אינטגרלים כפולים

Download Report

Transcript אינטגרלים כפולים

Slide 1

‫בס"ד‬

‫אינטגרלים כפולים‬

‫פרופ' נח דנא‪-‬פיקארד‬
‫ניסן תשס"ט‬


Slide 2

‫מוטיבציה ראשונה‪ :‬חישוב נפח‬

‫‪2‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 3

‫סכומי רימן – חלוקת מלבן למלבנים‬

‫‪‬‬

‫אם הגבול באגף ימין קיים‬
‫וסופי‪,‬‬

‫‪f ( x k , y k )  Ak‬‬

‫‪‬‬
‫‪k‬‬

‫‪3‬‬

‫‪f ( x , y ) dx dy  lim‬‬

‫‪ Ak  0‬‬

‫‪D‬‬

‫‪‬‬
‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 4

‫אינטגרל על מלבן‬
‫‪‬‬

‫אנימציה בעזרת ‪Maple‬‬
‫‪2‬‬

‫‪4‬‬

‫‪f ( x, y )  x  2 y‬‬
‫‪2‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 5

‫אינטגרל על מלבן‬



D

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

f ( u , v ) du dv 



vd

vc

 u  b f ( u , v ) du  dv


u

a



5


Slide 6

‫משפט פוביני (חלש)‬
‫בתנאים מסוימים (כגון אם הפונקציה הנתונה‬
‫רציפה מעל המלבן הנתון במישור)‬
‫אפשר להחליף את סדר האינטגרציה‪:‬‬
‫‪vd‬‬

‫‪f ( u , v ) dv du‬‬

‫‪6‬‬

‫‪u b‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪vc‬‬

‫‪ua‬‬

‫‪f ( u , v ) du dv ‬‬

‫‪u b‬‬

‫‪‬‬

‫‪ua‬‬

‫‪vd‬‬

‫‪‬‬

‫‪vc‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 7

‫דוגמאות‬
:1 ‫דוגמא‬
I 

2

4

1

0

 

( x  xy ) dx dy
2

:2 ‫דוגמא‬

I 



 
0

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬





2

x sin y dx dy

0

7


Slide 8

‫השיטה במקרה הכללי‪ :‬סכומי רימן‬

‫‪8‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 9

‫"חלוקת" התחום (כמעט‪ )...‬לתאים מלבניים‬
‫‪x  2y  3‬‬
‫‪2‬‬

‫‪9‬‬

‫‪2‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 10

‫תחומי אינטגרציה‬

‫התחום ‪ R‬הוא פשוט אנכי‬
‫)‪(vertically simple‬‬
‫אם הוא מוגדר ע"י אי שוויונים מהצורה‬
‫‪a  x  b‬‬
‫‪‬‬
‫)‪ g 1 (x)  y  g 2 (x‬‬

‫כאשר ‪ g 1‬ו ‪ g 2‬הן רציפות על‬
‫הקטע ]‪.[a, b‬‬

‫‪10‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 11

‫דוגמא‬
 1  x  6
 2
x  3x  y  2x  6

I 

  ( x , y ) d 

 ( x , y )  x  xy  1
2

R



6

 
1

2 x6
2

x 3 x

2





( x  xy  1) dy dx
2

2

2 x6

:‫האינטגרל‬

1
 2

3
   x y  xy  y 
1
3

 x2 3 x
6



‫ מוגדר ע"י‬R



38 4
1 7

6
5
3
2
x

3
x

9
x

x

19
x

65
x

77
x

6

 dx
1  3
3

6

6

 1 8 3 7 3 6 38 5 19 4 65 3 77 2

 
x  x  x 
x 
x 
x 
x  6x
7
2
15
4
3
2
 24
 1


1434083
120

  11950 . 70
(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

11


Slide 12

‫תחומי אינטגרציה‬
‫התחום ‪ R‬הוא פשוט אופקי‬
‫)‪(horizontally simple‬‬
‫אם הוא מוגדר ע"י אי שוויונים מהצורה‬
‫‪c  y  d‬‬
‫‪‬‬
‫)‪ h 1 (y)  x  h 2 (y‬‬

‫כאשר ‪ h1‬ו‬
‫]‪.[c, d‬‬

‫‪12‬‬

‫‪ h2‬הן רציפות על הקטע‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 13

‫דוגמא (לא מעובדת)‬
‫‪‬‬

‫‪‬‬

‫‪ R‬הוא התחום‬
‫המוגבל ע"י המעגל‬
‫שמרכזו בראשית עם‬
‫רדיוס ‪6‬‬
‫והפרבולה שמשוואתה‬
‫‪2‬‬
‫היא ‪x  y‬‬
‫הפונקציה נתונה ע"י‬
‫‪ ( x, y )  x  y  1‬‬
‫‪2‬‬

