15.5-bo'lim: Uch karrali integrallar
Endi biz ikki o'lchovli mintaqada qanday qilib integratsiya qilishni bilganimizdan so'ng, biz uch o'lchovli mintaqada integratsiyaga o'tishimiz kerak. Biz ikki o'lchovli hududni integrallash uchun qo'shaloq integraldan foydalandik va shuning uchun biz uni ishlatishimiz ajablanarli emas. uch karra integral uch o'lchovli mintaqada integratsiya qilish. Umumiy uch karrali integrallarning yozuvi:
\[\iiint\limits_{E}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dV}}\]Keling, qutiga integratsiya qilishdan boshlaylik,
\[B = \left[ {a,b} \right] \times \left[ {c,d} \right] \times \left[ {r,s} \right]\]E'tibor bering, ushbu belgidan foydalanganda biz \(x\) ning birinchisini, \(y\) ning ikkinchisini va \(z\) ning uchinchisini keltiramiz.
Bu holda uch karrali integral,
\[\iiint\limits_{B}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dV}} = \int_{{\,r}}^{{\,s}}{{\int_{{\,c}}^{{\,d}}{{\int_{{\,a}}^{{\,b}}{{f\left( {x,y,z} \right)dx}}\,dy}}\,dz}}\]E'tibor bering, biz avval \(x\), so'ngra \(y\) va nihoyat \(z\) ni birlashtirdik, lekin aslida bu tartibda integrallar uchun hech qanday sabab yo'q. Integralni bajarish uchun 6 xil mumkin bo'lgan buyruqlar mavjud va siz integralni qaysi tartibda bajarishingiz funktsiyaga bog'liq bo'ladi va siz o'ylagan tartib eng oson bo'ladi. Buyurtmadan qat'i nazar, biz bir xil javobni olamiz.
Keling, ushbu turdagi uchlik integralga tezkor misol keltiraylik.
Yechim
Buyurtma muhim emasligini ta'kidlash uchun, keling, yuqorida sanab o'tilgandan boshqa tartibni ishlataylik. Biz integralni quyidagi tartibda bajaramiz.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{B}{{8xyz\,dV}} & = \int_{{\,1}}^{{\,2}}{{\int_{{\,2}}^{{\,3}}{{\int_{{\,0}}^{1}{{8xyz\,dz}}\,dx}}\,dy}}\\ & = \int_{{\,1}}^{{\,2}}{{\int_{{\,2}}^{{\,3}}{{\left. {4xy{z^2}} \right|_0^1\,dx}}\,dy}}\\ & = \int_{{\,1}}^{{\,2}}{{\int_{{\,2}}^{{\,3}}{{4xy\,dx}}\,dy}}\\ & = \int_{{\,1}}^{{\,2}}{{\left. {2{x^2}y} \right|_2^3\,dy}}\\ & = \int_{{\,1}}^{{\,2}}{{10y\,dy}} = 15\end{align*}\]Ko'proq umumiy hududlarga o'tishdan oldin, keling, uchlik integral haqida chiroyli geometrik talqinni olaylik, shunda biz undan keyingi misollarda foydalanishimiz mumkin.
Uch karra integral sifatida mintaqa hajmi
\(E\) uch o'lchovli hududining hajmi integral bilan berilgan,
\[V = \iiint\limits_{E}{{\,dV}}\]Keling, umumiy uch o'lchovli hududlarga o'taylik. Umumiy mintaqa uchun bizda uch xil imkoniyat bor. Bu erda birinchi imkoniyatning eskizi.

