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

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

10. cvičení z Matematické analýzy 2

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

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

ˇ EDNA SˇKA 9 DALS ˇ I METODY INTEGRACE

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

12 Trojný integrál - Transformace integrálů

11. cvičení z Matematické analýzy 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,

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,

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

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.

Veronika Chrastinová, Oto Přibyl

arcsin x 2 dx. x dx 4 x 2 ln 2 x + 24 x ln 2 x + 9x dx.

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}.

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

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

2. DVOJROZMĚRNÝ (DVOJNÝ) INTEGRÁL

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

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

7. Integrál přes n-rozměrný interval

Funkce zadané implicitně

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

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

11. cvičení z Matematické analýzy 2

Kapitola 8: Dvojný integrál 1/26

+ 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. Cvičení: Opakování derivace a integrály

PŘÍKLADY K MATEMATICE 3

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

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

13. cvičení z Matematické analýzy 2

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

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

14. cvičení z Matematické analýzy 2

Příklad 1. Řešení 1a Máme určit obsah rovinné plochy ohraničené křivkami: ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 14. a) =0, = 1, = b) =4, =0

Plošný integrál funkce

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

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

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

Diferenciální počet funkcí více proměnných

PŘEDNÁŠKA 9 KŘIVKOVÝ A PLOŠNÝ INTEGRÁL 1. DRUHU

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

Posloupnosti. n2 3n. lim. n4 + 2n. lim. n 1. n + n n. n! (n + 1)! n! lim. n ( 1)n! [1] lim. ln 2 n. lim. n n n sin n2 [0] lim. 2 n.

INTEGRÁLY S PARAMETREM

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

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)

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

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

Integrace funkcí více proměnných, numerické metody

Pedagogická fakulta. Aplikovaná matematika - sbírka řešených

= 0,1 1,3. je oblast ohraničená přímkami =, =, =0 :0 1, : =2, =, =1

má spojité parciální derivace druhého řádu ve všech bodech této množiny. Výpočtem postupně dostaneme: y = 9xy2 + 2,

III. Dvojný a trojný integrál

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.

11. cvičení z Matematiky 2

Kapitola List v prostoru R 3 a jeho parametrizace

Cvičení z AM-DI. Petr Hasil, Ph.D. Verze: 1. března 2017

4 Integrální počet funkcí více reálných proměnných

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství MATEMATIKA 2

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

EXTRÉMY FUNKCÍ VÍCE PROMĚNNÝCH

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

9.1 Definice a rovnice kuželoseček

Zkouška ze Základů vyšší matematiky ZVMTA (LDF, ) 60 minut. Součet Koeficient Body

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Úvodní informace. 17. února 2018

Matematická analýza 1, příklady na procvičení (Josef Tkadlec, )

Petr Hasil

1 Topologie roviny a prostoru

Derivace funkce Otázky

MFT - Matamatika a fyzika pro techniky

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

Sbírka příkladů z matematické analýzy II. Petr Tomiczek

Teorie. Hinty. kunck6am

Derivace funkce DERIVACE A SPOJITOST DERIVACE A KONSTRUKCE FUNKCÍ. Aritmetické operace

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Extrémy funkce dvou proměnných

VEKTOROVÁ POLE Otázky

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

Implicitní funkce. 2 + arcsin(x + y2 ) = arccos(y + x 2 ), [0, 0] , 5] stacionární bod?

VI. Derivace složené funkce.

Diferenciální rovnice separace proměnných verze 1.1

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

7. Derivace složené funkce. Budeme uvažovat složenou funkci F = f(g), kde některá z jejich součástí

Diferenciál funkce dvou proměnných. Má-li funkce f = f(x, y) spojité parciální derivace v bodě a, pak lineární formu (funkci)

Zkouška ze Aplikované matematiky pro Arboristy (AMPA), LDF, minut. Součet Koeficient Body. 4. [10 bodů] Integrální počet. 5.

Řešíme tedy soustavu dvou rovnic o dvou neznámých. 2a + b = 3, 6a + b = 27,

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

(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

F (x) = f(x). Je-li funkce f spojitá na intervalu I, pak existuje k funkci f primitivní funkce na intervalu I.

14. cvičení z Matematické analýzy 2

OBECNOSTI KONVERGENCE V R N

Plošný integrál Studijní text, 16. května Plošný integrál

Michal Zamboj. January 4, 2018

Transkript:

Spočtěte = { x, y) ; 4x + y 4 }. Dvojné a trojné integrály příklad 3 x y dx dy, Řešení: Protože obor integrace je symetrický vzhledem k ose x, tj. vzhledem k substituci [x; y] [x; y], a funkce fx, y) je lichá v proměnné y, tj. fx, y) = fx, y), je nejjednodušší provést substituci x = X y = Y = J = ; 4x + y 4 4X + Y 4. Po této substituci dostaneme I = x y dx dy = X Y dx dy = I = I = = x y dx dy =. Spočtěte = { x, y) ; y x, y x 4 }. xy dx dy, Řešení: Oblast integrace lze zapsat pomocí nerovností Podle Fubiniovy věty pak je xy dx dy = 4 y x y + 4 = y y + 8 = y 4. y+4 dy xy dx = 4 y y+4) 4 y4) dy = [ ] y 4 4 y 4 + 8y3 3 + 8y y6 = 9. 4 Spočtěte dx dy dz, = {x, y, z) ; x, y, z, x + y + z }. Řešení: Když zapíšeme integrační obor pomocí nerovností jako z x y, x, y = z x y, x, y, x y, lze použít Fubiniovu větu a psát = { x, y) R ; x, y, x + y }. Zapíšeme-li ještě množinu ve tvaru x y x y) dx dy, y x, x = y x, x, x = x a použijeme na integrál přes opět Fubiniovu větu, dostaneme dx x x y) dy = x) dx = [ 6 x)3] = 6. Typeset by MS-TEX

