 (jakobian przeksta÷

cenia)

Jakobianem przekszta÷

cenia T (u; v) = ( (u; v) ; (u; v)) nazywamy funkcj ¾

e

określon ¾

a wzorem:

@

(u; v)

@

(u; v)

J

@u

@v

T (u; v) = det

@

:

(u; v)

@ (u; v)

@u

@v

Uwaga 8 Jakobian przekszta÷

cenia biegunowego B jest funkcj ¾

a postaci:

cos '

% sin '

JB ('; %) = det

= % sin2 ' + cos2 ' = %:

sin '

% cos '

Twierdzenie 9 (wspó÷

rz ¾

edne biegunowe w ca÷

ce podwójnej)

Niech

1. obszar

we wspó÷

rz ¾

ednych biegunowych b ¾

edzie regularny,

2. funkcja f b ¾

edzie ci ¾

ag÷

a na obszarze D, który jest obrazem zbioru przez

przekszta÷

cenie biegunowe D = B ( ) :

Wtedy

RR

RR

f (x; y) dxdy =

f (% cos '; % sin ') jJB ('; %)j d%d' =

D

RR f (%cos';%sin')%d%d':

Uwaga 10 Je·zeli we wspó÷rz ¾

ednych biegunowych obszar

ma postać:

= f('; %) :

'

; g (')

%

h (')g ;

gdzie funkcje nieujemne g i h s ¾

a ci ¾

ag÷

e na przedziale [ ; ]

[0; 2 ], to

!

RR

R

h(')

R

f (% cos '; % sin ') %d%d' =

f (% cos '; % sin ') %d%

d':

g(')

2

De…nicja 11 Masa obszaru D o g ¾

estości powierzchniowej masy

wyra·za

si ¾

e wzorem:

RR

M =

(x; y) dxdy:

D

De…nicja 12 Momenty statyczne wzgl ¾

edem osi Ox i Oy obszaru D o g ¾

estości

powierzchniowej masy

wyra·za si ¾

e wzorem:

RR

M Sx =

y (x; y) dxdy;

D

RR

M Sy =

x (x; y) dxdy:

D

De…nicja 13 Wspó÷

rz ¾

edneśrodka masy obszaru D o g ¾

estości powierzchniowej

masy

wyra·zaj ¾

a si ¾

e wzorami:

M S

M S

x

y

x

C =

oraz y

:

M

C =

M

De…nicja 14 Momenty bezw÷

adności wzgl ¾

edem osi Ox, Oy obszaru D o g ¾

e-

stości powierzchniowej masy

wyra·za si ¾

e wzorami:

RR

Ix =

y2 (x; y) dxdy;

D

RR

Iy =

x2 (x; y) dxdy:

D

Moment bezw÷

adności wzgl ¾

edem punktu O obszaru D o g ¾

estości powierzch-

niowej masy

wyra·za si ¾

e wzorem:

RR

IO =

x2 + y2

(x; y) dxdy:

D

De…nicja 15 Moment dewiacyjny wzgl ¾

edem osi Ox i Oy obszaru D o g ¾

e-

stości powierzchniowej masy

wyra·za si ¾

e wzorem:

RR

Ixy =

xy (x; y) dxdy:

D

De…nicja 16 (obszar normalny wzgl ¾

edem p÷

aszczyzny xOy)

Obszar domkni ¾

ety U nazywamy obszarem normalnym wzgl ¾

edem p÷

aszczyzny

xOy, je·zeli mo·zna go zapisać w postaci: U = (x; y; z) 2 R3 : (x; y) 2 Dxy; d (x; y) z

g (x; y) ;

gdzie Dxy jest obszarem regularnym na p÷aszczyźnie xOy, a funkcja d i g s ¾

a

ci ¾

ag÷

e na Dxy, przy czym d (x; y) < g (x; y) dla punktów (x; y) nale·z ¾

acych do

wn ¾

etrza obszaru Dxy:

3

Twierdzenie 17 (ca÷

ka iterowana po obszarze normalnym)

Je·zeli funkcja f jest ci ¾

ag÷

a na obszarze domkni ¾

etym

U = (x; y; z) 2 R3 : (x; y) 2 Dxy; d (x; y) z

g (x; y)

normalny wzgl ¾

edem p÷

aszczyzny xOy, gdzie funkcja d i g s ¾

a ci ¾

ag÷

e na obszarze

regularnym Dxy, to

!

