15.3: Integrals mara mbili katika Kuratibu Polar
- Tambua muundo wa muhimu mara mbili juu ya mkoa wa mstatili wa polar.
- Kutathmini muhimu mara mbili katika kuratibu polar kwa kutumia muhimu iterated.
- Tambua muundo wa muhimu mara mbili juu ya kanda ya polar ya jumla.
- Tumia integrals mara mbili katika kuratibu polar kuhesabu maeneo na kiasi.
Mara mbili integrals wakati mwingine ni rahisi sana kutathmini kama sisi kubadilisha kuratibu mstatili kwa kuratibu polar. Hata hivyo, kabla ya kuelezea jinsi ya kufanya mabadiliko haya, tunahitaji kuanzisha dhana ya mara mbili muhimu katika mkoa wa polar mstatili.
Mikoa ya mviringo ya Ushirikiano
Wakati sisi defined muhimu mara mbili kwa ajili ya kazi ya kuendelea katika kuratibu mstatili - kusema,g juu ya kandaR katikaxy -ndege-sisiR kugawanywa katika subrectangles na pande sambamba na shoka kuratibu. Pande hizi zina ama mara kwa marax -maadili na/au mara kwa maray -maadili. Katika kuratibu polar, sura tunayofanya kazi nayo ni mstatili wa polar, ambao pande zake zina maadili ya mara kwa mara na/aur maadili ya mara kwa maraθ. Hii ina maana tunaweza kuelezea Mstatili Polar kama katika Kielelezo15.3.1a, kwaR={(r,θ)|a≤r≤b,α≤θ≤β}.

Katika sehemu hii, tunatafuta kuunganisha juu ya rectangles polar. Fikiria kazif(r,θ) juu ya mstatili wa polarR. Tunagawanya muda[a,b] katikam sehemu ndogo[ri−1,ri] za urefuΔr=(b−a)/m na kugawanya muda[α,β] katikan sehemu ndogo[θi−1,θi] za upanaΔθ=(β−α)/n. Hii ina maana kwamba miduarar=ri na mionziθ=θi1≤i≤m na1≤j≤n kugawanya mstatili wa polarR katika subrectangles ndogo ndogoRij (Kielelezo15.3.1b).
Kama hapo awali, tunahitaji kupata eneoΔA la subrectangle ya polarRij na kiasi cha “polar” cha sanduku nyembamba hapo juuRij. Kumbuka kwamba, katika mduara wa radius urefurs wa arc subtended na angle ya kati yaθ radians nis=rθ. Angalia kwamba mstatili wa polarRij inaonekana sana kama trapezoid na panderi−1Δθ zinazofananariΔθ na na kwa upanaΔr. Hivyo eneo la subrectangle polarRij ni
ΔA=12Δr(ri−1Δθ+riΔθ).
Kurahisisha na kuruhusu
r∗ij=12(ri−1+ri)
tunaΔA=r∗ijΔrΔθ.
Kwa hiyo, kiasi cha polar cha sanduku nyembamba hapo juuRij (Kielelezo15.3.2) ni
f(r∗ij,θ∗ij)ΔA=f(r∗ij,θ∗ij)r∗ijΔrΔθ.

