Ana içerik
Çok Değişkenli Kalkülüs
Konu: Çok Değişkenli Kalkülüs > Ünite 4
Ders 6: Kutupsal KoordinatlarDikdörtgen olmayan bölgelerde çift katlı integraller
Çift katlı integralleri güçleştiren, dikdörtgen formlu olmayan bölgelerin sınırlarını bulmaktır. Burada bunun ne anlama geldiğini açıklayacak ve birkaç problem çözerek alıştırma yapacağız.
Arka plan
Neye ulaşıyoruz
- Eğer x, y düzleminin dikdörtgen olmayan bir bölgesinde integral almak istiyorsanız, içteki integralin sınırlarının her birisini dıştaki değişkenin bir fonksiyonu olarak ifade etmelisiniz.veya alternatif olarak,
Dikdörtgen olmayan bölgelerle problem
Şu fonksiyonu düşünün
Grafiği şuna benzer:
Bu grafiğin bir kısmının altındaki hacmi bulacağız. Bir önceki makalenin aksine, bu hacim x, y-düzleminde dikdörtgensel bir bölgenin üstünde bulunmaz. Bunun yerine, tabanı bir üçgen olan bir hacim arıyoruz. Spesifik olarak, aşağıda resmi olan üçgenin.
Bu bir ikizkenar üçgendir, üçgenin kısa kenarlarından birisi x ekseninde left parenthesis, 0, comma, 0, right parenthesis ve left parenthesis, 2, comma, 0, right parenthesis noktalarını birleştirir, diğer kısa kenar ise left parenthesis, 2, comma, 0, right parenthesis ve left parenthesis, 2, comma, 2, right parenthesis noktalarını birleştirir. Bu üçgenin üstündeki ve f, left parenthesis, x, comma, y, right parenthesis, equals, x, y, squared grafiğinin altındaki hacim böyle gözükür:
Bu, bir önceki makalede gsöterdiğim iki katlı integrali tanıtan problemle benzerlik gösterir. Ve gerçekten de, bunu çözmenin yolu benzerdir.
- Bir integral kullanarak alan dilimleri için bir formül bulun.
- Bu sonsuz çok dilimlerin alanlarını toplayarak hacmi elde etmek için ikinci bir integral kullanın.
Şimdi zor kısım sınırlardır. Örneğin, bu hacmin sabit x değerlerini temsil eden dilimlerini düşünün. Aşağıdaki animasyon, x-değeri 0 ila 2 arasında değiştikçe, bu dilimlerin neye benzediğini gösterir.
Bu dilimlerden birinin yüksekliği, f, left parenthesis, x, comma, y, right parenthesis, equals, x, y, squared grafiğinin tabanın üstündeki yüksekliğine göre değişir. Ama dilimin tabanının uzunluğu da değişir. Örneğin, x, equals, 0, comma, 5 olduğunda, tabandaki y değeri 0 ile 0, comma, 5 arasında değişebilir, aşağıdaki düşey kırmızı şeritte olduğu gibi.
Alternatif olarak, x, equals, 1, comma, 5 olduğunda y değeri 0 ile 1, comma, 5 arasında değişir:
Buna göre, bu sabit-x-değerli dilimlerde birini bulmak için bir integral kurduğumuzda, üst sınır x cinsinden yazılır.
Hesaplamalarımızı düşünürseniz, sınırların birini x cinsinden yazmak gayet iyidir. Sonunda, x cinsinden bir ifade elde edeceğiz. Devam edin ve integrali kendiniz bulun:
Burada, yeni bir şey yoktur. Biraz derinlik vermek için bu değeri d, x ile çarpın, ve böylece sonsuz küçüklükte bir hacim yapın. Sonra, x'e göre integral aldığımızda, sınırlar sabittir, x, equals, 0 ve x, equals, 2, çünkü üçgenimizin tabanı x-ekseninde burada bulunur.
Bu nedenle, toplam hacim start fraction, 32, divided by, 15, end fraction, approximately equals, 2, comma, 13'tür.
Bir disk üzerinde integral alma
Şimdi biraz daha zor bir şey deneyelim: birim diskle sınırlanan bir grafiğin altındaki hacmi bulma. x, y-düzlemindeki birim disk, şu left parenthesis, x, comma, y, right parenthesis noktalarıdır
Örneğin, grafiğin altındaki hacim,
birim diskle sınırlanan şuna benzer
Bir kez daha, bu hacmin sabit x değerlerine karşılık gelen dilimlerini düşünün.
Bu dilimlerden her birisinin tabanının x, y düzleminde nasıl gözüktüğünü düşünün. Her dilim, birim diskteki bir düşey şeritle eşleşir.
Pisagor teoremini kullanarak, bu şeritin üstünü ve altına belirleyen y
değerlerini, şeritin temsil ettiği x-değeri cinsinden bir fonksiyon olarak bulabiliriz.
