15.5-bo'lim : Uch karrali integrallar
7. \( \displaystyle \iiint\limits_{E}{{15z\,dV}}\) ni baholang, bunda \(E\) \(z = 2{y^2}\) va \(z = \sqrt {4y} \) bilan chegaralangan \(yz\) tekisligidagi mintaqa oldidagi \(2x + y + z = 4\) va \(4x + 4y + 2z = 20\) orasidagi mintaqadir.
Yechim
Bu hududni tasavvur qilish har doim juda qiyin ko'rinadi. Shunday qilib, keling, quyidagi eskizdan boshlaylik.

E'tibor bering, \(x\) va \(y\) o'qlarining "yo'nalishi" biz shu paytgacha qilgan barcha boshqa 3D eskizlardan bu eskiz shaklida farq qiladi. Bu vizualizatsiyaga yordam berish uchun amalga oshiriladi. Qayta yo'nalishsiz chegaralangan hududni tasavvur qilish juda qiyin bo'lar edi.
Har doim o'qlarning yo'nalishi doimo sobit bo'lib qoladi va hech qachon o'zgarmasligini kutmang. Ba'zan yo'nalishni o'zgartirish kerak bo'ladi, shuning uchun biz ma'lum bir sirt yoki hududni tasavvur qilishimiz mumkin.
Xo'sh, biz bu erda ishlayotgan mintaqani tasavvur qilishga harakat qilamiz.
Sariq tekislik 1-banddagi \(4x + 4y + 2z = 20\) grafigidirst oktant (bu erda bizga kerak bo'lgan yagona qism) va yashil tekislik \(2x + y + z = 4\) grafigi. Boshida (ko'rish qiyin) \(yz\) tekisligidagi chegaralangan hududning eskizi muammo bayonida havola qilingan. Yuqoridagi grafikda bu chegaralangan hududni ko'rish qiyin bo'lgani uchun bu erda faqat chegaralangan hududning alohida grafigi mavjud.

Endi, \(E\) hududini sinab ko‘rish va tasavvur qilish uchun yuqoridagi birinchi eskizdagi ikkita tekislik o‘rtasida pechene xamiri bo‘lagi borligini va \(yz\) tekisligidagi chegaralangan hudud cookie to‘sar ekanligini tasavvur qiling. Biz chegaralangan hududni \(yz\) tekisligidan uzoqlashtiramiz va uni doimo \(yz\) tekisligiga parallel tutamiz.
Chegaralangan hudud tashqariga siljiganida, uning yuqori qismi yashil tekislikka urilganda avval "pechene xamiri" ga aylanadi va chegaralangan hududning pastki qismi yashil tekislikka tegsa, to'liq pechene xamirida bo'ladi. Chegaralangan hudud pechenye xamirini sariq tekislikka yetguncha kesishda davom etadi, chegaralangan hududning tepasi sariq tekislikka urilganda birinchi bo‘lib pechene xamiridan chiqadi. Chegaralangan hududning pastki qismi sariq tekislikka tegsa, chegaralangan hudud cookie xamiridan to'liq chiqib ketadi.
Mana, chegaralangan hudud \(yz\) tekisligidan uzoqlashganda tutadigan yo‘lning eskizi.

E'tibor bering, bu eskiz ikki tekislik o'rtasida bo'ladimi yoki yo'qmi, chegaralangan hududning to'liq yo'lini ko'rsatadi. Yoki ikki tekislik orasidagi pechenye xamiridan mintaqani kesib tashlash yoki qilmaslikdan qat'i nazar, yuqoridan o'xshashlikdan foydalanish. Biz qidirayotgan \(E\) mintaqasi bu yo'lning ikki tekislik o'rtasida joylashgan qismidir.
Bu erda faqat ikkita tekislik orasidagi chegaralangan mintaqaning yo'lining eskizi.

\(E\) mintaqasining yuqori qismi yuqorida ko'rsatilgan qizil qismdir. Biroq, hali ham eskizda bo'lgan ikkita samolyot bilan to'liq hududni tasavvur qilish juda qiyin. Shunday qilib, bu erda eskizdan olib tashlangan ikkita samolyot bilan yana bir eskiz.


