11. cvičení z Matematické analýzy 2

Podobné dokumenty
10. cvičení z Matematické analýzy 2

11. cvičení z Matematické analýzy 2

11. cvičení z Matematiky 2

y ds, z T = 1 z ds, kde S = S

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3 - VÍCENÁSOBNÉ INTEGRÁLY. x 2. 3+y 2

14. cvičení z Matematické analýzy 2

1. a) Určete parciální derivace prvního řádu funkce z = z(x, y) dané rovnicí z 3 3xy 8 = 0 v

12 Trojný integrál - Transformace integrálů

ˇ EDNA SˇKA 9 DALS ˇ I METODY INTEGRACE

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

13. cvičení z Matematické analýzy 2

Řešení : Těleso T je elementárním oborem integrace vzhledem k rovině (x,y) a proto lze přímo aplikovat Fubiniovu větu pro trojný integrál.

Veronika Chrastinová, Oto Přibyl

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2016) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

je omezena + =,,0 1 je omezena,0 2,0 2,0 je horní polovina koule + + je omezena + =1, + + =3, =0

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2017) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

Kapitola 8: Dvojný integrál 1/26

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Transformujte diferenciální výraz x f x + y f do polárních souřadnic r a ϕ, které jsou definovány vztahy x = r cos ϕ a y = r sin ϕ.

7. Integrál přes n-rozměrný interval

14. cvičení z Matematické analýzy 2

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

Plošný integrál funkce

(3) vnitřek čtyřúhelníka tvořeného body [0, 0], [2, 4], [4, 0] a [3, 3]. (2) těleso ohraničené rovinami x = 1, y = 0 z = x a z = y

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

[obrázek γ nepotřebujeme, interval t, zřejmý, integrací polynomu a per partes vyjde: (e2 + e) + 2 ln 2. (e ln t = t) ] + y2

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství MATEMATIKA 2

Řešení: Nejprve musíme napsat parametrické rovnice křivky C. Asi nejjednodušší parametrizace je. t t dt = t 1. x = A + ( B A ) t, 0 t 1,

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

1. Cvičení: Opakování derivace a integrály

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

Kapitola List v prostoru R 3 a jeho parametrizace

Plošný integrál Studijní text, 16. května Plošný integrál

III.4. Fubiniova (Fubiniho) věta pro trojný integrál

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

V. Riemannův(dvojný) integrál

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

1 Topologie roviny a prostoru

INTEGRACE KOMPLEXNÍ FUNKCE

VEKTOROVÁ POLE Otázky

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

4 Integrální počet funkcí více reálných proměnných

Integrace funkcí více proměnných, numerické metody

Matematická analýza III.

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

Parametrické rovnice křivky

VEKTOROVÁ POLE VEKTOROVÁ POLE

2. DVOJROZMĚRNÝ (DVOJNÝ) INTEGRÁL

svou hloubku, eleganci i široké spektrum aplikací bývají tyto věty považovány za jedny

+ 2y y = nf ; x 0. závisí pouze na vzdálenosti bodu (x, y) od počátku, vyhovuje rovnici. y F x x F y = 0. x y. x x + y F. y = F

1 Funkce dvou a tří proměnných

Pedagogická fakulta. Aplikovaná matematika - sbírka řešených

Parciální derivace a diferenciál

PLOŠNÉ INTEGRÁLY V praxi se vyskytuje potřeba integrovat funkce nejen podle křivých čar, ale i podle křivých ploch (např. přes povrch koule).

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Katedra matematiky Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze Příjmení a jméno ➊ ➋ ➌ ➍ ➎ ➏ Bonus

OBECNOSTI KONVERGENCE V R N

R β α. Obrázek 1: Zadání - profil složený ze třech elementárních obrazců: 1 - rovnoramenný pravoúhlý trojúhelník, 2 - čtverec, 3 - kruhová díra

Parciální derivace a diferenciál

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2017

Mateřská škola a Základní škola při dětské léčebně, Křetín 12

Hledáme lokální extrémy funkce vzhledem k množině, která je popsána jednou či několika rovnicemi, vazebními podmínkami. Pokud jsou podmínky

1. Je dána funkce f(x, y) a g(x, y, z). Vypište symbolicky všechny 1., 2. a 3. parciální derivace funkce f a funkce g.

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

Diferenciální počet funkcí více proměnných

II. 5. Aplikace integrálního počtu

ELEKTŘINA A MAGNETIZMUS Řešené úlohy a postupy: Spojité rozložení náboje

12. Křivkové integrály

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2014

1/15. Kapitola 2: Reálné funkce více proměnných

VKM/IM /2015. Zintegrujte. f (x, y) dx dy = f (x, y) = (y x) 2, Ω : x 2 + y 2 4, x 0.