Şimdi bu sabit-x-değeri dilimlerinden birinin alanını bulmak için f, left parenthesis, x, comma, y, right parenthesis'nin y'ye göre integralini alabiliriz. Yine, bunun dikdörtgensel bölgeden farklı olduğu yer, bu sınırların x'e göre fonksiyonlar olmasıdır.
Kavram kontrolü: Aşağıdaki integrallerden hangisi aradığımız hacmin sabit x değerli bir diliminin alanını temsil eder?
Üstünde çalışın: Bu daha önceki örneklerden daha ağır bir hesaplamadır, ancak eğer buna hazır olduğunuzu düşünüyorsanız, x'in bir fonksiyonu olarak sabit-x-değerli dilimin alanı için bir formül elde etmek için bu integrali hesaplayın.
Birim diskteki x-değerleri x, equals, minus, 1 ile x, equals, 1 arasında değişir, o zaman aradığımız hacmi bulmak için, bulduğunuz ifadenin x'e göre minus, 1 ile 1 arasında integralini alın. Önceki gibi, bunu pek çok kağıt inceliğinde hacimleri toplamak gibi düşünebilirsiniz.
Bu zor bir integraldir, ama pragmatik olarak, herhangi bir bilgisayar cebir sistemi veya Wolfram Alpha gibi sayısal integral aracıyla çözebiliriz.
Toplam hacim:
Diğer yolla dilimleyin: Köpek balığı kuyruğu
Bazen sabit-y değeri dilimlerini düşünmek daha kolaydır, bu da x, y-düzlemindeki bölgenizi yatay şeritlerle kesmeyi gerektirir. Örneğin, x, y-düzleminde aşağıdaki özellikleri sağlayan bölgeyi düşünün:
Bu bölge bir köpek balığının sırt yüzgeci gibi görünmektedir:
Bölgenin sağ üst köşesi, x, equals, y, squared eğrisinin x, equals, y, plus, 2 doğrusuyla buluştuğu yerdedir. Bu nokta left parenthesis, 4, comma, 2, right parenthesis'dir.
Ayak izi bu bölge olan, ve yüksekliği nispeten basit bir çok değişkenli fonksiyonla belirlenen bir cismin hacmini bulalım:
Hacim böyle gözükür:
Bu sefer, bu hacmin sabit y-değeri dilimlerini kestiğinizi hayal edin. Bu, köpekbalığı bölgesinde yatay bir çizginin üstündeki alanı verir, aşağıda kırmızıyla gösterilen gibi.
Kavram kontrolü: Eğer bu yatay şeritlerden bir tanesi bir y değerine karşılık geliyorsa, bu şeridin x değerindeki sınırlar nelerdir? Yani, y'nin bir fonksiyonu olarak bu doğrunun sol ve sağ bitim noktalarının x koordinatları nelerdir?
Kavram kontrolü: Aşağıdaki integrallerden hangisi bu şeritlerden birisinin üstündeki ve f, left parenthesis, x, comma, y, right parenthesis, equals, x, plus, 2, y grafiğinin altındaki bir dilimin alanını y'nin bir fonksiyonu olarak temsil eder?
Kavram kontrolü: Hacmimizin sabit y değerli dilimlerinin alanını bulmak için bu integrali çözün.
Kavram kontrolü: Toplam hacmi elde etmek için y'nin bu fonksiyonunun integralini alırken hangi sınırları kullanmalıyız?
Bitirelim: Bu bölümün başında tanımlanan bölgenin hacmini bulmak için bu integrali çözün. (Hesap makinesi kullanabilirsiniz).
Özet
Dikdörtgen olmayan bir bölgede çift katlı integral almanız gerektiğinde, bu adımları izleyin.
- Bölgenizi, değişkenlerden bir tanesini sabit tutmayla eşleşen dilimler boyunca keserek başlayın. Örneğin, x'i bir sabit değerde tutmak bölgenizin düşey bir şeridini verecektir.
- Bu şeritlerin sınırlarını, diğer değişkenin bir fonksiyonu olarak nasıl ifade edeceğinizi bulun. Örneğin, düşey bir şeridin üstü ve altı x'in bir fonksiyonu olarak ifade edilecektir.
- Çift katlı integralinizi oluşturduğunuzda, içteki integral bu şeritlerin biri boyunca integral almaya karşılık gelecektir ve sınırların her birisi dıştaki değişkenin bir fonksiyonu olacaktır. Eğer içteki integral sabit x değerlerine karşılık geliyorsa, çift katlı integral bir bütün olarak böyle gözükebilir:Buna alternatif olarak, eğer yatay sabit y değerli dilimlerle başladıysanız, çift katlı integral böyle gözükebilir:
Tartışmaya katılmak ister misiniz?
Henüz gönderi yok.