Kutumia wazo sawa kwa subrectangles zote na kuhesabu kiasi cha masanduku ya mstatili, tunapata jumla ya Riemann mara mbili kama
m∑i=1n∑j=1f(r∗ij,θ∗ij)r∗ijΔrΔθ.
Kama tulivyoona kabla, sisi kupata makadirio bora kwa kiasi Polar ya imara juu ya kandaR wakati sisi basim nan kuwa kubwa. Kwa hiyo, tunafafanua kiasi cha polar kama kikomo cha jumla ya Riemann mara mbili,
V=limm,n→∞m∑i=1n∑j=1f(r∗ij,θ∗ij)r∗ijΔrΔθ.
Hii inakuwa maneno kwa ajili ya muhimu mara mbili.
Muhimu wa mara mbili wa kazif(r,θ) juu ya mkoa wa mstatili wa polarR katikarθ -ndege hufafanuliwa kama
∬
Tena, kama katika sehemu ya Double Integrals juu ya Mikoa Rectangular, muhimu mara mbili juu ya mkoa polar mstatili inaweza kuwa walionyesha kama muhimu iterated katika kuratibu Polar. Hivyo,
\iint_R f(r, \theta)\,dA = \iint_R f(r, \theta) \,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=\alpha}^{\theta=\beta} \int_{r=a}^{r=b} f(r,\theta) \,r \, dr \, d\theta. \nonumber
Angalia kwamba maneno ya kubadilishwadA yanabadilishwa nar \, dr \, d\theta wakati wa kufanya kazi katika kuratibu za polar. Njia nyingine ya kuangalia polar mara mbili muhimu ni kubadili mara mbili muhimu katika kuratibu mstatili na badala. Wakati kazif inapewa katika suala lax nay kutumiax = r \, \cos \, \theta, \, y = r \, \sin \, \theta, nadA = r \, dr \, d\theta kuibadilisha
\iint_R f(x,y) \,dA = \iint_R f(r \, \cos \, \theta, \, r \, \sin \, \theta ) \,r \, dr \, d\theta. \nonumber
Kumbuka kuwa mali yote waliotajwa katika sehemu ya Double Integrals juu ya Mikoa Rectangular kwa muhimu mara mbili katika kuratibu mstatili kushikilia kweli kwa muhimu mara mbili katika kuratibu Polar pia, ili tuweze kuzitumia bila kusita.
Mchoro mkoa wa mstatili wa polar
R = \{(r, \theta)\,|\,1 \leq r \leq 3, 0 \leq \theta \leq \pi \}. \nonumber
Suluhisho
Kama tunavyoona kutoka Kielelezo\PageIndex{3},r = 1 nar = 3 ni duru ya Radius 1 na 3 na0 \leq \theta \leq \pi inashughulikia nzima juu nusu ya ndege. Hivyo kandaR inaonekana kama bendi ya semicircular.

Sasa kwa kuwa tumeweka mkoa wa mstatili wa polar, hebu tuonyeshe jinsi ya kutathmini muhimu mara mbili juu ya mkoa huu kwa kutumia viwianishi vya polar.
Kutathmini muhimu\displaystyle \iint_R 3x \, dA juu ya kandaR = \{(r, \theta)\,|\,1 \leq r \leq 2, \, 0 \leq \theta \leq \pi \}.
Suluhisho
Kwanza tunachora takwimu sawa na Kielelezo\PageIndex{3}, lakini kwa radius ya njer=2. Kutoka takwimu tunaweza kuona kwamba tuna
\begin{align*} \iint_R 3x \, dA &= \int_{\theta=0}^{\theta=\pi} \int_{r=1}^{r=2} 3r \, \cos \, \theta \,r \, dr \, d\theta \quad\text{Use an integral with correct limits of integration.} \\ &= \int_{\theta=0}^{\theta=\pi} \cos \, \theta \left[\left. r^3\right|_{r=1}^{r=2}\right] d\theta \quad\text{Integrate first with respect to $r$.} \\ &=\int_{\theta=0}^{\theta=\pi} 7 \, \cos \, \theta \, d\theta \\ &= 7 \, \sin \, \theta \bigg|_{\theta=0}^{\theta=\pi} = 0. \end{align*}
Mchoro kandaD = \{ (r,\theta) \vert 1\leq r \leq 2, \, -\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} \}, na tathmini\displaystyle \iint_R x \, dA.
- Kidokezo
-
Fuata hatua katika Mfano\PageIndex{1A}.
- Jibu
-
\frac{14}{3}
Tathmini muhimu
\iint_R (1 - x^2 - y^2) \,dA \nonumber
Rwapi mduara wa kitengo kwenyexy -ndege.
Suluhisho
MkoaR ni mduara wa kitengo, hivyo tunaweza kuielezea kamaR = \{(r, \theta )\,|\,0 \leq r \leq 1, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi \}.
Kutumia uongofux = r \, \cos \, \theta, \, y = r \, \sin \, \theta, nadA = r \, dr \, d\theta, tuna
\begin{align*} \iint_R (1 - x^2 - y^2) \,dA &= \int_0^{2\pi} \int_0^1 (1 - r^2) \,r \, dr \, d\theta \\[4pt] &= \int_0^{2\pi} \int_0^1 (r - r^3) \,dr \, d\theta \\ &= \int_0^{2\pi} \left[\frac{r^2}{2} - \frac{r^4}{4}\right]_0^1 \,d\theta \\&= \int_0^{2\pi} \frac{1}{4}\,d\theta = \frac{\pi}{2}. \end{align*}
Kutathmini muhimu\displaystyle \iint_R (x + y) \,dA \nonumber ambapoR = \big\{(x,y)\,|\,1 \leq x^2 + y^2 \leq 4, \, x \leq 0 \big\}.
Suluhisho
Tunaweza kuona kwambaR ni kanda annular ambayo inaweza kubadilishwa kwa kuratibu polar na ilivyoelezwa kamaR = \left\{(r, \theta)\,|\,1 \leq r \leq 2, \, \frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{3\pi}{2} \right\} (angalia grafu ifuatayo).