Bunday holda biz \(E\) mintaqasini quyidagicha aniqlaymiz,
\[E = \left\{ {\left( {x,y,z} \right)|\left( {x,y} \right) \in D,\,\,\,{u_1}\left( {x,y} \right) \le z \le {u_2}\left( {x,y} \right)} \right\}\]bu erda \(\left( {x,y} \right) \in D\) - bu \(\left( {x,y} \right)\) nuqtasi \(xy\) tekisligidan \(D\) hududida joylashganligini bildiruvchi belgi. Bu holda biz uch karrali integralni quyidagicha baholaymiz:
\[\iiint\limits_{E}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dV}} = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{\,{u_1}\left( {x,y} \right)}}^{{\,{u_2}\left( {x,y} \right)}}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dz}}} \right]\,dA}}\]bu erda qo'sh integralni biz oldingi ikki bo'limda ko'rgan usullarning har qandayida baholash mumkin. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, biz \(x\) ga nisbatan birinchi bo'lib integratsiya qilishimiz mumkin, biz \(y\) ga nisbatan avval integratsiya qilishimiz yoki kerak bo'lganda qutb koordinatalaridan foydalanishimiz mumkin.
Yechim
Biz birinchi navbatda aniqlashimiz kerak oktant. Ikki o'lchovli koordinatalar tizimini to'rtta kvadrantga bo'lish mumkin bo'lgani kabi, uch o'lchovli koordinatalar tizimini sakkiz oktantga bo'lish mumkin. Birinchi oktant bu oktant bo'lib, unda uchta koordinatasi ham ijobiy bo'ladi.
Mana birinchi oktantdagi samolyotning eskizi.

Endi \(xy\) tekisligida \(D\) mintaqasini aniqlashimiz kerak. Biz yuqoridan ob'ektga to'g'ridan-to'g'ri qaragandek qilib, mintaqaning vizualizatsiyasini olishimiz mumkin. Biz ko'rgan narsa \(xy\) tekisligidagi \(D\) mintaqasi bo'ladi. Shunday qilib, \(D\) uchlari \(\left( {0,0} \right)\), \(\left( {3,0} \right)\) va \(\left( {0,2} \right)\) bo'lgan uchburchak bo'ladi. Mana \(D\) eskizi.

Endi bizga integratsiya chegaralari kerak. Samolyot ostida va birinchi oktantda bo'lganimiz sababli (biz \(z = 0\) tekisligidan yuqoridamiz) \(z\) uchun quyidagi cheklovlar mavjud.
\[0 \le z \le 6 - 2x - 3y\]Quyidagi ikkita tengsizliklar to‘plamidan birini qo‘llagan holda \(D\) bo‘yicha qo‘sh integralni integrallashimiz mumkin.
\[\begin{matrix} \begin{aligned} & \,\,\,\,\,\,0\le x\le 3 \\ & 0\le y\le -\frac{2}{3}x+2 \\ \end{aligned} & \hspace{0.5in} & \begin{aligned} & 0\le x\le -\frac{3}{2}y+3 \\ & \,\,\,\,\,\,0\le y\le 2 \\ \end{aligned} \\ \end{matrix}\]Hech birining boshqasidan ustunligi yo'qligi sababli biz birinchisidan foydalanamiz. U holda integral,
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{2x\,dV}} &= \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{\,0}}^{{6 - 2x - 3y}}{{2x\,dz}}} \right]\,dA}}\\ & = \iint\limits_{D}{{\left. {2xz} \right|_0^{6 - 2x - 3y}\,dA}}\\ & = \int_{{\,0}}^{{\,3}}{{\int_{0}^{{ - \frac{2}{3}x + 2}}{{2x\left( {6 - 2x - 3y} \right)\,dy}}\,dx}}\\ & = \int_{0}^{3}{{\left. {\left( {12xy - 4{x^2}y - 3x{y^2}} \right)} \right|_0^{ - \frac{2}{3}x + 2}\,dx}}\\ & = \int_{0}^{3}{{\frac{4}{3}{x^3} - 8{x^2} + 12x\,dx}}\\ & = \left. {\left( {\frac{1}{3}{x^4} - \frac{8}{3}{x^3} + 6{x^2}} \right)} \right|_0^3\\ & = 9\end{align*}\]Keling, uchlik integrallar uchun duch kelishimiz mumkin bo'lgan ikkinchi uch o'lchovli mintaqaga o'tamiz. Mana bu hududning eskizi.