\(E\) mintaqasi yuqorida ko'rsatilgan qattiqdir. \(E\) ning “old” qismi qiyshaygan va sariq tekislikka ergashadi (shuning uchun buni aniqroq qilish uchun ham sariq rangga bo'yalgan) va \(E\) ning “orqasi” qiya va yashil tekislikka ergashadi.
\(E\) hududining ushbu yakuniy eskizi bilan biz ob'ektni ko'rishga yordam berish uchun "an'anaviy" o'q tizimini ham, "qutili" o'qlar tizimini ham qo'shdik. Shuningdek, biz oldingi tasvirlar kabi \(x\), \(y\), \(z\) shkalasini saqlab qoldik, garchi o'qlar tizimining o'ng tomonida juda ko'p "behuda" bo'sh joy mavjud bo'lsa ham, vizualizatsiyaga yordam beradi.
2-qadam
Xo'sh, bu muammo uchun muammo bayonoti bizga cheklangan hududni aytadi, i.e. \(D\), \(yz\) tekisligida va biz avval \(x\) bilan integratsiya qilishimiz kerak.
Bu shuni anglatadiki, biz \(x\) uchun tekisliklarning har bir tenglamasini echishimiz kerak va biz orqa (yoki yashil) tekislikdan oldingi (yoki sariq) tekislikka integratsiya qilamiz.
Shuning uchun bizda \(x\) uchun quyidagi limitlar mavjud.
\[2 - \frac{1}{2}y - \frac{1}{2}z \le x \le 5 - y - \frac{1}{2}z\]Esda tutingki, bu turdagi chegaralarni o'rnatishda biz orqadan oldinga o'tamiz va shuning uchun paraboloid pastki chegara bo'ladi, chunki u qattiq jismning "orqasida" joylashgan sirt, \(x = 1\) esa qattiq jismning "old"i va yuqori chegarasi.
ushbu limitlar bilan biz uch karra integralni ham hech bo'lmaganda qisman quyidagicha o'rnatishimiz mumkin.
\[\iiint\limits_{E}{{15z\,dV}} = \iint\limits_{D}{{\left[ {\int_{{2 - \frac{1}{2}y - \frac{1}{2}z}}^{{5 - y - \frac{1}{2}z}}{{15z\,dx}}} \right]\,dA}}\]3-qadam
Keyinchalik, biz integralni sozlashni tugatishimiz uchun \(D\) uchun limitlar kerak bo'ladi. Yuqorida ta'kidlab o'tilganidek, \(D\) mintaqasi muammo bayonotida berilgan chegaralangan hududdir. Malumot uchun bu yerda biz 1-bosqichda bergan \(D\) eskizining nusxasi.

Ko'rib turganimizdek, bu mintaqani ikkala tartibda birlashtirish mumkin, ammo tartibdan qat'i nazar, chegaralardan biri kvadratik atama va biri kvadrat ildiz bo'ladi. Shuning uchun, muammo bayonotida berilgan limitlardan foydalanishimiz mumkin.
Shunday qilib, bu erda \(D\) uchun limitlar mavjud.
\[\begin{array}{c}0 \le y \le 1\\ 2{y^2} \le z \le \sqrt {4y} \end{array}\]ushbu limitlar bizda mavjud integralga ulangan holda,
\[\iiint\limits_{E}{{15z\,dV}} = \int_{0}^{1}{{\int_{{2{y^2}}}^{{\sqrt {4y} }}{{\int_{{2 - \frac{1}{2}y - \frac{1}{2}z}}^{{5 - y - \frac{1}{2}z}}{{15z\,dx}}\,dz}}\,dy}}\]4-qadam
OK, endi biz qilishimiz kerak bo'lgan narsa - bu integralni baholash. Mana \(x\) integratsiyasi.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{15z\,dV}} & = \int_{0}^{1}{{\int_{{2{y^2}}}^{{\sqrt {4y} }}{{\left. {\left( {15zx} \right)} \right|_{2 - \frac{1}{2}y - \frac{1}{2}z}^{5 - y - \frac{1}{2}z}\,dz}}\,dy}}\\ & = \int_{0}^{1}{{\int_{{2{y^2}}}^{{\sqrt {4y} }}{{15z\left( {3 - \frac{1}{2}y} \right)\,dz}}\,dy}}\end{align*}\]5-qadam
Endi \(z\) integratsiyasini bajaramiz.
\[\begin{align*}\iiint\limits_{E}{{15z\,dV}} & = \int_{0}^{1}{{\left. {\frac{{15}}{2}{z^2}\left( {3 - \frac{1}{2}y} \right)} \right|_{2{y^2}}^{\sqrt {4y} }\,dy}}\\ & = \int_{0}^{1}{{15{y^5} - 90{y^4} - 15{y^2} + 90y\,dy}}\end{align*}\]6-qadam
Va nihoyat, \(y\) integratsiyasini amalga oshiramiz.
\[\iiint\limits_{E}{{15z\,dV}} = \left. {\left( {\frac{5}{2}{y^6} - 18{y^5} - 5{y^3} + 45{y^2}} \right)} \right|_0^1 = \require{bbox} \bbox[2pt,border:1px solid black]{{\frac{{49}}{2}}}\]Shunday qilib, biz barcha limitlarni o'rnatganimizdan so'ng, bu muammo uchun integratsiya unchalik yomon emas edi. Ko'pincha bu muammolar bilan shunday bo'ladi. O'rnatilgan integrallar uchun chegaralarni olish muammoning eng qiyin qismi bo'ladi, lekin har doim emas. Limitlar o'rnatilgandan so'ng, integratsiya odatda juda oddiy bo'ladi va shubhasiz, mintaqani tasavvur qilish va ushbu muammo uchun o'rnatilgan chegaralarni olish boshqa ko'plab muammolarga qaraganda qiyinroq bo'lgan.