‫‪13‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 14

‫הנחיה חשובה‬
‫שרטט תמיד סקיצה של תחום האינטגרציה‬
‫לפני חישוב של אינטגרל כפול‬

‫‪14‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 15

‫משפט פוביני (חזק)‬

‫‪15‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 16

‫שימוש במשפט פוביני‬

2

 
0

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

2x
x

2

f ( x , y ) dy dx 

4

 
0

y

f ( x , y ) dx dy
y/2

16


Slide 17

‫דוגמאות‬




0

x

 

I 

sin y

.1

dy dx

y

.2
I 

8

 
0

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

1

2
3

x

y

4

1

dy dx

17


Slide 18

‫תכונות אלגבריות של האינטגרלים הכפולים‬

‫‪18‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 19

‫איחוד תחומי אינטגרציה‬

‫‪19‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 20

‫איחוד תחומי אינטגרציה – דוגמאות‬
‫‪‬‬

‫שרטט את תחום‬
‫האינטגרציה‪.‬‬
‫אח"כ חשב את שטח‬
‫התחום הזה‪.‬‬

‫‪‬‬

‫נתונים‪:‬‬

‫‪‬‬

‫‪1 x‬‬

‫‪.1‬‬

‫‪dy dx‬‬

‫‪dy dx ‬‬

‫‪0‬‬

‫‪4‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪0‬‬

‫‪20‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪x/2‬‬

‫‪x‬‬

‫‪dy dx . 2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪0‬‬

‫‪dy dx ‬‬

‫‪1 x‬‬

‫‪0‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪1  2 x‬‬

‫‪0‬‬
‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪x 4‬‬

‫‪I ‬‬

‫‪I ‬‬

‫‪0‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 21

‫חישוב נפח באמצעות אינטגרל כפול‬
‫נתונה פונקציה ‪ f‬רציפה ואי‬
‫שלילית על תחום חסום ‪ .R‬אזי‬
‫הנפח ‪ V‬של גוף הנמצא מתחת ל‬
‫גרף של ‪ f‬ומעל התחום ‪ R‬נתון‬
‫ע"י האינטגרל הכפול‬
‫‪f(x, y) dx dy‬‬

‫‪‬‬

‫‪R‬‬
‫שהאינטגרל קיים)‬
‫(כמובן בתנאי‬

‫‪21‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 22

‫דוגמא‬
‫‪‬‬

‫התחום מוגבל מלרע ע"י‬
‫המישור ‪ xy‬ומלעיל ע"י‬
‫חצי כדור שמרכזו‬
‫בראשית ובעל רדיוס ‪.2‬‬

‫‪ d‬‬

‫‪2‬‬

‫‪‬‬

‫‪4 x  y‬‬
‫‪2‬‬

‫‪‬‬

‫‪V ‬‬

‫‪R‬‬

‫‪‬‬

‫‪22‬‬

‫צריכים קואורדינטות‬
‫אחרות (ראה להלן‪)  ...‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 23

‫חישוב נפח באמצעות אינטגרל כפול‬

‫זה מקרה פרטי של חישוב נפח‪,‬‬
‫עבור‬
‫‪f ( x , y )  1,  ( x , y )  R‬‬

‫‪23‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 24

‫ חישוב שטח ע"י אינטגרל מסוים‬:‫דוגמא‬
 ( 2 x  6 )  ( x  3 x )  dx
   x  5 x  6  dx

S 

6

2

1
6

2

1

6



3
2
  x  x  6 x 
2
 3
 1
1



343

5

 57 . 17 .

6

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

24


Slide 25

‫חישוב אותו שטח עם אינטגרל כפול‬
S 

6

2 x6

1

x 3 x

 

2

dy dx 

2 x6


y
1 x  3 x dx
6

2

 ( 2 x  6 )  ( x  3 x )  dx
   x  5 x  6  dx


6

2

1
6

2

1

6

 1 3 5 2

  x  x  6 x 
2
 3
 1


343

 57 . 17

6

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

25


Slide 26

‫חישוב נפח בעזרת אינטגרל כפול‬
‫‪‬‬

‫חשב את הנפח של הגוף‬
‫המוגבל ע"י‬
‫הפרבולואידים הנתונים‬
‫ע"י המשוואות‬
‫‪2‬‬
‫‪2‬‬
‫) ‪z  8  (x  y‬‬
‫‪2‬‬

‫‪26‬‬

‫‪z x  y‬‬
‫‪2‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 27

‫קואורדינטות קוטביות‬
‫‪‬‬

‫משוואות הישרים‪:‬‬
‫‪y  x, y  x 3‬‬

‫‪‬‬

‫משוואת המעגלים‪:‬‬
‫‪x  y  1, x  y  4‬‬
‫‪2‬‬

‫‪27‬‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫‪2‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 28

