Лучшие вопросы
Таймлайн
Чат
Перспективы
Кратный интеграл
определённый интеграл от функции нескольких переменных над многомерной областью Из Википедии, свободной энциклопедии
Remove ads
Кратный интеграл — определённый интеграл, взятый от переменных; например:
- .
В классическом анализе чаще всего используются двойной интеграл
и тройной интеграл — интегралы от двух и трёх переменных соответственно.Remove ads
Определение
Суммиров вкратце
Перспектива
![]() | Этот раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, уточните проблему в разделе с помощью более узкого шаблона. |
В общем случае кратный интеграл определяется для функции на жорданово измеримом множестве с использованием понятия разбиения — набора попарно непересекающихся подмножеств , которые в объединение дают всё . Мелкостью измерения называется наибольший диаметр множеств :
- .
Разбиение называется конечным, если является конечным множеством, и измеримым, если все его элементы — измеримые (в данном случае — по Жордану) множества.
Кратным (-кратным) интегралом функции на называется число (если оно существует), такое, что при любой -окрестности числа всегда найдётся такое разбиение множества и набор промежуточных точек, что сумма произведений значения функции в промежуточной точке разбиения на меру разбиения будет попадать в эту окрестность:
- : : .
(здесь — мера множества .
Это определение можно сформулировать в другой форме с использованием интегральных сумм: для данного разбиения и множества точек рассматривается интегральная сумма:
- ,
тогда кратным интегралом функции называют предел:
- ,
если он существует. Предел берётся по множеству всех последовательностей разбиений, с мелкостью стремящейся к 0. Разумеется, это определение отличается от предыдущего, по сути, лишь используемым языком.
В случае кратный интеграл совпадает с интегралом Римана.
Remove ads
Обозначение
Суммиров вкратце
Перспектива
В современном анализе чаще всего используется векторная форма записи[1]:
- .
Иногда ставят знак интеграла раз, записывают функцию и дифференциалов:
- .
Для двойного и тройного интегралов используются также обозначения и соответственно.
Многократное использование знака характерно для учебной литературы, в современных научных работах используется редко.
Remove ads
Существование кратного интеграла
Суммиров вкратце
Перспектива
Если функция непрерывна на измеримом по Жордану компакте, то она интегрируема на нем. Как следствие, неограниченная функция на множестве может быть не интегрируемой, даже если она непрерывна. Например, функция не интегрируема на интервале .
Если функция определена на измеримом по Жордану множестве, у которого существуют сколь угодно мелкие разбиения, для которых данная функция неограничена на объединении всех их элементов положительной меры, то эта функция неинтегрируема на этом множестве.
Критерий Дарбу: если существуют верхний и нижний интегралы Дарбу функции на , тогда, если верхний и нижний интегралы Дарбу равны, то данная функция интегрируема на , причём:
- .
Критерий Лебега: если — измеримое по Жордану множество, то интегрируема на если она ограничена на и непрерывна на , где множество имеет меру Лебега нуль.
Remove ads
Свойства кратных интегралов
Суммиров вкратце
Перспектива
Кратные интегралы линейны по функции: если измеримо, функции и интегрируемы на , то:
- .
Аддитивность по множеству интегрирования позволяет раздельно проинтегрировать по частям областей: если и измеримы, и , а функция определена и интегрируема на каждом из множеств и , то интеграл по существует и равен сумме интегралов по и :
- .
Кратные интегралы монотонны по функции: если измеримо, функции и интегрируемы на , причём , то:
- .
Интегральное неравенство треугольника (следствие монотонности):
Интегральная теорема о среднем: если — компакт, функция непрерывна и интегрируема на , тогда:
- .
Постоянная функция интегрируема на любом измеримом множестве , причём:
- .
Как следствие, .
Remove ads
Вычисление кратных интегралов
Суммиров вкратце
Перспектива
Сведение кратного интеграла к повторным
Пусть — измеримое множество, — также измеримое множество, определена и интегрируема на . Тогда
- существует всюду на , кроме множества Лебеговой меры нуль ( может быть пустым);
- существует , где
- называемый повторным интегралом от функции по множеству ;
- .
Любой -мерный интеграл можно свести к одномерным.
Замена переменных
Пусть задано биективное отображение , переводящее область в :
- ,
где — «старые» координаты, а — «новые» координаты. Пусть далее функции, задающие отображение, имеют в области непрерывные частные производные первого порядка, а также ограниченный и отличный от нуля якобиан
- .
Тогда при условии существования интеграла
справедлива формула замены переменных:
Использование симметрии
Если область интегрирования симметрична относительно начала координат по крайней мере для одной из переменных интегрирования и подынтегральная функция нечётна по этой переменной, интеграл равен нулю, поскольку интегралы по двум половинкам области интегрирования имеют одно и то же абсолютное значение, но противоположные знаки. Если подынтегральная функция чётна по этой переменной, интеграл равен удвоенному интегралу по одной из половинок области интегрирования, поскольку интегралы по каждой из половинок равны.
Например, если функция интегрируется по области:
- —
кругу радиуса 1 с центром в начале координат, то используя свойство линейности, интеграл можно разложить на три части:
и являются нечётными функциями и, кроме того, очевидно, что диск симметричен как относительно оси , так и по оси . Таким образом, вклад в конечный результат даёт только константа 5.
В примере для интегрирования функции по сфере радиуса 2 с центром в начале координат:
достаточно проинтегрировать по оси , чтобы показать, что интеграл равен 0, поскольку по этой переменной функция нечётна.
Remove ads
Двойной интеграл
Суммиров вкратце
Перспектива

Двойным интегралом называют кратный интеграл с :
- .
Здесь — элемент площади в рассматриваемых координатах.
В прямоугольных координатах: , где — элемент площади в прямоугольных координатах.
Геометрический смысл
Пусть функция принимает в области только положительные значения. Тогда двойной интеграл численно равен объёму вертикального цилиндрического тела, построенного на основании и ограниченного сверху соответствующим куском поверхности .
Выражение через полярные координаты


В некоторых случаях двойной интеграл проще считать не в прямоугольных, а в полярных координатах, так как при этом может произойти существенное упрощение вида области интегрирования и всего процесса интегрирования в целом.
Для выражения через полярные координаты используется следующая замена переменных:
- , .
Модуль якобиана отображения равен . Таким образом:
- где .
Здесь является элементом площади в полярных координатах.
Приложения двойных интегралов
Remove ads
Тройной интеграл
Суммиров вкратце
Перспектива
Тройным интегралом называют кратный интеграл с :
где — элемент объёма в рассматриваемых координатах.
Выражение тройного интеграла через прямоугольные координаты
В прямоугольных координатах тройной интеграл имеет следующий вид:
где — элемент объёма в прямоугольных координатах.
Выражение тройного интеграла через цилиндрические координаты

Аналогично в некоторых случаях тройной интеграл проще считать не в прямоугольных, а в цилиндрических координатах. Применим теорему о замене переменных. Соответствующее переходу преобразование имеет вид:
Модуль якобиана отображения равен . Таким образом получаем, что
где — элемент объёма в цилиндрических координатах.
Выражение тройного интеграла через сферические координаты

Кроме цилиндрических можно также переходить и в сферические координаты. Применим теорему о замене переменных. Соответствующее переходу преобразование имеет вид:
Модуль якобиана отображения равен . Таким образом получаем, что
где — элемент объёма в сферических координатах.
Приложения тройных интегралов
Remove ads
Примечания
Литература
Wikiwand - on
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Remove ads