Určete těžiště tělesa v R 3, = { x, y, z) ; z x + y, x y }. Řešení: Souřadnice těžiště T = [ ] x T ; y T ; z T homogenního tělesa najdeme ze vzorce x T = x dx dy dz, y T = y dx dy dz, z T = z dx dy dz, V V V dx dy dz. Při výpočtu integrálů budeme používat Fubiniovu větu. Z rovnic popisujících množinu plyne, že platí x +y fx, y, z) dx dy fx, y, z) dz, množina = { x, y) R ; x y } = { x, y) R ; x y, x } = = { x, y) R ; x y, x }. Poslední tvar množiny je vhodný pro další použití Fubiniovy věty a vede k rovnosti x +y fx, y, z) dx dy fx, y, z) dz. Pro objem tělesa takto dostaneme dx x dy x +y [ x 3 = 3 x5 5 + x 3 x7 ] dz = = 88 5. x dx x + y ) dy = x x x 4 + 3 3 x6) dx = Při výpočtu souřadnice x T tělesa je nerychlejší si všimnout, že těleso je symetrické vzhledem k rovině yz, tj. vzhledem k transformaci [x; y; z] [ x; y; z]. V takovém případě vede substituce x = X, y = Y a z = Z ke vztahu x X dx dy dz = x dx dy dz x x T =. Pro výpočet souřadnice y T musíme najít integrál x +y y dx dy y dz = = Podobně dostaneme z x x + 4 x6 4 x8) dx = dx x dx y x + y ) dy = x [ x 3 6 + x ] 4 x7 4 x9 36 x +y dy z dz = dx x + y ) dy = x = x 4 + 3 x + 5 x6 3 x8 5 x) dx = = [ x 5 5 + x3 9 + x ] 5 x7 7 x9 7 x = 44 55 395. = 6.

Tedy souřadnice těžiště jsou x T =, y T =, z T = 53 89. Určete objem tělesa = { x, y, z) ; z x y, x + y, x, y }. Řešení: Ze zadání oblasti integrace je zřejmé, že podle Fubiniovy věty platí x y x y) dx dy, = { x, y) R ; x y, x + y, x, y }. Lze se přesvědčit, třeba s náčrtku v rovině, že podmínka x+y je důsledkem nerovnosti x +y. Proto lze psát = { x, y) R ; x + y, x, y }. bychom našli integrál přes množinu, zavedeme polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π, J = r. Množina je v proměnných r a ϕ dána nerovnostmi x + y = r <, x = r cos ϕ >, y = r sin ϕ > = < ϕ < π. Tedy hledaný objem je = dr / r r cos ϕ r sin ϕ) = πr r ) dr = π 3. [ r ϕ r sin ϕ + r cos ϕ ] π/ dr = Vypočtěte integrál xy dx dy, = { x, y) ; x + y ), x + y ) 4 }. Řešení: Protože obor integrace je symetrický vzhledem k ose y, tj. vzhledem k substituci [x; y] [ x; y], a funkce fx, y) je lichá v proměnné x, tj. f x, y) = fx, y), je nejjednodušší provést substituci x = X y = Y = J = ; x + y ), x + y ) 4 = X + Y ), X + Y ) 4. Po této substituci dostaneme I = xy dx dy = XY dx dy = I = I = = xy dx dy =. 3

Určete souřadnice těžiště obrazce = { x, y) ; x + y ) y 3}. Řešení: Souřadnice těžiště x T a y T rovinného obrazce určíme ze vztahů x T = x dx dy, y T = y dx dy, P = P P Množinu v příkladu, lze poměrně snadno popsat v polárních souřadnicích x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π, J = r. Když dosadíme do nerovnosti, která popisuje množinu, dostaneme dx dy. r 4 r 3 sin 3 ϕ = < r < sin 3 ϕ = sin ϕ > = < ϕ < π. Tedy podle věty o substituci a Fubiniovy věty je Z tohoto vztahu dostaneme P = dx dy = fx, y) dx dy = sin 3 ϕ jsem použil známý rekurentní vztah sin 3 ϕ r dr = sin n ϕ = n n fr cos ϕ, r sin ϕ) rdr. sin 6 ϕ = 5 6 3 4 π = 5 8 π, sin n ϕ, který platí pro n. Souřadnici x T těžiště bychom mohli zjistit okamžitě, kdybychom si uvědomili, že množina je symetrická vzhledem k ose y, tj. vzhledem k transformaci [x; y] [ x; y]. Z toho ihned plyne x T =. Pomocí integrálu bychom dostali x dx dy = sin 3 ϕ r cos ϕ dr = 8 3 jsme v posledním integrálu použili substituci sin x = t. K výpočtu souřadnice y T těžiště potřebujeme najít integrál y dx dy = sin 3 ϕ r sin ϕ dr = 8 3 sin 9 ϕ cos ϕ = sin ϕ = 8 3 [ ] π 8 3 sin ϕ =, 9 7 8 5 6 3 4 π, jsem opět využil pro výpočet posledního integrálu rekurentní vzorec. dostaneme souřadnice těžiště x T =, y T =. Z těchto vztahů už Vypočtěte obsah obrazce = { x, y) ; x + y ) x y ), x + y }. 4

