Интегрирование функций многих переменных
Понятие двумерной интегральной суммы, пределом которой является двойной интеграл, можно ввести на основе задачи об объеме тела.
Задача: Найти объем тела, ограниченного сверху непрерывной поверхностью , снизу – конечной замкнутой областью
плоскости
и с боков – прямой цилиндрической поверхностью, построенной на границе объекта
и имеющей образующие, перпендикулярные плоскости
.
Для этого разобьем основание на конечное число элементарных ячеек
и в каждой из этих ячеек выберем точку
. Объем такого элемента равен
. Объем всей фигуры можно приближенно найти как сумму
с любой степенью точности в зависимости от числа ячеек
и, соответственно, их размера. Если предположить, что число элементарных ячеек
бесконечно возрастает, а их диаметр при этом является величиной бесконечно малой, то можно получить точное выражение для объема всей фигуры:
Таким образом, двойной интеграл имеет простой геометрический смысл, он выражает объем криволинейного цилиндрического бруса, ограниченного сверху непрерывной поверхностью , снизу – конечной замкнутой областью
плоскости
и с боков – прямой цилиндрической поверхностью, построенной на границе объекта
и имеющей образующие, перпендикулярные плоскости
.
Двумерной интегральной суммой от данной функции , определенной на области
называется сумма парных произведений площадей элементарных ячеек
области
на значения функции
в точке
.
Двойным интегралом от функции определенной на области
называется предел соответствующей двумерной интегральной суммы при неограниченном возрастании числа
элементарных ячеек
и стремлении к нулю их наибольшего диаметра
при условии, что этот предел существует и не зависит от способа разбиения области
на элементарные ячейки
и выбора точек
в них.
Теорема. Если область с кусочно-непрерывной границей
ограничена и замкнута, а функция
непрерывна в области
, то двойной интеграл
т.е. предел соответствующей двумерной интегральной суммы существует и не зависит от способа разбиения области
на элементарные ячейки
и выбора точек
в них.
Так как значение двойного интеграла не зависит от вида элементарных ячеек, то в дальнейшем целесообразно пользоваться наиболее удобным для декартовой системы координат разбиением на прямоугольную сетку, образованную пересечением двух систем прямых, параллельных соответственно координатным осям и
. В этом случае элементарными ячейками являются прямоугольники, со сторонами
и
. Таким образом, в обозначении интеграла можно учесть что
. Тогда
Для вычисления двойного интеграла применяется процедура повторного интегрирования.
Предположим для определенности, что область интегрирования представляет собой криволинейную трапецию:
,
,
где и
– однозначные непрерывные функции на отрезке
. Важно отметить, что вертикаль, проходящая через любую точку
на отрезке
оси
, пересекает границу области интегрирования
только в двух точках: в точке входа
и в точке выхода
. Такая область называется стандартной относительно оси
.
Теорема. Если для функции определенной в области
(стандартной относительно оси
), существует двойной интеграл
и существует интеграл
, то
При этом, интеграл называется повторным. Таким образом, вычисление двойного интеграла сводится к вычислению двух интегралов: вначале находится внутренний интеграл по переменной
(при этом переменная
рассматривается как постоянная величина); после этого полученное выражение повторно интегрируется по переменной
.
Задача вычисления кратного интеграла может быть обобщена на мерный случай и аналогично решена путем сведения кратного интеграла к повторному. Пусть функция
определена и ограничена в замкнутой области
. Область
разбивается на
элементарных частей
, таких что
, пересечением любой пары элементарных частей будет множество точек, размерность которого не превышает
.
В каждой элементарной части выбирается точка и составляется интегральная сумма:
,
где объемная мера области
;
объемная мера области
.
Для того чтобы вычислить интегральную сумму, необходимо, чтобы элементарные части допускали исчисление объемной меры в достаточно простой и редуктируемой форме.
кратным интегралом функции
по области
называется предел интегральной суммы
при
и, соответственно,
.
– наибольшая протяженность элементарной области
для данного разбиения.
Этот предел не должен зависеть от способов разбиения на части и от выбора точек
в каждой из них. Указанный интеграл можно представить в следующим образом:
По форме этот интеграл сходен с определенным интегралом , который также является пределом интегральной суммы:
где ,
,
,
,
.
Очевидно, что в кратном интеграле, как и в случае определенного интеграла, интегральные суммы ограничены снизу и сверху значениями сумм Дарбу
и
:
где ,
.
Свойствами одномерных сумм Дарбу обладают и мерные суммы. При этом для любой ограниченной функции
и
,
Необходимым и достаточным условием интегрируемости функции является условие , что эквивалентно выражению
при
Величина называется колебанием функции в элементарной области
и является величиной положительной при любом
.
В результате можно установить, что к числу интегрируемых функций будут относиться функции, непрерывные на замкнутой области . При вычислении
кратный интеграл сводится к повторному интегралу, т.е. вычислению обычного интеграла от внутреннего интеграла кратности
.
7.2 Свойства кратного интеграла
- Интеграл по области, имеющей нулевую «объемную» меру в
, равен нулю. При этом к областям с нулевой «объемной» мерой в
, относятся разнообразные множества, которые заданы в пространстве
,
.
- Если две функции
и
интегрируемы в
, то сумма этих функций также интегрируема в
и
.
- Если функция
интегрируема в
, а
– постоянная величина, то функция
также интегрируема в
и
.
- Пусть область
является объединением областей
и
, а пересечение этих областей есть множество
, размерность которого меньше
. Если функция
интегрируема в
, то она интегрируема в
и
и при этом
- Если функция
определена и интегрируема в
, и при этом
(за исключением, быть может, некоторой части
с размерностью меньше
), то
- Если две функции
и
определены и интегрируемы в
, причем
, то
- Если функция
определена и интегрируема в
, то
также интегрируема в
, причем
- Если функция
является постоянной
, то
- Если функция
определена и интегрируема в
и ограничена снизу и сверху значениями
и
, соответственно (
,
,
), то
Контрольные вопросы к теме
- Понятие двумерных интегральных сумм и их сходимость.
- Повторное интегрирование и методы вычисления двойных и кратных интегралов.