RRR

RR

g(x;y)

R

f (x; y; z) dxdydz =

f (x; y; z) dz

dxdy:

U

Dxy

d(x;y)

Uwaga 18 Je·zeli obszar U normalny wzgl ¾

edem p÷

aszczyzny xOy mo·zna za-

pisać w postaci

U = (x; y; z) 2 R3 : a

x

b; d (x)

y

g (x) ; d (x; y)

z

g (x; y) ;

to zachodzi równość

!

!

RRR

b

R

g(x)

R

g(x;y)

R

f (x; y; z) dxdydz =

f (x; y; z) dz

dy

dx:

U

a

d(x)

d(x;y)

De…nicja 19 (jakobian przekszta÷

cenia)

Jakobianem przekszta÷

cenia T (u; v; w) = ( (u; v; w) ; (u; v; w) ; (u; v; w)) nazywamy funkcj ¾

e określon ¾

a wzorem:

2

3

@

(u; v; w)

@

(u; v; w)

@

(u; v; w)

@u

@v

@w

J

4 @

5

T (u; v; w) = det

(u; v; w)

@ (u; v; w) @ (u; v; w)

:

@u

@v

@w

@

(u; v; w)

@

(u; v; w)

@

(u; v; w)

@u

@v

@v

Twierdzenie 20 (o zamianie zmiennych w ca÷

ce potrójnej)

Niech

1. odwzorowanie

8

< x = (u; v; w) ;

T :

y = (u; v; w) ;

: z = (u; v; w) :

przekszta÷

ca ró·znowartościowe wn ¾

etrze obszaru regularnego

na wn ¾

etrze ob-

szaru regularnego V ,

2. funkcje ; ;

maj ¾

a ci ¾

ag÷

e pochodne cz ¾

astkowe rz ¾

edu pierwszego na pewnym

zbiorze otwartym zawieraj ¾

acym obszar

,

3. funkcja f b ¾

edzie ci ¾

ag÷

a na obszarze V ,

4. jakobian JT jest ró·zny od zera wewn ¾

atrz obszaru

.

Wtedy

RRR f (x;y;z)dxdydz =

V

RRR

=

f ( (u; v; w) ; (u; v; w) ;

(u; v; w)) jJT (u; v; w)j dudvdw:

4

De…nicja 21 (wspó÷

rz ¾

edne walcowe)

Po÷

o·zenie punktu P w przestrzenie mo·zna opisać trójk ¾

a liczb ('; ; h), gdzie

' - oznacza miar ¾

e k ¾

ata mi ¾

edzy rzutem promienia wodz ¾

acego punktu P na

p÷

aszczyzn ¾

e xOy, a dodatni ¾

a cz ¾

eści ¾

a osi Ox, 0

' < 2 ,

- oznacza odleg÷

ość rzutu punktu P na p÷aszczyźnie xOy od pocz ¾

atku uk÷

adu

wspó÷

rz ¾

ednych, 0

< 1,

h - oznacza odleg÷

ość (dodatni ¾

a dla z > 0 i ujemn ¾

a dla z < 0) punktu P od

p÷

aszczyzny xOy,

1 < h < 1.

Trójk ¾

e liczb ('; ; h) nazywamy wspó÷

rz ¾

ednymi walcowymi punktu przestrzeni.

Fakt 22 (zale·zność mi ¾

edzy wspó÷

rz ¾

ednymi walcowymi i kartezjańskimi)

Wspó÷

rz ¾

edne kartezjańskie (x; y; z) punktu przestrzeni danego we wspó÷rz ¾

ed-

nych walcowych ('; ; h) określone s ¾

a wzorami:

8

< x = cos ';

W :

y =

sin ';

: z = h:

Uwaga 23 Przekszta÷

cenie W, które punktowi ('; ; h) przyporz ¾

adkowuje

punkt (x; y; z) określony powy·zszymi wzorami, nazywamy przekszta÷ceniem walcowym.

Uwaga 24 Jakobian przekszta÷

cenia walcowego W jest funkcj ¾

a postaci:

2

3

sin ' cos ' 0

J

4

5

W ('; ; h) = det

cos '

sin ' 0

=

:

0

0

1

Twierdzenie 25 (wspó÷

rz ¾

edne walcowe w ca÷

ce potrójnej)

Niech

1. obszar

we wspó÷

rz ¾

ednych walcowych b ¾

edzie obszarem normalny,

2. funkcja f b ¾

edzie ci ¾

ag÷

a na obszarze U , który jest obrazem obszaru przy

przekszta÷

ceniu walcowym U = W ( ) :

Wtedy

RRR

RRR

f (x; y; z) dxdydz =

f ( cos '; sin '; h) dhd d':

U

5

Uwaga 26 Je·zeli we wspó÷rz ¾

ednych walcowych obszar

ma postać:

= ('; ; h) 2 R3 :

'

; d (')

g (') ; d ('; )

h

g ('; ) ;

gdzie funkcje d i g s ¾

a ci ¾

ag÷

e na przedziale [ ; ]

[0; 2 ], a funkcje d i g s ¾

a

ci ¾

ag÷

e na obszarze

('; ) 2 R2 :

'

; d (')

g (') ; to

RRR f ( cos'; sin';h) dhd d'

!