Řešení: Danou množinu je výhodné popisovat v polárních souřadnicích x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, π < ϕ < 3 π, J = r. V těchto souřadnicích jsou nerovnosti, které popisují množinu x + y ) x y ) = r cos ϕ sin ϕ ) = cos ϕ, x + y = r. Tedy množina je v polárních souřadnicích popsána nerovnostmi r cos ϕ, cos ϕ > = ϕ 6 π, 6 π) 5 6 π, 7 6 π). Obsah P množiny najdeme pomocí integrálu P = dx dy = = /6 π/6 /6 π/6 cos ϕ cos ϕ [ sin ϕ ϕ = ] π/6 π/6 r dr + 7π/6 5π/6 ) + 7π/6 5π/6 [ sin ϕ ϕ + cos ϕ cos ϕ ) = ] 7π/6 5π/6 = 3 π 3. r dr = Vypočtěte obsah obrazce a, b >. = { x, y) ; x } a + y b x + y, Řešení: Množina je elipsa, která má osy rovnoběžné s osami souřadnic. Najdeme proto její střed a poloosy. Nerovnost, která definuje množinu, je možné upravit na x a + y x x + y = b a x + y b y = a ) x a + ) b x b a + b. 4 Jedná se tedy o elipsu se středem v bodě [ a ; b] a poloosami a a + b a b a + b. Proto zavedeme souřadnice x = a + a a + b r cos ϕ, y = b + b a + b r cos ϕ, r >, < ϕ < π, J = aba + b ) 4 V těchto souřadnicích je daná elipsa určená nerovnostmi < r < a < ϕ < π. Tedy obsah P dané elipsy je P = dx dy = aba + b ) π rdr = π 4 4 aba + b ). Určete obsah obrazce = {x, y) ; x + y, x y x, x, y }. r. Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které definují množinu, ve tvaru x + y, x y x = x + y, y x, 5

je zřejmé, že bude výhodné použít souřadnice u = x + y, v = y x. ) V souřadnicích u a v množina definována nerovnostmi u a v, a tedy je čtverec. Ještě musíme najít jakobián této transformace. Ten splňuje vztah Z rovnic ) plyne u J = det x v x u y v = det yx y x = u + v, y = uv + v. Jestliže tyto vztahy dosadíme do jakobiánu, dostaneme Tedy hledaný obsah P množiny je P = dx dy = J = x x + y = u + v). dv x u du + v) = 3 ) = x + y x. dv + v) = 4. Určete polární moment obrazce, tj. x + y ) dx dy, = {x, y) ; xy, x y x, x }. Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které definují množinu, ve tvaru xy, x y x = xy, y x, je zřejmé, že bude výhodné použít souřadnice u = xy, v = y x. ) V souřadnicích u a v množina definována nerovnostmi u a v, a tedy je čtverec. Ještě musíme najít jakobián této transformace. Ten splňuje vztah u J = det x v x u y y x v = det yx y x ) = y x = v. Z rovnic ) plyne x = u v, y = uv. Proto dostaneme x + y ) dx dy = u + v ) dv v 6 du v = 3 4 v + ) dv = 9 8.

Určete moment setrvačnosti J z ) = x + y ) dx dy dz tělesa = { x, y, z) ; x + y z +, x + y + z 4 }. Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které popisují množinu, ve tvaru x + y + ) z 4 x y, nabízí se použít při výpočtu integrálu Fubiniovu větu x +y ) je množina R dána nerovností 4 x y dx dy x +y ) dz = x +y ) 3 3 x +y ) ) dx dy, x +y )+ x + y ) + 4 x y. Protože integrovaná funkce i nerovnosti, které definují závisí pouze na proměnné r = x + y, zdá se výhodné použít při výpočtu integrálu polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π, J = r. V těchto souřadnicích je množina dána nerovností x + y ) + 4 x y = r + 4 r = r = r. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty tedy je x + y ) 3 π [ ] r r r 4 ) rdr = 3π r6 = π. 6 Určete objem tělesa = { x, y, z) ; x + y + z 9, z }. Řešení: Když zapíšeme nerovnosti, které definují množinu, ve tvaru můžeme použít Fubiniovu větu a psát z je kruh x + y 9 z, z, dz dx dy, z z = { x, y) R ; x + y 9 z }. Integrál přes kruh z najdeme nejsnáze pomocí polárních souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. 7