Ushbu imkoniyat uchun biz \(E\) mintaqasini quyidagicha aniqlaymiz,
\[E = \left\{ {\left( {x,y,z} \right)|\left( {y,z} \right) \in D,\,\,\,{u_1}\left( {y,z} \right) \le x \le {u_2}\left( {y,z} \right)} \right\}\]Shunday qilib, \(D\) mintaqasi \(yz\) tekisligidagi mintaqa bo'ladi. Mana bu integrallarni qanday baholaymiz.
\[\iiint\limits_{E}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dV}} = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{\,{u_1}\left( {y,z} \right)}}^{{\,{u_2}\left( {y,z} \right)}}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dx}}} \right]\,dA}}\]Birinchi imkoniyatda bo'lgani kabi bizda \(yz\) tekisligida qo'sh integralni bajarish uchun ikkita variant, shuningdek, kerak bo'lganda qutb koordinatalaridan foydalanish imkoniyati mavjud.
Yechim
Bu holatda bizga \(D\) berildi va shuning uchun biz buni topish uchun chindan ham ishlashimiz shart emas. Bu erda \(D\) hududining eskizi, shuningdek, samolyotning qisqacha eskizi va samolyotning yonidan prognoz qilingan \(D\) ni aniqlovchi egri chiziqlari, shuning uchun biz ishlayotgan mintaqa qanday ko'rinishi haqida tasavvurga ega bo'lishimiz mumkin.

Endi yuqoridagi mintaqaning grafigi hammasi yaxshi, lekin u bizga mintaqa nima ekanligini ko'rsatmaydi. Shunday qilib, bu erda mintaqaning o'zi eskizi.

Bu erda har bir o'zgaruvchi uchun chegaralar mavjud.
\[\begin{array}{c}0 \le y \le 4\\ \displaystyle \frac{3}{4}y \le z \le \frac{3}{2}\sqrt y \\ 0 \le x \le 8 - y - z\end{array}\]Keyin hajm,
\[\begin{align*}V &= \iiint\limits_{E}{{\,dV}} = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{0}^{{8 - y - z}}{{\,dx}}} \right]\,dA}}\\ & = \int_{0}^{4}{{\int_{{{{3y}}/{4}\;}}^{{{{3\sqrt y }}/{2}\;}}{{8 - y - z\,dz}}\,dy}}\\ & = \int_{0}^{4}{{\left. {\left( {8z - yz - \frac{1}{2}{z^2}} \right)} \right|_{\frac{{3y}}{4}}^{\frac{{3\sqrt y }}{2}}\,dy}}\\ & = \int_{0}^{4}{{12{y^{\frac{1}{2}}} - \frac{{57}}{8}y - \frac{3}{2}{y^{\frac{3}{2}}} + \frac{{33}}{{32}}{y^2}\,dy}}\\ & = \left. {\left( {8{y^{\frac{3}{2}}} - \frac{{57}}{{16}}{y^2} - \frac{3}{5}{y^{\frac{5}{2}}} + \frac{{11}}{{32}}{y^3}} \right)} \right|_0^4 = \frac{{49}}{5}\end{align*}\]Endi biz uch karrali integrallar uchun uch o'lchamli mumkin bo'lgan uchinchi (va oxirgi) mintaqani ko'rib chiqishimiz kerak. Mana bu hududning eskizi.

Ushbu yakuniy holatda \(E\) quyidagicha aniqlanadi:
\[E = \left\{ {\left( {x,y,z} \right)|\left( {x,z} \right) \in D,\,\,\,{u_1}\left( {x,z} \right) \le y \le {u_2}\left( {x,z} \right)} \right\}\]va bu erda \(D\) mintaqasi \(xz\) tekisligidagi mintaqa bo'ladi. Mana bu integrallarni qanday baholaymiz.
\[\iiint\limits_{E}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dV}} = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{\,{u_1}\left( {x,z} \right)}}^{{\,{u_2}\left( {x,z} \right)}}{{f\left( {x,y,z} \right)\,dy}}} \right]\,dA}}\]Bu erda biz \(D\) ni \(xz\) tekisligiga integratsiya qilish uchun ikkita mumkin bo'lgan buyurtmalardan birini ishlatishimiz mumkin yoki kerak bo'lganda qutb koordinatalaridan foydalanishimiz mumkin.
Yechim
Mana qattiq \(E\) ning eskizi.

