О многократных интегралах — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(Новая страница: «{{В разработке}}»)
 
 
(не показаны 2 промежуточные версии 2 участников)
Строка 1: Строка 1:
{{В разработке}}
+
Идеология построения многократных интегралов полностью копирует двойные.
 +
 
 +
== Пункт 1. Основные определения ==
 +
<tex>\Pi = [a_1; b_1] \times [a_2; b_2] \times \ldots \times [a_n; b_n] \subset \mathbb{R}^n</tex>
 +
 
 +
<tex>y = f(\bar x) = f(x_1; x_2; \ldots; x_n)</tex>
 +
 
 +
<tex>\tau_j : a_j = a_{j0} < a_{j1} < \ldots < a_{jp_j} = b_j</tex>
 +
 
 +
<tex>\Pi_{i_1i_2\ldots i_n} = [a_{1i_1}; a_{1i_1 + 1}] \times [a_{2i_2}; a_{2i_2 + 1}] \times \ldots \times [a_{ni_n}; a_{ni_n + 1}]</tex>
 +
 
 +
{{Определение
 +
|definition=
 +
<tex>\sum f(x_{i_1}, x_{i_2}, \ldots, x_{in}) \Delta a_{1i_1} \Delta a_{2i_2} \ldots \Delta a_{ni_n}</tex> {{---}} интегральная сумма.
 +
}}
 +
 
 +
После этого одновременно все ранги разбиения устремляются к нулю. Если предел не зависит от выбора точек внутри клеток, то эта сумма
 +
называется <tex>n</tex>-кратным интегралом Римана по прямоугольнику.
 +
 
 +
<tex>\int\limits_\Pi f = \int\limits_{a_1}^{b_1} \ldots \int\limits_{a_n}^{b_n} f(x_1; x_2; \ldots x_n) dx_1 dx_2 \ldots dx_n</tex>
 +
 
 +
Далее, по аналогии, выводим линейность и аддитивность, устанавливаем тот факт, что <tex>f</tex> {{---}} непрерывная <tex>\Rightarrow</tex> <tex>\exists \int f</tex>
 +
 
 +
Финально, формула повторного интеграла по <tex>\Pi</tex>:
 +
 
 +
<tex>\int\limits_\Pi f = \int\limits_{a_1}^{b_1} dx_1 \ldots \int\limits_{a_n}^{b^n} f(x_1, \ldots, x_n) dx_n</tex>
 +
 
 +
== Пункт 2. Интеграл по произвольному множеству ==
 +
 
 +
<tex>E \subset \mathbb{R}^n</tex>, <tex>E \subset \Pi</tex>, <tex>f : E \to \mathbb{R}</tex>,
 +
<tex>f_E(\bar x) = \begin{cases}0 & , \bar x \not\subset E\\f(\bar x) & , \bar x \subset E\end{cases}</tex>
 +
 
 +
Проверяем существование <tex>\int\limits_\Pi f_E</tex>. Если этот интеграл существует, то по аддитивности проверяем, что
 +
он не зависит от <tex>\Pi \supset E</tex>, что позволяет по определению считать, что
 +
<tex>\int\limits_E f = \int\limits_{\Pi \supset E} f_E</tex>
 +
 
 +
Это определение уже диктует все свойства <tex>\int\limits_E</tex>. Как и в двойном интеграле выясняется, что всё имеет смысл только
 +
для тех <tex>E \subset \mathbb{R}^n</tex>, для которых <tex>\exists\int\limits_E 1 = |E|</tex> {{---}} 'объём' <tex>n</tex>-мерной фигуры, а саму
 +
фигуру продолжают называть 'квадрируемой'.
 +
 +
<tex>E</tex> {{---}} квадрируема <tex>\iff</tex> <tex>|\partial E| > 0</tex> (объём границы равен 0).
 +
 
 +
Выводятся свойства линейности и аддитивности.
 +
 
 +
Добавление очередной размерности позволяет писать в разных формах формулу повторного интегрирования, оперируя сечениями фигур, которые получаются
 +
за счёт введения <tex>m</tex>-мерных гиперплоскостей.
 +
 
 +
Например, в <tex>\mathbb{R}^3</tex>: <tex>E = \{(x, y) \in G \subset \mathbb{R}^2, z \in (g_1(x, y), g_2(x, y))) \}</tex>
 +
 
 +
Тогда <tex>\iiint\limits_E f(x, y, z) dx dy dz = \iint\limits_G dx dy \int\limits_{g_1(x, y)}^{g_2(x, y)} f(x, y, z) dz</tex>
 +
 
 +
Все формулы получаются элементарно: <tex>E \subset \Pi</tex>, <tex>\int\limits_E f = \int\limits_\Pi f_E</tex>. Тут уже есть повторный интеграл.
 +
Далее, для точек сечения вне <tex>E</tex> <tex>f(\bar x) = 0</tex>. Получается переменный предел интегрирования.
 +
 
 +
== Пункт 3. Замена переменных интегрирования ==
 +
 
 +
Если исходные переменные выражаются через <tex>n</tex> других,
 +
 
 +
<tex>\mathcal{J}(u_1, \ldots, u_n) = \left|\begin{array}{ccc}\frac{\partial x_1}{\partial u_1} & \cdots & \frac{\partial x_1}{\partial u_n} \\\vdots & \ddots & \vdots \\\frac{\partial x_n}{\partial u_1} & \cdots & \frac{\partial x_n}{\partial u_n} \\\end{array}\right| \ne 0</tex>
 +
 
 +
<tex>\int\limits_E f(\bar x) d \bar x = \int\limits_{E'} f(\bar x(\bar u)) |\mathcal{J}(\bar u)| d \bar u</tex>
 +
 
 +
Так же, как и с двойным интегралом, важнейшим этапом доказательства является то, что <tex>E = \int\limits_E |\mathcal{J}(\bar u)|d \bar u</tex>.
 +
 
 +
Однако, это скорее геометрический факт, нежели факт анализа.
 +
 
 +
[[Категория:Математический анализ 1 курс]]

Текущая версия на 06:36, 17 января 2012

Идеология построения многократных интегралов полностью копирует двойные.