Kruh z je v těchto souřadnicích dán nerovností < r < 9 z. Pak je Tedy hledaný objem tělesa je z dx dy = π π 9 z r dr = π 9 z ). 9 z ) dz = 3 π. Určete moment setrvačnosti J z ) = x + y ) dx dy dz tělesa = { x, y, z) ; x + y 4, x + y + z 4, z }. Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které definují množinu, ve tvaru z 4 x y, x + y 4, je zřejmé, že můžeme k výpočtu integrálu použít Fubiniovu větu ve tvaru J z ) = x +y ) množina je určena nerovnostmi dx dy 4 x y x + y 4, 4 x y = x + y 4. x +y ) dz = x +y ) 4 x y ) dx dy, Protože integrujeme přes kruh, je výhodné použít k výpočtu polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Protože množina je v polárních souřadnicích určena nerovnostmi < r <, je podle věty o substituci J z ) = dr Určete souřadnice těžiště tělesa π = r 4 r cos ϕ r sin ϕ ) r = 8π { x, y, z) ; je-li hustota rozložení hmoty rovna jedné. x } a + y b z 4, r 3 = 3π. Řešení: Souřadnice těžiště T = [ x T ; y T ; z T ] homogenního tělesa najdeme ze vzorce x T = x dx dy dz, y T = V V dx dy dz. y dx dy dz, z T = V z dx dy dz, Protože je těleso souměrné vzhledem k rovině yz, tj. vzhledem k substituci [x; y; z] [ x; y; z], resp. vzhledem k rovině xz, tj. vzhledem k substituci [x; y; z] [x; y; z], je zřejmé, že x T = y T =. 8

Souřadnici z T těžiště nalezneme pomocí integrálů. Jestliže zapíšeme nerovnosti, které definují těleso v ekvivalentním tvaru x a + y b z, z 4, lze použít Fubiniovu větu ve tvaru z je elipsa x a + y b zavést souřadnice fx, y, z) 4 dz fx, y, z) dx dy, z z. Protože integrujeme přes elipsu, je při výpočtu dvojného integrálu x = ar cos ϕ, y = ar sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = abr. V těchto souřadnicích je elipsa z určená nerovností Proto je 4 dz r z, < ϕ < π = < r < z, < ϕ < π. z z dr π 4 dz abr = πab z dr π 4 dz z z abr = πab r dr = πab 4 4 z dz = 64 3 πab. z dz = 8πab. Tedy souřadnice těžiště jsou x T = y T =, z T = 8 3. Určete souřadnice těžiště tělesa = { x, y, z) ; je-li hustota rozložení hmoty rovna jedné x } a + y b z c, z c, Řešení: Souřadnice těžiště T = [ x T ; y T ; z T ] homogenního tělesa najdeme ze vzorce x T = x dx dy dz, y T = V V dx dy dz. y dx dy dz, z T = V z dx dy dz, Protože je těleso souměrné vzhledem k rovině yz, tj. vzhledem k substituci [x; y; z] [ x; y; z], resp. vzhledem k rovině xz, tj. vzhledem k substituci [x; y; z] [x; y; z], je zřejmé, že x T = y T =. Souřadnici z T těžiště nalezneme pomocí integrálů. Z nerovnic, které popisují těleso lze nahlédnout, že budou výhodné souřadnice x = ar cos ϕ, y = br cos ϕ, z = ch, r >, < ϕ < π, h R ; J = abcr. 9

Protože v těchto souřadnicích je těleso popsáno nerovnostmi jsou hledané integrály r h, h = < r < h, < h <, < ϕ < π, z π π Tedy souřadnice těžiště tělesa jsou dh dh h h abcr dr = abc ch abcr dr = abc π π h dh = 3 πabc, h 3 dh = 4 πabc. x T = y T =, z T = 3 4 c. Spočtěte x + y + z) dx dy dz, = { x, y, z) ; x + y y, z, z x + y }. Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které definují množinu, ve tvaru z x + y, x + y y, je snadno vidět, že můžeme použít Fubiniovu větu ve tvaru je množina x +y x + y + z) dx dy x + y + z) dz = = x + y) x + y + x + y )) dx dy, = { x, y) R ; x + y y }. Integrály přes tuto množinu se často počítají pomocí polárních souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Množina je v souřadnicích r a ϕ určena nerovnostmi Tedy podle věty o substituce je x + y + z) < r < sin ϕ = sin ϕ > = < ϕ < π. = 4 = 4 sin ϕ cos ϕ + sin ϕ + ) r 3 dr = sin 4 ϕ cos ϕ + sin 5 ϕ + sin4 ϕ ) = [ 4 sin5 ] π + 4 5 [ ] π cos ϕ + 3 3 4 ) π = 64 5 + 3π 4.