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

UNIVERZITA PALACKÉHO V OLOMOUCI

Křivkové integrály prvního druhu Vypočítejte dané křivkové integrály prvního druhu v R 2.

SBÍRKA PŘÍKLADŮ Z MATEMATICKÉ ANALÝZY 3 Jiří Bouchala. Katedra aplikované matematiky, VŠB TU Ostrava jiri.bouchala@vsb.cz

CVIČENÍ č. 3 STATIKA TEKUTIN

FAKULTA STAVEBNÍ MATEMATIKA II MODUL 1 STUDIJNÍ OPORY PRO STUDIJNÍ PROGRAMY S KOMBINOVANOU FORMOU STUDIA

Úvodní informace. 17. února 2018

MFT - Matamatika a fyzika pro techniky

Matematika pro chemické inženýry

2. Určte hromadné body, limitu superior a limitu inferior posloupností: 2, b n = n. n n n.

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

Ve srovnání s křivkami, kterými jsme se zabývali v Kapitole 5, je plocha matematicky

5. cvičení z Matematiky 2

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

1.1 Existence a jednoznačnost řešení. Příklad 1.1: [M2-P1] diferenciální rovnice (DR) řádu n: speciálně nás budou zajímat rovnice typu

PŘÍKLADY K MATEMATICE 2

1. Přirozená topologie R n

Matematika 1 MA1. 1 Analytická geometrie v prostoru - základní pojmy. 4 Vzdálenosti. 12. přednáška ( ) Matematika 1 1 / 32

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Matematika III 5. přednáška Lineární programování, integrace funkcí více proměnných

Transkript:

11. cvičení z Matematické analýzy 11. - 15. prosince 17 11.1 (trojný integrál - Fubiniho věta) Vypočtěte (i) xyz dv, kde je ohraničeno plochami y x, x y, z xy a z. (ii) y dv, kde je ohraničeno shora rovinou z x + y a leží nad oblastí v rovině z ohraničené křivkami y x, y, x 1. (iii) xy dv, kde je čtyřstěn s vrcholy (,, ), (, 1, ), (1, 1, ) a (, 1, 1). Fubiniho věta (pro trojný integrál): Necht R 3 je oblast integrace a f : R je funkce integrabilní v absolutní hodnotě (např. spojitá a omezená). Pak ( ) f dv f(x, y, z) dz ds, 1, () ({x} {y} R) kde 1, : R 3 R je projekce, 1, (x, y, z) (x, y) a ds znamená integraci podle zbylých proměnných, tj. x a y. Případně: ( ( ) ) f dv f(x, y, z) dz dy dx 1 () ({x} R) 1, () ( 1 () kde 1 : R 3 R je opět projekce, 1 (x, y, z) x. ({x} R ) ({x} {y} R) ) f(x, y, z) dz dy dx Průniky uvedené v integrálech nejsou nic jiného než jednorozměrné řezy příslušných množin, tj. vlákna (která ale nemusí být souvislá). Po zintegrování podél vlákna, pak integrujeme přes příslušný průmět dané množiny (zde přes 1, ()), kde postup opakujeme (tj. průmět opět řežeme na vlákna atd.) Jiná možnost, jak spočítat integrál, pak je množinu nejdříve nařezat na dvourozměrné plátky, přes ně integrovat danou funkci a výsledek pak zintegrovat přes jednorozměrný průmět množiny do směru zbylé souřadnice (zde přes 1 ()). (i) Oblast integrace je Máme tedy : z xy, x y x, x 1.

xyz dv (ii) Oblast integrace je x xy x xyz dz dy dx 1 8 x x ( 1 6 1 ) 1 (xy) 3 1 96. dy dx 1 x 5 x 11 dx 8 : z x + y, y x, x 1. I zde platí y dv x x+y y dz dy dx x y(x + y) dy dx [ y x + y3 3 ] yx y dx x 5 + x6 3 dx 1 1 + 1 5 8. (iii) Oblast integrace je množina ohraničená rovinami x, y 1, z a z y x. Tedy můžeme psát např. Máme tedy : z y x, x y, y 1. xy dv y y x xy dz dx dy y y 4 y4 3 dy y x x y dx dy [ y 5 3 ] y1 y 1 3. ] xy [y x x3 3 y x dy 11. (trojný integrál - Fubiniho věta) Načrtněte oblast integrace a spočítejte integrály: (i) 3 3x 3 3x y dz dy dx (ii) z ln(sin y) e x dx dz dy. Page