Hivyo, kwa kutumia uongofux = r \, \cos \, \theta, \, y = r \, \sin \, \theta, nadA = r \, dr \, d\theta, tuna
\begin{align*} \iint_R (x + y)\,dA &= \int_{\theta=\pi/2}^{\theta=3\pi/2} \int_{r=1}^{r=2} (r \, \cos \, \theta + r \, \sin \, \theta) r \, dr \, d\theta \\ &= \left(\int_{r=1}^{r=2} r^2 \, dr\right)\left(\int_{\pi/2}^{3\pi/2} (\cos \, \theta + \sin \, \theta)\,d\theta\right) \\ &= \left. \left[\frac{r^3}{3}\right]_1^2 [\sin \, \theta - \cos \, \theta] \right|_{\pi/2}^{3\pi/2} \\ &= - \frac{14}{3}. \end{align*}
Tathmini muhimu \displaystyle \iint_R (4 - x^2 - y^2)\,dA \nonumber ambapoR ni mduara wa radius 2 kwenyexy -ndege.
- Kidokezo
-
Fuata hatua katika mfano uliopita.
- Jibu
-
8\pi
Mkuu Polar Mikoa ya Ushirikiano
Kutathmini muhimu mara mbili ya kazi ya kuendelea na integrals iterated juu ya mikoa ya jumla Polar, tunaona aina mbili za mikoa, sawa na Aina ya I na Aina II kama kujadiliwa kwa kuratibu mstatili katika sehemu ya Integrals Double juu ya Mikoa Mkuu. Ni kawaida zaidi kuandika equations polar kamar = f(\theta) kuliko\theta = f(r), hivyo sisi kuelezea jumla polar eneo kamaR = \{(r, \theta)\,|\,\alpha \leq \theta \leq \beta, \, h_1 (\theta) \leq r \leq h_2(\theta)\} (Kielelezo\PageIndex{5}).

Kamaf(r, \theta) ni kuendelea katika eneo la jumla PolarD kama ilivyoelezwa hapo juu, basi
\iint_D f(r, \theta ) \,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=\alpha}^{\theta=\beta} \int_{r=h_1(\theta)}^{r=h_2(\theta)} f(r,\theta) \, r \, dr \, d\theta. \nonumber
Tathmini muhimu
\iint_D r^2 \sin \theta \, r \, dr \, d\theta \nonumber
Dwapi eneo lililofungwa na mhimili wa polar na nusu ya juu ya cardioidr = 1 + \cos \, \theta.
Suluhisho
Tunaweza kuelezea kandaD kama\{(r, \theta)\,|\,0 \leq \theta \leq \pi, \, 0 \leq r \leq 1 + \cos \, \theta\} inavyoonekana katika Kielelezo\PageIndex{6}.

Hivyo, tuna
\begin{align*} \iint_D r^2 \sin \, \theta \, r \, dr \, d\theta &= \int_{\theta=0}^{\theta=\pi} \int_{r=0}^{r=1+\cos \theta} (r^2 \sin \, \theta) \,r \, dr \, d\theta \\ &= \frac{1}{4}\left.\int_{\theta=0}^{\theta=\pi}[r^4] \right|_{r=0}^{r=1+\cos \, \theta} \sin \, \theta \, d\theta \\ &= \frac{1}{4} \int_{\theta=0}^{\theta=\pi} (1 + \cos \, \theta )^4 \sin \, \theta \, d\theta \\ &= - \frac{1}{4} \left[ \frac{(1 + \cos \, \theta)^5}{5}\right]_0^{\pi} = \frac{8}{5}.\end{align*}
Tathmini muhimu
\iint_D r^2 \sin^2 2\theta \,r \, dr \, d\theta \nonumber
wapiD = \left\{ (r,\theta)\,|\,0 \leq \theta \leq \pi, \, 0 \leq r \leq 2 \sqrt{\cos \, 2\theta} \right\}.
- Kidokezo
-
Grafu kanda na ufuate hatua katika mfano uliopita.
- Jibu
-
\frac{\pi}{8}
Maeneo ya Polar na Kiasi
Kama ilivyo katika kuratibu mstatili, ikiwa imaraS imefungwa na usoz = f(r, \theta), pamoja na nyusor = a, \, r = b, \, \theta = \alpha, na\theta = \beta, tunaweza kupata kiasiV chaS ushirikiano mara mbili, kama
V = \iint_R f(r, \theta) \,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=\alpha}^{\theta=\beta} \int_{r=a}^{r=b} f(r,\theta)\, r \, dr \, d\theta. \nonumber
Ikiwa msingi wa imara unaweza kuelezewa kamaD = \{(r, \theta)|\alpha \leq \theta \leq \beta, \, h_1 (\theta) \leq r \leq h_2(\theta)\}, basi muhimu mara mbili kwa kiasi inakuwa
V = \iint_D f(r, \theta) \,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=\alpha}^{\theta=\beta} \int_{r=h_1(\theta)}^{r=h_2(\theta)} f(r,\theta) \,r \, dr \, d\theta. \nonumber
Sisi kuonyesha wazo hili na baadhi ya mifano.
Pata kiasi cha imara iliyo chini ya paraboloidz = 1 - x^2 - y^2 na juu ya mduara wa kitengo kwenyexy -ndege (Kielelezo\PageIndex{7}).