Určete moment setrvačnosti J z ) = x + y ) dx dy dz pro těleso = { x, y, z) ; x } a + y b + z c, z. Řešení: Protože integrujeme přes polovinu elipsoidu, bude výhodné použít pro výpočet integrálu souřadnice x = ar cos θ cos ϕ, y = br cos θ sin ϕ, z = cr sin θ, r >, π < θ < π, < ϕ < π ; J = abcr cos θ. Množina je v těchto souřadnicích popsána nerovnostmi < r, sin θ, < ϕ < π = < r, < θ < π, < ϕ < π. Podle věty o substituci pak je J z ) = x + y ) = / 5 abc cos 3 θ dθ π π / dθ a cos ϕ + b sin ϕ ) = = 5 abc 3 π a + b ) = 5 πabc a + b ). r cos θ a cos ϕ + b sin ϕ ) abcr cos θ dr = Spočtěte x + y + z dx dy dz, = { x, y, z) ; x + y + z z }. Řešení: Integrály přes tuto množinu se poměrně často počítají pomocí sférických souřadnic x = r cos θ cos ϕ, y = r cos θ sin ϕ, z = r sin θ, r >, π < θ < π, < ϕ < π ; J = r cos θ. V těchto souřadnicích je množina popsána nerovnostmi < r sin θ = sin θ = < r < sin θ, < θ < π, < ϕ < π. Podle věty o substituci pak je x + y + z π / / = 8π dθ sin θ r 3 cos θ dr = [ sin 4 θ cos θ dθ = 8π 5 sin5 θ ] π/ = 8 5 π.

Spočtěte integrál = sinx + y) dx dy, { x, y) ; y >, x + y < π }, x y > π. Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar y >, y π < x < π y = y >, y π < π y = < y < π, který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme sinx + y) dx dy = = / / dy / y y π/ sinx + y) dx = / [ cosx + y) [ ] π/ cosy π) dy = siny π) =. ] π/ y y π/ dy = Spočtěte integrál dx dy, = { x, y) ; x y) + x a }. Řešení: Z nerovnice, která definuje množinu je zřejmé, že bude výhodná substituce x y = u, x = v, u, v R ; J =, která převede množinu na kruh se středem v počátku souřadnic a poloměrem a. Podle věty o substituci je dx dy = du dv, = { u, v) R ; u + v = a }. Integrál přes množinu který je samozřejmě πa ) najdeme třeba pomocí polárních souřadnic u = r cos ϕ, v = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Protože je množina v těchto souřadnicích určena nerovnostmi < r < a a < ϕ < π, je podle věty o substituci a Fubiniovy věty dx dy = π a r dr = πa. Spočtěte integrál dx dy, = {x, y) ; xy, x + y 5 }, x >, y >.

Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x >, x < y < 5 x = x >, x < 5 x = x >, x 5 x + < = < x <, který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme dx dy = / 5/ x 5 dx dy = /x / x ) [ 5 dx = x x ] x ln x = 5 / 8 ln. Spočtěte integrál x x dx dy, + y = { x, y) ; x y, y x }. Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x y x = x x = x. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme x dx dy x + y = = x dx x / x dy x + y = [ π 4 x x arctg x + ln x + 4 ) [ arctg y ] x dx = x x / ] = ln. Spočtěte polární moment J ) = x + y ) dx dy množiny = { x, y) ; x y, y x }. π 4 arctg x ) dx = Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x y x = x x = x. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme J ) = x + y ) dx dy = x dx x + y ) dy = x x 5/ + 3 x3/ x 4 3 x6) dx = 6 35. Vypočtěte y 3 x dx dy, + y = {x, y) ; x y, y 4}. 3

Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x y, y 4 = y, y 4 = y 4. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme y 3 dx dy 4 y x + y = y 3 dx dy x + y = 4 [ y arctg x y ] y dy = 4 π 4 y dy = 6 3 π. Vypočtěte x y dx dy, = { x, y) ; y, x + y x }. Řešení: Tato množina se při výpočtu integrálů často popisuje pomocí polárních souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, π < ϕ < π ; J = r. V souřadnicích r a ϕ pak je množina určena nerovnostmi x +y x, y = < r cos ϕ, cos ϕ, sin ϕ = < r cos ϕ, ϕ π. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty proto je x y dx dy = / = 3 5 / cos ϕ r cos ϕ r sin ϕ r dr = cos 7 ϕ sin ϕ = 3 5 [ 8 cos8 ϕ / ] π/ = 4 5. cos ϕ r 4 cos ϕ sin ϕ dr = Vypočtěte x x dx dy, + y = {x, y) ; y x y, x }. Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x y x, x = x x, x = x. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme x dx dy x x + y = x dy dx x/ x + y = [ arctg y ] x dx = x x/ π 4 arctg ) dx = π arctg. Vypočtěte x 3 x y) dx dy, 4

= { x, y) ; y x, x y }. Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar x y x = x x = x. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme x 3 x y ) dx dy = x dx x 3 x y ) dy = x x 7/ x3 x 5 + x6) dx = 54. Vypočtěte objem tělesa, = { x, y, z) ; x y, z 4 x y }. Řešení: Podle Fubiniovy věty je 4 x y 4 x y) dx dy, = { x, y) R ; x y, 4 x y }. Protože je to vidět třeba z obrázku) množina bodů, pro které je x y, je podmnožina poloroviny x + y 4, je množina určena nerovnostmi x y. Přepíšeme ještě nerovnosti, které definují množinu do tvaru, který je výhodný pro použití Fubiniovy věty, tj. na tvar x y = x = x. Pak dostaneme dx 4 x y) dy = x 4 4x x + x 3 + x4) dx = 68 5. Vypočtěte objem tělesa, = {x, y, z) ; z 4 x y, x 3, y }. Řešení: Podle Fubiniovy věty je 4 x y 4 x y) dx dy, = { x, y) R ; x 3, y, 4 x y }. Přepíšeme ještě nerovnosti, které definují množinu do tvaru, který je výhodný pro použití Fubiniovy věty. Z nerovnic plyne, že platí y, y 4 x, x 3 = y min, 4 x), x 3. Protože 4 x pro x a 4 x < pro x > napíšeme množinu jako sjednocení dvou disjunktních množin =, = { x, y) R ; y, x } a = { x, y) R ; y 4 x, < x 3 }. 5