Пункт 1. Основные определения[править]

[math]\Pi = [a_1; b_1] \times [a_2; b_2] \times \ldots \times [a_n; b_n] \subset \mathbb{R}^n[/math]

[math]y = f(\bar x) = f(x_1; x_2; \ldots; x_n)[/math]

[math]\tau_j : a_j = a_{j0} \lt a_{j1} \lt \ldots \lt a_{jp_j} = b_j[/math]

[math]\Pi_{i_1i_2\ldots i_n} = [a_{1i_1}; a_{1i_1 + 1}] \times [a_{2i_2}; a_{2i_2 + 1}] \times \ldots \times [a_{ni_n}; a_{ni_n + 1}][/math]


Определение:
[math]\sum f(x_{i_1}, x_{i_2}, \ldots, x_{in}) \Delta a_{1i_1} \Delta a_{2i_2} \ldots \Delta a_{ni_n}[/math] — интегральная сумма.


После этого одновременно все ранги разбиения устремляются к нулю. Если предел не зависит от выбора точек внутри клеток, то эта сумма называется [math]n[/math]-кратным интегралом Римана по прямоугольнику.

[math]\int\limits_\Pi f = \int\limits_{a_1}^{b_1} \ldots \int\limits_{a_n}^{b_n} f(x_1; x_2; \ldots x_n) dx_1 dx_2 \ldots dx_n[/math]

Далее, по аналогии, выводим линейность и аддитивность, устанавливаем тот факт, что [math]f[/math] — непрерывная [math]\Rightarrow[/math] [math]\exists \int f[/math]

Финально, формула повторного интеграла по [math]\Pi[/math]:

[math]\int\limits_\Pi f = \int\limits_{a_1}^{b_1} dx_1 \ldots \int\limits_{a_n}^{b^n} f(x_1, \ldots, x_n) dx_n[/math]

Пункт 2. Интеграл по произвольному множеству[править]

[math]E \subset \mathbb{R}^n[/math], [math]E \subset \Pi[/math], [math]f : E \to \mathbb{R}[/math], [math]f_E(\bar x) = \begin{cases}0 & , \bar x \not\subset E\\f(\bar x) & , \bar x \subset E\end{cases}[/math]

Проверяем существование [math]\int\limits_\Pi f_E[/math]. Если этот интеграл существует, то по аддитивности проверяем, что он не зависит от [math]\Pi \supset E[/math], что позволяет по определению считать, что [math]\int\limits_E f = \int\limits_{\Pi \supset E} f_E[/math]

Это определение уже диктует все свойства [math]\int\limits_E[/math]. Как и в двойном интеграле выясняется, что всё имеет смысл только для тех [math]E \subset \mathbb{R}^n[/math], для которых [math]\exists\int\limits_E 1 = |E|[/math] — 'объём' [math]n[/math]-мерной фигуры, а саму фигуру продолжают называть 'квадрируемой'.

[math]E[/math] — квадрируема [math]\iff[/math] [math]|\partial E| \gt 0[/math] (объём границы равен 0).

Выводятся свойства линейности и аддитивности.

Добавление очередной размерности позволяет писать в разных формах формулу повторного интегрирования, оперируя сечениями фигур, которые получаются за счёт введения [math]m[/math]-мерных гиперплоскостей.

Например, в [math]\mathbb{R}^3[/math]: [math]E = \{(x, y) \in G \subset \mathbb{R}^2, z \in (g_1(x, y), g_2(x, y))) \}[/math]

Тогда [math]\iiint\limits_E f(x, y, z) dx dy dz = \iint\limits_G dx dy \int\limits_{g_1(x, y)}^{g_2(x, y)} f(x, y, z) dz[/math]

Все формулы получаются элементарно: [math]E \subset \Pi[/math], [math]\int\limits_E f = \int\limits_\Pi f_E[/math]. Тут уже есть повторный интеграл. Далее, для точек сечения вне [math]E[/math] [math]f(\bar x) = 0[/math]. Получается переменный предел интегрирования.

Пункт 3. Замена переменных интегрирования[править]

Если исходные переменные выражаются через [math]n[/math] других,

[math]\mathcal{J}(u_1, \ldots, u_n) = \left|\begin{array}{ccc}\frac{\partial x_1}{\partial u_1} & \cdots & \frac{\partial x_1}{\partial u_n} \\\vdots & \ddots & \vdots \\\frac{\partial x_n}{\partial u_1} & \cdots & \frac{\partial x_n}{\partial u_n} \\\end{array}\right| \ne 0[/math]

[math]\int\limits_E f(\bar x) d \bar x = \int\limits_{E'} f(\bar x(\bar u)) |\mathcal{J}(\bar u)| d \bar u[/math]

Так же, как и с двойным интегралом, важнейшим этапом доказательства является то, что [math]E = \int\limits_E |\mathcal{J}(\bar u)|d \bar u[/math].

Однако, это скорее геометрический факт, нежели факт анализа.