İkiqat inteqral

İkiqat inteqral birdən çox dəyişəni olan funksiyaların müəyyən inteqralının ümumi formasıdır, məsələn f(x, y) və ya f(x, y, z). R² sahəsində ikidəyişənli funksiyanın inteqralı ikiqat inteqral,R³ sahəsində üçdəyişənli funksiyanın inteqralı isə üçqat inteqral adlanır.

İnteqral iki əyrinin arasındakı sahə kimi

Giriş

Birdəyişənli müsbət funksiyanın müəyyən inteqralının funksiya ilə x oxu arasındakı hissənin sahəsini ifadə etdiyi kimi, ikidəyişənli müsbət funksiyanın ikiqat inteqralı da funksiya tərəfindən təyin olunan əyri ilə (üçdəyişənli Kartezian müstəvisində z = f(x, y)) sahəni əhatə edən müstəvinin həcmini təyin edir. (Eyni həcm üçqat inteqralla da tapıla bilər f(x, y, z) = 1) Əgər funksiya çoxdəyişənlidirsə o zaman ikiqat integral çoxölçülü funksiyanın hiper həcmini ifadə edəcək.

Riyazi tərif

 n > 1 halı üçün "yarı açıq" n-ölçülü hiper dördbucaqlı T domeninin təyinatı:

${\displaystyle T=\left[a_{1},b_{1}\right)\times \left[a_{2},b_{2}\right)\times \cdots \times \left[a_{n},b_{n}\right)\subseteq \mathbf {R} ^{n}.}$

Hər interval bölgüsü [a_j, b_j) sonlu I_j ailəsinin örtüşməyən alt intervalı olan i_jα, ilə sol tərəfdən bağlı sağ tərəfdən isə açıqdır.

Beləliklə sonlu alt dördbucaqlı ailəsi olan C 

${\displaystyle C=I_{1}\times I_{2}\times \cdots \times I_{n}}$

şəklində verilir və T `nin bir bölgüsüdür;alt dördbucaqlı C<sub>k</sub> örtüşməyəndir və onların birləşməsi T `dir.

 f : T → R , Tüzərində təyin olunan funksiyadır. Hesab edək ki T `nin hissəsi olan C, m ald dördbucaqlılar ailəsidir, C_m və

${\displaystyle T=C_{1}\cup C_{2}\cup \cdots \cup C_{m}}$

 (n + 1) ölcülü həcmin Riman cəmi

${\displaystyle \sum _{k=1}^{m}f(P_{k})\,\operatorname {m} (C_{k})}$

P_k , C_k `da yerləşən nöqtədir və m(C_k) intervalların uzunluqları hasilidir.

${\displaystyle S=\lim _{\delta \to 0}\sum _{k=1}^{m}f(P_{k})\,\operatorname {m} \,(C_{k})}$

.

Əgər f Riman mənada inteqrallanandırsa, S , T üzərində f funksiyasının Riman inteqralı adlanır və bu təyin olunur:

${\displaystyle \int \cdots \int _{T}\,f(x_{1},x_{2},\ldots ,x_{n})\,dx_{1}\!\cdots dx_{n}}$

Bu ifadə adətən aşağıdakı formada ifadə olunur:

${\displaystyle \int _{T}\!f(\mathbf {x} )\,d^{n}\mathbf {x} .}$

Xassələri

İkiqat inteqral bir dəyişənli inteqralla eyni xassələrə malikdir. (xəttilik, yerdəyişmə, monotonluq və s.). İkiqat inteqralın əsas vacib özəlliyi onun qiymətinin müəyyən şərt daxilindəki inteqralların quruluşundan aslı olmasıdır. Bu özəllik Fubin teoremi adlanır.

Xüsusi hallar

T ⊆ R2, halında, inteqral

${\displaystyle l=\iint _{T}f(x,y)\,dx\,dy}$

f funksiyasının T üzərində ikiqat inteqralı, və if T ⊆ R³ halında inteqral

${\displaystyle l=\iiint _{T}f(x,y,z)\,dx\,dy\,dz}$

f funksiyasının T üzərində üçqat inteqralı adlanır.

Sabit funksiyaların inteqrallanması

İnteqral c sabit funksiyası olarsa, inteqral c ilə domenin ölşüsünün hasilinə bərabərdir. Əgər c = 1 və domen R²`nin alt sahəsi olarsa, inteqral həmin hissənin sahəsinəf R<sup>3</sup>`ün alt sahəsi olarsa, həcminə bərabər olar

Nümunə. f(x, y) = 2 və

${\displaystyle D=\left\{(x,y)\in \mathbf {R} ^{2}\ :\ 2\leq x\leq 4\ ;\ 3\leq y\leq 6\right\}}$

o halda ki,

${\displaystyle \int _{3}^{6}\int _{2}^{4}\ 2\ dx\,dy=2\int _{3}^{6}\int _{2}^{4}\ 1\ dx\,dy=2\cdot {\mbox{area}}(D)=(2\cdot 3)\cdot 2=12}$,

tərifdən alırıq ki,

${\displaystyle \int _{3}^{6}\int _{2}^{4}\ 1\ dx\,dy={\mbox{area}}(D).}$

x- oxu

Əgər D domeni x-oxuna nəzərən normaldırsa və f : D → R kəsilməz funksiyadırsa o zaman α(x) və β(x) ( [a, b] intervalında təyin olunmuş) D domenini müəyyənləşdirən iki funksiyadır. Onda:

${\displaystyle \iint _{D}f(x,y)\,dx\,dy=\int _{a}^{b}dx\int _{\alpha (x)}^{\beta (x)}f(x,y)\,dy.}$

y-oxu

Əgər D domeni y-oxuna nəzərən normaldırsa və f : D → R əsilməz funksiyadırsa o zaman α(y) və β(y) ( [a, b]intervalında təyin olunmuş) D domenini müəyyənləşdirən iki funksiyadır. Onda:

${\displaystyle \iint _{D}f(x,y)\,dx\,dy=\int _{a}^{b}dy\int _{\alpha (y)}^{\beta (y)}f(x,y)\,dx.}$

Nümunə

İkiqat inteqral

${\displaystyle A=\left\{(x,y)\in \mathbf {R} ^{2}\ :\ 11\leq x\leq 14\ ;\ 7\leq y\leq 10\right\}{\mbox{ and }}f(x,y)=x^{2}+4y\,}$

İkiqat inteqral

${\displaystyle \int _{7}^{10}\int _{11}^{14}(x^{2}+4y)\,dx\,dy}$

x`dən aslı olan daxili inteqral birinci hesablanır və y sabit kimi qəbul olunur. Və sonda isə nəticə integral y`ə görə inteqrallanır.

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{11}^{14}\left(x^{2}+4y\right)\,dx&=\left[{\frac {1}{3}}x^{3}+4yx\right]_{x=11}^{x=14}\\&={\frac {1}{3}}(14)^{3}+4y(14)-{\frac {1}{3}}(11)^{3}-4y(11)\\&=471+12y\end{aligned}}}$

Və nəticəni y`ə görə inteqrallayırıq:

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{7}^{10}(471+12y)\ dy&={\Big [}471y+6y^{2}{\Big ]}_{y=7}^{y=10}\\&=471(10)+6(10)^{2}-471(7)-6(7)^{2}\\&=1719\end{aligned}}}$

Nəzərə almaq lazımdır ki, inteqrallama sırası dəyişə bilər;

${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{11}^{14}\int _{7}^{10}\,\left(x^{2}+4y\right)\,dy\,dx&=\int _{11}^{14}{\Big [}x^{2}y+2y^{2}{\Big ]}_{y=7}^{y=10}\,dx\\&=\int _{11}^{14}\,(3x^{2}+102)\,dx\\&={\Big [}x^{3}+102x{\Big ]}_{x=11}^{x=14}\\&=1719\end{aligned}}}$

Həcmin hesablanması

Yuxarıdakı metodları istifadə etməklə müxtəlif cisimlərin həcmini hesablaya bilərik.

• Silindr: Oturacağı R radiuslu çevrə olan h hündürlüyə sahib silindrin həcm düsturu:

${\displaystyle \mathrm {Volume} =\int _{0}^{2\pi }d\varphi \,\int _{0}^{R}h\rho \,d\rho =2\pi h\left[{\frac {\rho ^{2}}{2}}\right]_{0}^{R}=\pi R^{2}h}$

Bu həmçinin prizmanın həcm düsturuna da uyğundur

${\displaystyle \mathrm {Volume} ={\text{base area}}\times {\text{height}}}$.

• Sfera: R radiuslu sferanın həcmi sferik kordinatların köməyi ilə hesablana bilər:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{Volume}}&=\iiint _{D}f(x,y,z)\,dx\,dy\,dz\\&=\iiint _{D}1\,dV\\&=\iiint _{S}\rho ^{2}\sin \varphi \,d\rho \,d\theta \,d\varphi \\&=\int _{0}^{2\pi }\,d\theta \int _{0}^{\pi }\sin \varphi \,d\varphi \int _{0}^{R}\rho ^{2}\,d\rho \\&=2\pi \int _{0}^{\pi }\sin \varphi \,d\varphi \int _{0}^{R}\rho ^{2}\,d\rho \\&=2\pi \int _{0}^{\pi }\sin \varphi {\frac {R^{3}}{3}}\,d\varphi \\&={\frac {2}{3}}\pi R^{3}{\Big [}-\cos \varphi {\Big ]}_{0}^{\pi }={\frac {4}{3}}\pi R^{3}.\end{aligned}}}$

• Tetraedr . Tetraedrin həcm düsturu:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\text{Volume}}&=\int _{0}^{l}dx\int _{0}^{l-x}\,dy\int _{0}^{l-x-y}\,dz\\&=\int _{0}^{l}dx\int _{0}^{l-x}(l-x-y)\,dy\\&=\int _{0}^{l}\left(l^{2}-2lx+x^{2}-{\frac {(l-x)^{2}}{2}}\right)\,dx\\&=l^{3}-ll^{2}+{\frac {l^{3}}{3}}-\left[{\frac {l^{2}x}{2}}-{\frac {lx^{2}}{2}}+{\frac {x^{3}}{6}}\right]_{0}^{l}\\&={\frac {l^{3}}{3}}-{\frac {l^{3}}{6}}={\frac {l^{3}}{6}}\end{aligned}}}$

Bu həmçinin piramidanın həcm düsturuna uyğundur

${\displaystyle \mathrm {Volume} ={\frac {1}{3}}\times {\text{base area}}\times {\text{height}}={\frac {1}{3}}\times {\frac {l^{2}}{2}}\times l={\frac {l^{3}}{6}}.}$