15.6-bo'lim : Silindrsimon koordinatalarda uch karrali integrallar
3. \(\displaystyle \iiint\limits_{E}{{z\,dV}}\) ni baholang, bunda \(E\) \(x + y + z = 2\) va \(x = 0\) ikkita tekislik orasidagi va \({y^2} + {z^2} = 1\) silindrining ichidagi mintaqadir.
Yechim
Mayli, keling, \(E\) hududining qisqacha chizmasidan boshlaylik, shunda biz nima bilan shug'ullanayotganimizni his qilamiz.
Tsilindr va \(x + y + z = 2\) samolyotining qisqacha chizmasi bilan boshlaylik.

Biz bu yerda ishlayotgan \(E\) hududi silindr ichida va muammo bayonida keltirilgan ikkita tekislik o‘rtasida joylashgan. Buning ma'nosi shundaki, ikkita samolyot silindrni yopadi.
Yuqoridagi grafikda biz ikkita sirt o'rtasidagi munosabatni ko'rsatish uchun kerak bo'lganidan ko'proq silindrni va keraklidan ko'proq \(x + y + z = 2\) tekisligini joylashtirdik. \(x = 0\) samolyoti shunchaki \(yz\) tekisligi bo'lib, silindrning orqa qismini "qopqoqlar" bilan qoplaydi va shuning uchun eskizga kiritilmagan.
Endi silindrning \(x + y + z = 2\) oldidagi qismidan xalos bo'laylik, chunki u mintaqaning bir qismi emas va \(x + y + z = 2\) ning silindr ichida bo'lmagan qismidan xalos bo'laylik. Olingan eskiz \(E\) hududidir.
Mana, \(E\) eskizi.


Biz "an'anaviy" o'qlar to'plami bilan bir qatorda "quti" o'qlari to'plami bilan eskizlarni berdik, bu sirt va mintaqani tasavvur qilishda yordam beradi.
2-qadam
Shunday qilib, eskizdan umid qilamanki, \(D\) mintaqasi \(yz\) tekisligida bo'ladi va shuning uchun biz avval \(x\) bilan integratsiya qilishimiz kerak. Bu shuni anglatadiki, \(x\) chegaralari,
\[0 \le x \le 2 - y - z\]Yuqori \(x\) chegarasi uchun biz faqat \(x\) uchun tekislik tenglamasini echishimiz kerak.
3-qadam
Ushbu muammo uchun \(D\) oddiygina \({y^2} + {z^2} \le 1\) diskidir. \(D\) \(yz\) tekisligida va disk bo'lgani uchun biz silindrsimon koordinatalarning quyidagi "o'zgartirilgan" versiyasidan foydalanishimiz kerak bo'ladi.
\[\begin{align*}x & = x\\ y & = r\sin \theta \\ z & = r\cos \theta \end{align*}\]Bu, shuningdek, birinchi navbatda \(x\) ni integratsiyalashimiz kerakligi (2-bosqichda aniqlaganimizdek) va silindrsimon koordinatalar bilan integratsiyaning birinchi o'zgaruvchisi har doim "erkin" o'zgaruvchidir (i.e. trig funktsiyalari bilan bog'liq emas).
Shunday qilib, biz diskni \(r\) va \(\theta \) nuqtai nazaridan osongina tasvirlashimiz mumkin, shuning uchun bu muammoning silindrsimon koordinatalari.
\[\begin{array}{c}0 \le \theta \le 2\pi \\ 0 \le r \le 1\\ 0 \le x \le 2 - r\sin \theta - r\cos \theta \end{array}\]\(x\) yuqori chegarasidagi \(y\) va \(z\) ni silindrsimon koordinataga aylantirishni ham unutmang.
4-qadam
ushbu limitlarni integralga kiritish va silindrsimon koordinatalarga aylantirish,
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{z\,dV}}& = \int_{0}^{{2\pi }}{{\int_{0}^{1}{{\int_{0}^{{2 - r\sin \theta - r\cos \theta }}{{\left( {r\cos \theta } \right)r\,dx}}\,dr}}\,d\theta }}\\ & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\int_{0}^{1}{{\int_{0}^{{2 - r\sin \theta - r\cos \theta }}{{{r^2}\cos \theta \,dx}}\,dr}}\,d\theta }}\end{align*}\]Integrandni o'zgartirilgan silindrsimon koordinatalarimizga aylantirishni unutmang, shuningdek, \(dV = r\,dx\,dr\,d\theta \) ni unutmang, shuning uchun biz \(dV\) ni silindrsimon koordinatalarga o'tkazishda boshqa \(r\) ni tanlaymiz.
5-qadam
OK, endi biz qilishimiz kerak bo'lgan narsa - bu integralni baholash. Mana \(x\) integratsiyasi.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{z\,dV}} & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\int_{0}^{1}{{\left. {\left( {{r^2}\cos \theta \,x} \right)} \right|_0^{2 - r\sin \theta - r\cos \theta }\,dr}}\,d\theta }}\\ & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\int_{0}^{1}{{{r^2}\cos \theta \,\left( {2 - r\sin \theta - r\cos \theta } \right)\,dr}}\,d\theta }}\\ & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\int_{0}^{1}{{2{r^2}\cos \theta - {r^3}\cos \theta \sin \theta - {r^3}{{\cos }^2}\theta \,dr}}\,d\theta }}\end{align*}\]6-qadam
Keyin \(r\) integratsiyasini amalga oshiramiz.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{z\,dV}} & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\left. {\left( {\frac{2}{3}{r^3}\cos \theta - \frac{1}{4}{r^4}\cos \theta \sin \theta - \frac{1}{4}{r^4}{{\cos }^2}\theta } \right)} \right|_0^1\,d\theta }}\\ & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\frac{2}{3}\cos \theta - \frac{1}{4}\cos \theta \sin \theta - \frac{1}{4}{{\cos }^2}\theta \,d\theta }}\end{align*}\]7-qadam
Va nihoyat, biz \(\theta \) integratsiyasini amalga oshiramiz.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{z\,dV}} & = \int_{0}^{{2\pi }}{{\frac{2}{3}\cos \theta - \frac{1}{8}\sin \left( {2\theta } \right) - \frac{1}{8}\left( {1 + \cos \left( {2\theta } \right)} \right)\,d\theta }}\\ & = \left. {\left( {\frac{2}{3}\sin \theta + \frac{1}{{16}}\cos \left( {2\theta } \right) - \frac{1}{8}\left( {\theta + \frac{1}{2}\sin \left( {2\theta } \right)} \right)} \right)} \right|_0^{2\pi } = \require{bbox} \bbox[2pt,border:1px solid black]{{ - \frac{\pi }{4}}}\end{align*}\]Yakuniy integratsiyani amalga oshirishdan oldin integralni soddalashtirishni unutmang. Bu holda biz ikkinchi hadda sinus ikki burchakli va uchinchi hadda kosinus yarim burchak formulasidan foydalanib, bu integrasiyani tez bajarishimiz uchun integrandni soddalashtirdik.