Pak můžeme psát 4 x y) dx dy + 4 x y) dx dy = = = dx 4 x y) dy + 3 dx [ 6x x ] + [ 6 4 x)3 ] 3 = 55 6. 4 x 4 x y) dy = 6 x) dx + 3 4 x) dx = Vypočtěte objem tělesa, = { x, y, z) ; x + y, x + z, x, y, z }. Řešení: Nejprve přepíšeme nerovnosti, které definují množinu, na tvar y x, y, z x, z, x = y x, z x, x. který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní pak dostaneme x x x ) dx = 3. Vypočtěte objem tělesa, = { x, y, z) ; x, y, z x + y }. Řešení: Množina je zapsána tak, že lze přímo využít Fubiniovu větu. Podle ní je x +y dx x +y ) dy = x + 3) 8 dx = 3. Vypočtěte xy dx dy dz, = {x, y, z) ; z xy, x + y, x > }. Řešení: Nerovnosti, které popisují množinu, jsou zapsány ve tvaru, které nám umožňuje použít Fubiniovu větu a psát xy množina R je popsána nerovnostmi dx dy xy xy dz = x y dx dy, xy, x + y, x > = y x, x > = x, x > = < x. 6

Tedy Fubiniova věta dává xy dx x x y dy = 3 x x) 3 dx = 8. Vypočtěte obsah obrazce = {x, y) ; xy, x y x, x > }. Řešení: Protože je x >, lze zapsat nerovnosti, které popisují množinu, ve tvaru xy, x y x = xy, y x, zdá se výhodné zavést souřadnice u = xy, v = y ) x, y, v > ; y x J = det x y x = y x = v. Protože je množina v souřadnicích u, v definována nerovnostmi je podle věty o substituci a Fubiniovy věty P ) = u, v, dx dy = dv du v = ln. Vypočtěte obsah obrazce = { x, y) ; x y 4x, y x 4y }. Řešení: Nerovnosti, které popisují množinu, lze zapsat ve tvaru x y 4x, y x 4y = y x 4, x y 4, zdá se výhodné zavést souřadnice u = y x, ) v = x y, y, v > ; x J = det y x y xy x y = 3. Protože je množina v souřadnicích u, v definována nerovnostmi je podle věty o substituci a Fubiniovy věty P ) = u 4, v 4, dx dy = 4 4 dv du 3 =. 7

Určete objem tělesa = { x, y, z) ; z x + y +, x + y + z 4 }, Řešení: Jestliže zapíšeme nerovnosti, které popisují množinu, ve tvaru nabízí se použít Fubiniovu větu ve tvaru V ) = je množina dána nerovností x + y + ) z 4 x y, 4 x y dx dy dz = 3 3 x + y ) ) dx dy, x +y )+ x + y ) + 4 x y. Protože se v nerovnostech, které definují oblast integrace i v integrované funkci vyskytují proměnné x a y pouze v kombinaci r = x + y, je výhodné použít při výpočtu integrálu polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π, J = r. V těchto souřadnicích má nerovnost, která popisuje množinu tvar x + y ) + 4 x y = r + 4 r = r = r. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty tedy je V ) = 3 π r ) rdr = 3π r r 3 ) dr = 3π. Určete souřadnice těžiště homogenního tělesa = { x, y, z) ; x + y + z 9, z }. Řešení: Souřadnice těžiště homogenního tělesa lze najít pomocí integrálů x T = x dx dy dz, y T = V V dx dy dz. y dx dy dz, z T = V z dx dy dz, Protože je těleso souměrné vzhledem k rovině yz, tj. vzhledem k záměně [x; y; z] [ x; y; z], resp. vzhledem k rovině xz, tj. vzhledem k záměně [x; y; z] [x; y; z], je zřejmé, že pro souřadnice těžiště platí x T = y T =. Třetí souřadnici těžiště najdeme pomocí integrálů. Jestliže zapíšeme nerovnosti, které popisují množinu ve tvaru x + y 9 z, z, 8