Suluhisho
Kwa njia ya ushirikiano mara mbili, tunaweza kuona kwamba kiasi ni muhimu iterated ya fomu
\displaystyle \iint_R (1 - x^2 - y^2)\,dA \nonumber
wapiR = \big\{(r, \theta)\,|\,0 \leq r \leq 1, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi\big\}.
Ushirikiano huu ulionyeshwa kabla katika Mfano\PageIndex{2A}, hivyo kiasi ni vitengo vya\frac{\pi}{2} ujazo.
Pata kiasi cha imara iliyo chini ya paraboloidz = 4 - x^2 - y^2 na juu ya disk(x - 1)^2 + y^2 = 1 kwenyexy -ndege. Angalia paraboloid katika Kielelezo\PageIndex{8} intersecting silinda(x - 1)^2 + y^2 = 1 juuxy -ndege.

Suluhisho
Kwanza kubadilisha disk kwa(x - 1)^2 + y^2 = 1 kuratibu polar. Kupanua muda wa mraba, tunax^2 - 2x + 1 + y^2 = 1. Kisha kurahisisha kupatax^2 + y^2 = 2x, ambayo katika kuratibu polar inakuwar^2 = 2r \, \cos \, \theta na kisha amar = 0 aur = 2 \, \cos \, \theta. Vile vile, equation ya paraboloid inabadilikaz = 4 - r^2. Kwa hiyo, tunaweza kuelezea disk(x - 1)^2 + y^2 = 1 juu yaxy ndege kama kanda
D = \{(r,\theta)\,|\,0 \leq \theta \leq \pi, \, 0 \leq r \leq 2 \, \cos \theta\}. \nonumber
Hivyo kiasi cha imara imefungwa juu na paraboloidz = 4 - x^2 - y^2 na chini nar = 2 \, \cos \theta ni
\begin{align*} V &= \iint_D f(r, \theta) \,r \, dr \, d\theta \\&= \int_{\theta=0}^{\theta=\pi} \int_{r=0}^{r=2 \, \cos \, \theta} (4 - r^2) \,r \, dr \, d\theta\\ &= \int_{\theta=0}^{\theta=\pi}\left.\left[4\frac{r^2}{2} - \frac{r^4}{4}\right|_0^{2 \, \cos \, \theta}\right]d\theta \\ &= \int_0^{\pi} [8 \, \cos^2\theta - 4 \, \cos^4\theta]\,d\theta \\&= \left[\frac{5}{2}\theta + \frac{5}{2} \sin \, \theta \, \cos \, \theta - \sin \, \theta \cos^3\theta \right]_0^{\pi} = \frac{5}{2}\pi\; \text{units}^3. \end{align*}
Angalia katika mfano unaofuata kwamba ushirikiano si rahisi kila wakati na kuratibu polar. Ukamilifu wa ushirikiano unategemea kazi na pia kwenye eneo ambalo tunahitaji kufanya ushirikiano. Ikiwa kanda ina kujieleza zaidi ya asili katika kuratibu za polar au ikiwaf ina antiderivative rahisi katika kuratibu polar, basi mabadiliko katika kuratibu polar ni sahihi; vinginevyo, tumia kuratibu mstatili.
Pata kiasi cha kanda iliyo chini ya paraboloidz = x^2 + y^2 na juu ya pembetatu iliyofungwa na mistariy = x, \, x = 0, nax + y = 2 katikaxy -ndege.
Suluhisho
Kwanza kuchunguza kanda ambayo tunahitaji kuanzisha muhimu mara mbili na paraboloid kuandamana.