(i) Oblast integrace je : x 1 & y 3 3x & z 3 3x y což je čtyřstěn s vrcholy (,, ), (1,, ), (, 3, ) a (,, 3). Integrál vyjadřuje jeho objem (který bychom asi uměli spočítat i jinak, ale my ho pro procvičení zintegrujeme). Máme tedy 3 3x 3 3x y dz dy dx 3 3x (3 3x y) dy dx (3 3x) (3 3x) dx (ii) Oblast integrace je 9 (1 x) dx 9 1 3 3. Průmět,3 () množiny do roviny yz je tvaru : y & ln(sin y) z & x z.,3 () : y & ln(sin y) z což vypadá jako hranaté obráceně písmeno s nekonečnými zužujícími se konci. Celkově pak vypadá jako nekonečně dlouhý -profil, který je šikmo seříznutý směrem dolů. Oblast je sice nekonečna, ale funkce v integrandu je opět nezáporná, takže můžeme použít Fubiniho větu: z ln(sin y) e x dx dz dy ln(sin y) e z dz dy [e z] z zln(sin y) dy (1 sin y) dy. 11.3 (cylindrické souřadnice) Zapište integrály pomocí cylindrických souřadnic a pak je spočítejte: (i) 4 x 4 x x +y (x + y ) dz dy dx. (ii) 1 x 1 1 x x y (x + y 3 ) dz dy dx. x +y (iii) 1 1 y x +y x +y xyz dz dx dy. Page 3

Cylindrické souřadnice jsou tvaru: tj. Φ :, + ), R R 3, kde Φ : Φ cos ϕ r sin ϕ sin ϕ r cos ϕ 1 x r cos ϕ y r sin ϕ z z a det Φ r. neboli a tedy (i) Oblast integrace je : x & y 4 x & x + y z : x 4 & x + y 4 & x + y z : x + y z, což je kužel s výškou a poloměrem podstavy také, který stojí na svém vrcholu v počátku. Jako parametrizaci si vezmeme Můžeme tedy psát 4 x 4 x : r z & ϕ. (x + y ) dz dy dx (x + y ) dv x +y Φ() z r r dv r 3 dϕ dr dz z z 4 dz 1 5 16 5. r 3 dr dz neboli (ii) Oblast je popsána jako a ekvivalentně : 1 x 1 & 1 x y 1 x & x + y z x y : x 1 & y 1 x & x + y z x y : x + y 1 & x + y z x y což je prostě oblast ležící nad kruhem o poloměru 1 v rovině xy a je sevřena mezi grafy dvou funkcí (celkově vypadá jako čočka ). Ještě si pro pořádek ověříme, že průmět oblasti do roviny xy je skutečně kruh o průměru 1 (jinak by totiž zadání nemělo smysl). Zřejmě ale je Page 4

x + y x y x + y 1 takže je to v pořádku. V cylindrických souřadnicích Φ je parametrizací Φ() množina Pak můžeme psát 1 x 1 1 x x y x +y (x + y ) 3 dz dy dx Φ() (x + y ) 3 dv r 3 r dϕ dz dr 4 r r r 3 dϕ dz dr ( 1 r 3 (1 r ) dr 4 4 1 ) 6 3. r r r 3 dz dr neboli (ii) Oblast je popsána jako a ekvivalentně : 1 x 1 & y 1 x & x + y z x + y : y & x + y 1 & x + y z x + y : y & x + y z x + y což je prostor ležící mezi o rotačním paraboloidem z x + y a kuželem z x + y a to celé ještě v poloprostoru určeném y. Průmět oblasti do roviny xy je skutečně polokruh (určený pomocí y ) o průměru 1: x + y x + y x + y 1 takže je to v pořádku. V cylindrických souřadnicích Φ je parametrizací Φ() množina : ϕ & r 1 & r z r. Pak můžeme psát 1 1 y x +y r z cos ϕ sin ϕ r dϕ dz dr xyz dz dx dy x +y r r r 3 z Φ() xyz dv cos ϕ sin ϕ dϕ } {{ } dz dr. 11.4 (cylindrické souřadnice) Page 5

Vypočítejte hodnotu integrálu x dv, kde : x + y z & y & x. Oblast je čtvrtina kužele. K výpočtu integrálu proto použijeme cylindrické souřadnice: Φ : x r cos ϕ y r sin ϕ z z s parametrizací oblasti Φ() jako Pak máme : r z & z & ϕ. x dv Φ() r 3 cos ϕ dv 1 4 z z 4 dz r 3 cos ϕ dr dzdϕ 1 4 cos ϕ dϕ 8 5. z 4 cos ϕ dzdϕ 11.5 (sférické souřadnice) Spočítejte xe (x +y +z ) dv kde je oblast mezi sférami se středy v počátku a poloměry 1 a. Pro oblast použijeme sférické souřadnice Ψ : x (r sin ϑ) cos ϕ y (r sin ϑ) sin ϕ z r cos ϑ a parametrizace Ψ() pak bude : 1 r & ϕ & ϑ. Pro jakobián máme det Ψ r sin ϑ Page 6