můžeme použít Fubiniovu větu ve tvaru z je kruh fx, y, z) dz fx, y, z) dx dy, z z = { x, y) R ; x + y 9 z }. Integrál přes kruh z nalezneme pomocí polárních souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Protože kruh z je v souřadnicích r a ϕ dán nerovnostmi platí podle věty o substituci a Fubiniovy věty z < r < 9 z, < ϕ < π, dz dz π π 9 z 9 z r dr = π zr dr = π 9 z ) dz = 3 π, 9 z ) z dz = 39 4 π. Tedy souřadnice tělesa jsou x T = y T =, z T = 7 8. Určete souřadnice těžiště homogenního tělesa = { x, y, z) ; x + y 4, z, x + y + z 4 }. Řešení: Souřadnice těžiště homogenního tělesa lze najít pomocí integrálů x T = x dx dy dz, y T = y dx dy dz, z T = V V V dx dy dz. Přepíšeme-li nerovnosti, které popisují těleso ve tvaru z 4 x y, x + y 4, lze pro výpočet integrálů použít Fubiniovu a psát x y z 4 x y dx dy dx dy dx dy dx dy 4 x y 4 x y 4 x y 9 dz = 4 x y) dx dy x dz = y dz = z dz = x4 x y) dx dy y4 x y) dx dy z dx dy dz, 4 x y) dx dy,

je množina R určená nerovnostmi 4 x y, x + y 4. Snadno se lze přesvědčit třeba z náčrtku), že je kruh x +y 4 podmnožinou poloroviny x+y 4. Proto je množina kruh x + y 4. Pro integrály přes kruh se středem v počátku je velmi často výhodné použít polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Protože kruh je v souřadnicích r a ϕ dán nerovnostmi platí podle věty o substituci a Fubiniovy věty x y z = = π dr dr dr π π π dr dr Tedy souřadnice těžiště tělesa jsou < r, < ϕ < π, π π 4 r cos ϕ r sin ϕ)r = 8π 4 r cos ϕ r sin ϕ)r cos ϕ r = π 4 r cos ϕ r sin ϕ)r sin ϕ r = π 4 r cos ϕ r sin ϕ) r = r dr = 6π r dr = 8 3 π r dr = 8 3 π 6 + r 8r cos ϕ 8r sin ϕ + r cos ϕ sin ϕ ) r = 6 + r ) r dr = 36π. x T = y T = 6, z T = 9 4. Spočtěte objem tělesa = { x, y, z) ; x + y + z, x + y }. Řešení: Protože nerovnosti, které popisují těleso, obsahují proměnné x a y pouze v kombinaci x + y, jedná se o rotační těleso. Taková tělesa se většinou popisují pomocí válcových souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, z = z, r >, < ϕ < π, z R ; J = r. Podle věty o substituci pak dostaneme množina R je dána nerovnostmi dr dz π r = π r dr dz, < r, r + z = r z r, < r.

Z těchto nerovností plyne, že π r dr r dz = 4π r r [ r dr = 4π 3 r ) ] 3/ = 4 ). 3 Určete objem tělesa = { x, y, z) ; x + y 4, y + z, y z }. Řešení: Nerovnice, které definují těleso, zapíšeme ve tvaru x + y 4, y z y, který je vhodný pro použití Fubiniovy věty. Z ní plyne R je dána nerovnostmi y y) dx dy, y x + y 4, y y = x + y 4, y. Snadno se přesvědčíme třeba z náčrtku), že kruh x + y 4 je podmnožinou poloroviny y. Proto je množina kruh x + y 4. bychom našli integrál přes kruh, zavedeme polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. Protože v souřadnicích r a ϕ je množina popsána nerovnostmi je podle věty o substituci a Fubiniovy věty dr < r, < ϕ < π, π r sin ϕ) r = 8π r dr = 6π. Určete souřadnice těžiště tělesa = { x, y, z) ; x + y y, z, z x + y }. Řešení: Souřadnice těžiště homogenního tělesa lze najít pomocí integrálů x T = x dx dy dz, y T = y dx dy dz, z T = V V V dx dy dz. z dx dy dz, Protože je těleso symetrické vzhledem k rovině yz, tj. nemění se při záměně [x; y; z] [ x; y; z], je jeho souřadnice x T =. Jestliže zapíšeme nerovnosti, které popisují těleso ve tvaru z x + y, x + y y,

lze při výpočtu integrálů použít Fubiniovu větu. Ta dává M xz = M xy = y z x +y x + y dx dy x +y dx dy y dz = y x + y dx dy x +y dx dy z dz = x + y ) dx dy, R je dána nerovností x + y y. Integrály přes množinu se často počítají pomocí polárních souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, < ϕ < π ; J = r. V těchto souřadnicích je množina dána nerovnostmi r >, < ϕ < π, r r sin ϕ = < r sin ϕ, < ϕ < π = = < r sin ϕ, sin ϕ, < ϕ < π = < r sin ϕ, < ϕ < π. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty pak platí M xz = M xy = sin ϕ sin ϕ sin ϕ Tedy souřadnice těžiště tělesa jsou r dr = 8 3 r 3 sin ϕ dr = 4 r 3 dr = sin 3 ϕ = 8 3 3 = 3 9 x T =, y T = 6 5, z T = 7 8 π. sin 5 ϕ = 4 4 5 3 = 64 3 sin 4 ϕ = 3 4 π = 3 4 π. Spočtěte x + y dx dy dz, = { x, y, z) ; x + y z, z }. Řešení: Protože nerovnosti, které popisují těleso, obsahují proměnné x a y pouze v kombinaci x + y, jedná se o rotační těleso. Taková tělesa se většinou popisují pomocí válcových souřadnic x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, z = z, r >, < ϕ < π, z R ; J = r. Nerovnosti, které popisují těleso, pak jsou r z, z, < ϕ < π.