!

R

g(')

R

g('; )

R

=

f ( cos '; sin '; h) dz

d

d':

d(')

d('; )

Uwaga 27 Wspó÷

rz ¾

edne walcowe stosujemy g÷

ównie wtedy, gdy obszar ca÷

ko-

wania jest ograniczony fragmentami powierzchni walców, sfer, sto·zków lub p÷

aszczyzn.

De…nicja 28 (wspó÷

rz ¾

edne sferyczne)

Po÷

o·zenie punktu P w przestrzeni mo·zna opisać tójk ¾

a liczb ('; ; ), gdzie

' - oznacza miar ¾

e k ¾

ata pomi ¾

edzy rzutem promienia wodz ¾

acego punktu P na

p÷

aszczyźnie xOy, a dodatni ¾

a cz ¾

eści ¾

a osi Ox; 0

' < 2 ,

- oznacza miar ¾

e k ¾

ata mi ¾

edzy promieniem wodz ¾

acym punktu P , a p÷

aszczyzn ¾

a

xOy,

;

2

2

- oznacza odleg÷

ość punktu P od pocz ¾

atku uk÷

adu wspó÷

rz ¾

ednych, 0

< 1:

Trójk ¾

e liczb ('; ; ) nazywamy wspó÷

rz ¾

ednymi sferycznymi punktu przestrzeni.

Fakt 29 (zale·zność mi ¾

edzy wspó÷

rz ¾

ednymi sferycznymi i kartezjańskimi)

Wspó÷

rz ¾

edne kartezjańskie punktu (x; y; z) w przestrzenie danego we wspó÷rz ¾

ed-

nych sferycznych ('; ; ) określone s ¾

a wzorami:

8

< x = cos ' cos ;

S :

y =

sin ' cos ;

: z = sin :

Uwaga 30 (zale·zność mi ¾

edzy wspó÷

rz ¾

ednymi sferycznymi i kartezjańskimi)

Przekszta÷

cenie S, które punktowi ('; ; ) przyporz ¾

adkowuje punkt (x; y; z)

określony powy·zszymi wzorami, nazywamy przekszta÷ceniem sferycznym.

Uwaga 31 Jakobian przekszta÷

cenia sferycznego S jest funkcj ¾

a postaci:

2

3

sin ' cos

cos ' sin cos ' cos

J

4

5

W ('; ; h) = det

cos ' cos

sin ' sin

sin ' cos

= 2 cos :

0

cos

sin

6

Twierdzenie 32 (wspó÷

rz ¾

edne sferyczne w ca÷

ce potrójnej)

Niech

1. obszar

we wspó÷

rz ¾

ednych sferycznych b ¾

edzie obszarem normalnym,

2. funkcja f b ¾

edzie ci ¾

ag÷

a na obszarze U , który jest obrazem obszaru przy

przekszta÷

ceniu sferycznym U = S ( ) :

Wtedy

RRR f (x;y;z)dxdydz

U

RRR

=

f ( cos ' cos ; sin ' cos ; sin ) 2 cos d d d': Uwaga 33 Je·zeli we wspó÷rz ¾

ednych sferycznych obszar

ma postać:

('; ; ) 2 R3 :

'

; d (')

g (') ; d ('; )

g ('; ) ;

gdzie funkcje d i g s ¾

a ci ¾

ag÷

e na przedziale [ ; ]

[0; 2 ], a funkcje d i g s ¾

a

ci ¾

ag÷

e na obszarze

('; ) 2 R2 :

'

; d (')

g (') ; to

RRR f ( cos'cos ; sin'cos ; sin ) 2 cos d d d'

!

!

R

g(')

R

g('; )

R

=

f ( cos ' cos ; sin ' cos ; sin ) d d

d':

d(')

d('; )

Uwaga 34 Wspó÷

rz ¾

edne sferyczne stosujemy g÷

ównie do opisu obszarów ca÷

-

kowania, które s ¾

a ograniczone fragmentami powierzchni sfer, sto·zków lub p÷

aszczyzn.

Bibliogra…a

[1] M. Gewert, Z. Skoczylas, Analiza matematyczna 1. De…nicje, twierdze-nia, wzory, O…cyna Wydawnicza GIS, Wroc÷

aw, 2001.

7