\(xz\) tekisligidagi \(D\) mintaqasini ushbu qattiq jismning oldida “tikish” orqali topish mumkin va biz \(D\) \(xz\) tekisligida disk bo‘lishini ko‘rishimiz mumkin. Bu disk qattiq jismning old qismidan keladi va biz elliptik paraboloid va tekislikni teng qilib, disk tenglamasini aniqlashimiz mumkin.
\[2{x^2} + 2{z^2} = 8\hspace{0.25in} \Rightarrow \hspace{0.25in}{x^2} + {z^2} = 4\]Bu mintaqa, shuningdek, integral, ikkalasi ham qutb koordinatalari kabi narsalarni ishlatishimiz kerakligini taklif qiladi. Biroq, biz \(xz\) tekisligidamiz va biz faqat \(xy\) tekisligida qutb koordinatalarini ko'rdik. Bu muammo emas. Biz ularni har doim quyidagi ta'rif bilan \(xz\) tekisligiga "tarjima qilishimiz" mumkin.
\[x = r\cos \theta \hspace{0.25in}\hspace{0.25in}z = r\sin \theta \]Mintaqada \(y\) mavjud emasligi sababli biz \(z\) ga barcha formulalarda \(y\) o'rnini egallashiga ruxsat beramiz. E'tibor bering, bu ta'riflar formulaga ham olib keladi,
\[{x^2} + {z^2} = {r^2}\]Buning yordamida biz ushbu integral uchun kerak bo'ladigan o'zgaruvchilar chegaralariga erishishimiz mumkin.
\[\begin{array}{c}2{x^2} + 2{z^2} \le y \le 8\\ 0 \le r \le 2\\ 0 \le \theta \le 2\pi \end{array}\]U holda integral,
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{\sqrt {3{x^2} + 3{z^2}} \,dV}} & = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{2{x^2} + 2{z^2}}}^{{\,8}}{{\sqrt {3{x^2} + 3{z^2}} \,dy}}} \right]\,dA}}\\ & = \iint\limits_{D}{{\left. {\left( {y\sqrt {3{x^2} + 3{z^2}} } \right)} \right|_{2{x^2} + 2{z^2}}^8\,dA}}\\ & = \iint\limits_{D}{{\sqrt {3\left( {{x^2} + {z^2}} \right)} \left( {8 - \left( {2{x^2} + 2{z^2}} \right)} \right)\,dA}}\end{align*}\]Endi biz qutb koordinatalarida qo'sh integralni bajarmoqchi bo'lganimiz sababli, keling, hamma narsani qutb koordinatalariga aylantiramiz. Integral bu,
\[\begin{align*}\sqrt {3\left( {{x^2} + {z^2}} \right)} \left( {8 - \left( {2{x^2} + 2{z^2}} \right)} \right) &= \sqrt {3{r^2}} \left( {8 - 2{r^2}} \right)\\ & = \sqrt 3 \,\,r\left( {8 - 2{r^2}} \right)\\ & = \sqrt 3 \left( {8r - 2{r^3}} \right)\end{align*}\]U holda integral,
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{\sqrt {3{x^2} + 3{z^2}} \,dV}} & = \iint\limits_{D}{{\sqrt 3 \,\,\left( {8r - 2{r^3}} \right)dA}}\\ & = \sqrt 3 \int_{{\,0}}^{{\,2\pi }}{{\int_{{\,0}}^{{\,2}}{{\left( {8r - 2{r^3}} \right)r\,dr}}\,d\theta }}\\ & = \sqrt 3 \int_{{\,0}}^{{\,2\pi }}{{\left. {\left( {\frac{8}{3}{r^3} - \frac{2}{5}{r^5}} \right)} \right|_0^2\,d\theta }}\\ & = \sqrt 3 \int_{{\,0}}^{{\,2\pi }}{{\frac{{128}}{{15}}\,d\theta }}\\ & = \frac{{256\sqrt 3 \,\pi }}{{15}}\end{align*}\]