Podle věty o substituci pak dostaneme x + y je množina R dána nerovnostmi Z Fubiniovy věty pak plyne dr dz π r = π r dr dz, r >, r z, z = < r z, < z. x + y π dz z r dr = 3 π z 3 dz = π 6. Spočtěte moment setrvačnosti J z ) = x + y ) dx dy dz pro těleso = { x, y, z) ; x + y + z R, z }. Řešení: Protože těleso je polokoule, je výhodné použít při výpočtu integrálu sférické souřadnice x = r cos θ cos ϕ, y = r cos θ sin ϕ, z = r sin θ, r >, π < θ < π, < ϕ < π ; J = r cos θ. V těchto souřadnicích je těleso určeno nerovnostmi r R, r sin θ = < r R, sin θ = < r R, θ < π, < ϕ < π. Tedy podle věty o substituci a Fubiniovy věty je J z ) = x + y ) R dr = π R r 4 dr / / dθ π cos 3 θ dθ = π 5 R5 3 = 4 5 πr5. r cos θ r cos θ = Spočtěte x + y + z dx dy dz, = { x, y, z) ; x + y + z, x }. Řešení: Protože těleso je polokoule, je výhodné použít při výpočtu integrálu sférické souřadnice na rozdíl od obvyklých sférických souřadnic jsem přeměnil osy, aby byla jednodušší podmínka x ) x = r sin θ, y = r cos θ cos ϕ, z = r cos θ sin ϕ, r >, π < θ < π, < ϕ < π ; J = r cos θ. V těchto souřadnicích je těleso určeno nerovnostmi r, r sin θ = < r, sin θ = < r, θ < π, < ϕ < π. 3

Tedy podle věty o substituci a Fubiniovy věty je x + y + z π / dθ r 3 cos θ dr = π. Spočtěte xyz dx dy dz, = { x, y, z) ; x + y + z R, x >, y >, z > }. Řešení: Protože těleso je polokoule, je výhodné použít při výpočtu integrálu sférické souřadnice x = r cos θ cos ϕ, y = r cos θ sin ϕ, z = r sin θ, r >, π < θ < π, < ϕ < π ; J = r cos θ. V těchto souřadnicích je těleso určeno nerovnostmi r R, r cos θ cos ϕ, r cos θ cos ϕ, r sin θ = = < r R, sin θ, cos ϕ, sin ϕ = < r R, θ < π, < ϕ π. Tedy podle věty o substituci a Fubiniovy věty je xyz = / / / dθ cos ϕ sin ϕ R r 3 cos θ sin θ cos ϕ sin ϕ r cos θ dr = / cos 3 θ sin θ dθ R r 5 dr = 4 R6 6 = R6 48. Spočtěte objem tělesa = { x, y, z) ; x a + y b + z c, x } a + y b z c, z. Řešení: Z tvaru nerovností, které popisují těleso, lze nahlédnout, že by mohla být, aspoň v první fázi, výhodná substituce x = ar cos ϕ, y = br sin ϕ, z = ch, r >, < ϕ < π, h R ; J = abcr. po této substituci přejdou nerovnosti, které popisují množina na nerovnosti r + h, r h, h, r >, ) které už nezávisí na ϕ ani na parametrech a, b a c. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty pak je dr dh π abcr = πabc r dr dh, množina R je dána nerovnostmi ). Integrál přes množinu lze najít například v polárních souřadnicích r = ρ cos θ, h = ρ sin θ, ρ >, < θ < π ; J = ρ. 4

V souřadnicích ρ a θ mají nerovnosti ) tvar ρ, cos θ sin θ, ρ sin θ, ρ cos θ > = < ρ <, < θ 4 π. Tedy podle věty o substituci a Fubiniovy věty je πabc dρ /4 ρ cos θ ρ dθ = πabc ρ dρ /4 cos θ dθ = 3 πabc. Vypočtěte objem tělesa = { x, y, z) ; x + y + z R, x + y Rx }. Řešení: Upravíme-li nerovnosti, které určují množinu, na tvar R x y z R x y, x + y Rx, lze použít Fubiniovu větu a integrovat přes proměnnou z. Tak dostaneme Z R x y dx dy dz = R x y dx dy, R x y je množina R dána nerovností x + y Rx, x + y R. ) bychom našli integrál přes množinu, zavedeme polární souřadnice x = r cos ϕ, y = r sin ϕ, r >, π < ϕ < π ; J = r. V souřadnicích r a ϕ má nerovnost ) tvar r Rr cos ϕ, r R = < r R cos ϕ = cos ϕ = π ϕ π. Podle věty o substituci a Fubiniovy věty tedy je / R cos ϕ / [ R r rdr = 3 R r ) ] 3/ R cos ϕ = π/ π/ = / 3 R3 sin 3 ϕ ) = 4 / 3 R3 sin 3 ϕ ) = 4 π 3 R3 ) = ) 3π 4 R 3. 3 9 π/ 5