a můžeme tedy psát Ψ() xe (x +y +z ) dv r sin ϑ cos ϕ e r4 r sin ϑ dr dϕ dϑ 1 r 3 e r4 dr cos ϕ dϕ } {{ } sin ϑ dϑ. 11.6 (sférické souřadnice) Vypočtěte těžiště tělesa : x + y + z R & z tan(α ) x + y, s hustotou σ 1, kde R > a α (, ) jsou parametry. Těleso je průnikem koule o poloměru R a kužele s vrcholovým úhlem α, jehož špička je ve středu koule. Výhodné tedy bude použít opět sférické souřadnice Ψ : Parametrizace Ψ() pak bude x (r sin ϑ) cos ϕ y (r sin ϑ) sin ϕ z r cos ϑ : r R & ϕ & ϑ α Pro těžiště musíme nejdříve spočítat hmotnost: m 1 dv Ψ() R α r sin ϑ dv r sin ϑ dϕ dϑ dr R α r sin ϑ dϑ dr (1 cos α ) R r dr 3 R3 (1 cos α ). Protože těleso je rotačně symetrické podle osy z, budou x-ová i y-ová souřadnice těžiště obě nulové. Zbývá tedy spočítat z-ovou souřadnici těžiště: T 3 1 m m R Ψ() z dv 1 m r 3 cos ϑ sin ϑ dϕ dϑ dr 1 m R α 3 sin ϑ r dϕ dϑ dr α r 3 dr sin ϑ dϑ R4 8m (1 cos α ) 3R 16 1 cos α 3R 1 cos α 8 (1 + cos α ). Page 7

11.7 (cylindrické souřadnice) rčete těžiště homogenního kužele s výškou h > a poloměrem podstavy R >. Kužel : z h & x + y R h z, tentokrát pro změnu zintegrujeme tak, že ho nejdříve rozřežeme horizontálně na kruhy a ty pak zintegrujeme v závislosti na výšce. Využijeme známý vzorec na obsah kruhu o daném poloměru. hmotnost: m 1 dv h ( ) 1 dxdy dz x +y R h z h ( ) R h z dz 3 R h Protože těleso je rotačně symetrické podle osy z, budou x-ová i y-ová souřadnice těžiště obě nulové. Zbývá tedy spočítat z-ovou souřadnici těžiště: T 3 1 m z dv 1 m h ( ) z dxdy dz 1 m x +y R h z h ( ) R h z z dz 1 m 4 R h 3 4 h. Z postupu je vidět, že při integraci záleží pouze na ploše horizontálních řezu (přesněji na závislostí plochy na výšce) a tedy stejný výsledek (těžiště je ve čtvrtině výšky nad podstavou) dostaneme pro kužel s jakýmkoliv tvarem podstavy (např. pyramidu atd.). 11.8 (obecnější sférické souřadnice) Vypočtěte těžiště tělesa : a + y b + z 1 & x, y, z, c s hustotou σ 1, kde a, b, c > jsou parametry. x Oblast integrace je osmina obecného elipsoidu. Použijeme proto upravené sférické souřadnice Φ (které parametrizují tento elipsoid): x/a (r sin ϑ) cos ϕ Φ : y/b (r sin ϑ) sin ϕ, z/c r cos ϑ které vzniknou složením klasických sférických souřadnic Ψ a lineární transformace L, která deformuje jednotlivé osy: Φ L Ψ, L( x, ỹ, z) : (a x, bỹ, c z). Máme tedy protože Φ L Ψ a det Φ (det L ) (det Ψ ) abc r sin ϑ, L a b c. Page 8

Parametrizace oblasti Φ() je : r 1 & ϕ & ϑ. Výpočet hmotnosti m oblasti si usnadníme znalostí objemu koule o poloměru 1 (označme ji jako K) a toho, že objem je jedna osmina objemu celého původního elipsoidu, který označme např. jako F. Protože F L(K), máme: m 1 dv 1 1 dv 1 det L dv 8 8 abc 8 K F L(K) K 1 dv abc 8 4 3 abc 6. Pro zjištění těžiště T (T 1, T, T 3 ) se nyní stačí omezit jen na jednu složku (např. T 3 ), protože ostatní lze analogicky získat příslušným natočením elipsoidu do daného směru a zopakováním výpočtu. Máme tedy T 3 1 z dv 1 (cr cos ϑ) (abc r sin ϑ) dv m m 3c Φ() r 3 sin ϑ dϕ dϑ dr 3c Podobně tedy budeme mít T 1 3 8 a a T 3 8 b. r 3 dr sin ϑ dϑ 1 dϕ 3 8 c. Page 9