‫מעבר מקואורדינטות קוטביות לקואורדינטות‬
‫קרטזיות‬
‫‪‬‬

‫נוסחאות מעבר‪:‬‬

‫‪ x   cos ‬‬
‫‪,   0,  R‬‬
‫‪‬‬
‫‪ y   sin ‬‬
‫‪‬‬

‫שטח אלמנטרי‪:‬‬

‫‪dx dy   d  d ‬‬

‫‪28‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 29

‫דוגמא‬
‫‪‬‬

‫חשב את האינטגרל‬

‫‪ dx dy‬‬

‫‪2‬‬

‫‪ y‬‬

‫‪2‬‬

‫‪  x‬‬
‫‪D‬‬

‫כאשר ‪ D‬הוא האיזור ברביע‬
‫הראשון המוגבל ע"י‬
‫המעגלים שמרכזם‬
‫בראשית הצירים ובעלי‬
‫רדיוסים ‪ 1‬ו‪ 2-‬בהתאמה‪.‬‬

‫‪29‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 30

‫תחום נתון בקואורדינטות קוטביות‬
‫‪‬‬

‫מצא את השטח של‬
‫התחום הנמצא בתוך‬
‫הקרדיואיד ‪ C1‬ומחוץ‬
‫למעגל ‪ C2‬הנתונים ע"י‬
‫המשוואות הבאות‪:‬‬
‫‪C 1 :   1  cos ‬‬
‫‪C2 :  1‬‬

‫‪‬‬

‫תשובה‪:‬‬
‫‪ d  d‬‬

‫‪1  cos ‬‬

‫‪ /2‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪/2 1‬‬

‫‪30‬‬

‫‪‬‬

‫‪S ‬‬
‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 31

‫דוגמא נוספת‬


(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

http://ndp.jct.ac.il/COURSES_HP/Exos/Infi2
/DoubleIntegral-PolarCoord-1.jpg

31


Slide 32

‫החלפת קואורדינטות‬
‫‪‬‬

‫תזכורת‪ :‬הצבה באינטגרל מסוים (אינפי א')‬
‫‪d‬‬

‫‪f ( u ) du‬‬

‫כאשר‬

‫‪32‬‬

‫‪‬‬

‫‪c‬‬

‫‪f  g ( x )  g ' ( x ) dx ‬‬

‫‪b‬‬

‫‪‬‬

‫‪a‬‬

‫)‪u  g ( x‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 33

‫החלפת קואורדינטות ‪ -‬יעקוביאן‬
‫‪ ‬מבקשים לחשב את האינטגרל הכפול‬
‫מעל התחום ‪ R‬במישור ‪.xy‬‬
‫‪ ‬נתון‬
‫‪x  g ( u , v ), y  h ( u , v ), ( u , v )  S‬‬
‫‪‬‬

‫אזי‪:‬‬

‫‪‬‬

‫הביטוי‬

‫‪du dv‬‬

‫) ‪ ( x, y‬‬
‫) ‪ (u , v‬‬

‫‪f  g ( u , v ), h ( u , v ) ‬‬

‫‪x‬‬

‫‪x‬‬

‫‪v‬‬
‫‪y‬‬

‫‪ u‬‬
‫‪y‬‬
‫) ‪ (u , v‬‬
‫‪u‬‬

‫‪v‬‬

‫) ‪ ( x, y‬‬

‫‪S‬‬

‫‪‬‬

‫‪f ( x , y ) dA‬‬
‫‪R‬‬

‫‪f ( x , y ) dA ‬‬
‫‪R‬‬

‫‪‬‬

‫‪‬‬

‫‪J ( x , y ), ( u , v )  ‬‬

‫נקרא היעקוביאן של הטרנספורמציה (ההחלפה)‬

‫‪33‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 34

Jacobian – Maple commands

(c ‫פ‬-‫ ד‬.‫)פרופ' נ‬

34


Slide 35

‫דוגמא ‪1‬‬
‫‪‬‬

‫חשב את האינטגרל‬
‫‪dx dy‬‬

‫‪2x  y‬‬

‫‪ ‬‬

‫‪x y / 2‬‬

‫‪2‬‬
‫‪‬‬

‫‪x  ( y / 2 ) 1‬‬

‫‪4‬‬

‫‪I ‬‬

‫‪0‬‬

‫רמז‪ :‬השתמש שהחלפת‬
‫קואורדינטות הבאה‪:‬‬
‫‪2x  y‬‬

‫‪u ‬‬

‫‪2‬‬
‫‪y‬‬

‫‪v‬‬

‫‪2‬‬
‫‪35‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 36

‫דוגמא ‪2‬‬

‫‪36‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 37

‫ועוד דוגמא‬

‫‪37‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 38

‫‪38‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬


Slide 39

‫‪39‬‬

‫)פרופ' נ‪ .‬ד‪-‬פ ‪(c‬‬