MkoaD ni\{(x,y)\,|\,0 \leq x \leq 1, \, x \leq y \leq 2 - x\}. Kubadili mistariy = x, \, x = 0, nax + y = 2 katikaxy -ndege kwa kazi yar na\theta tuna\theta = \pi/4, \, \theta = \pi/2, nar = 2 / (\cos \, \theta + \sin \, \theta), kwa mtiririko huo. Kuweka kanda kwenyexy ndege, tunaona kwamba inaonekana kamaD = \{(r, \theta)\,|\,\pi/4 \leq \theta \leq \pi/2, \, 0 \leq r \leq 2/(\cos \, \theta + \sin \, \theta)\}.
Sasa kubadilisha equation ya uso inatoaz = x^2 + y^2 = r^2. Kwa hiyo, kiasi cha imara kinatolewa na muhimu mara mbili
\begin{align*} V &= \iint_D f(r, \theta)\,r \, dr \, d\theta \\&= \int_{\theta=\pi/4}^{\theta=\pi/2} \int_{r=0}^{r=2/ (\cos \, \theta + \sin \, \theta)} r^2 r \, dr d\theta \\ &= \int_{\pi/4}^{\pi/2}\left[\frac{r^4}{4}\right]_0^{2/(\cos \, \theta + \sin \, \theta)} d\theta \\ &=\frac{1}{4}\int_{\pi/4}^{\pi/2} \left(\frac{2}{\cos \, \theta + \sin \, \theta}\right)^4 d\theta \\ &= \frac{16}{4} \int_{\pi/4}^{\pi/2} \left(\frac{1}{\cos \, \theta + \sin \, \theta} \right)^4 d\theta \\&= 4\int_{\pi/4}^{\pi/2} \left(\frac{1}{\cos \, \theta + \sin \, \theta}\right)^4 d\theta. \end{align*}
Kama unaweza kuona, hii muhimu ni ngumu sana. Hivyo, tunaweza badala kutathmini hii muhimu mara mbili katika kuratibu mstatili kama
V = \int_0^1 \int_x^{2-x} (x^2 + y^2) \,dy \, dx. \nonumber
Kutathmini anatoa
\begin{align*} V &= \int_0^1 \int_x^{2-x} (x^2 + y^2) \,dy \, dx \\&= \int_0^1 \left.\left[x^2y + \frac{y^3}{3}\right]\right|_x^{2-x} dx\\ &= \int_0^1 \frac{8}{3} - 4x + 4x^2 - \frac{8x^3}{3} \,dx \\ &= \left.\left[\frac{8x}{3} - 2x^2 + \frac{4x^3}{3} - \frac{2x^4}{3}\right]\right|_0^1 \\&= \frac{4}{3} \; \text{units}^3. \end{align*}
Ili kujibu swali la jinsi kanuni za kiasi cha viwango tofauti vya kawaida kama vile nyanja, koni, au silinda zinapatikana, tunataka kuonyesha mfano na kupata kiasi cha koni ya kiholela.
Tumia viwianishi vya polar ili kupata kiasi ndani ya koniz = 2 - \sqrt{x^2 + y^2} na juu yaxy ndege.
Suluhisho
MkoaD wa ushirikiano ni msingi wa koni, ambayo inaonekana kuwa mduara kwenyexy -ndege (Kielelezo\PageIndex{10}).

Tunapata equation ya mduara kwa kuwekaz = 0:
\begin{align*} 0 &= 2 - \sqrt{x^2 + y^2} \\ 2 &= \sqrt{x^2 + y^2} \\ x^2 + y^2 &= 4. \end{align*}
Hii ina maana Radius ya mduara ni2 hivyo kwa ajili ya ushirikiano tuna0 \leq \theta \leq 2\pi na0 \leq r \leq 2. Kubadilishax = r \, \cos \theta nay = r \, \sin \, \theta katika equationz = 2 - \sqrt{x^2 + y^2} tuliyo nayoz = 2 - r. Kwa hiyo, kiasi cha koni ni
\int_{\theta=0}^{\theta=2\pi} \int_{r=0}^{r=2} (2 - r)\,r \, dr \, d\theta = 2 \pi \frac{4}{3} = \frac{8\pi}{3}\; \text{cubic units.} \nonumber
UchambuziKumbuka kwamba ikiwa tungepata kiasi cha koni ya kiholela na\alpha vitengo vya radius nah vitengo vya urefu, basi equation ya koni itakuwaz = h - \frac{h}{a}\sqrt{x^2 + y^2}.
Bado tunaweza kutumia Kielelezo\PageIndex{10} na kuanzisha muhimu kama
\int_{\theta=0}^{\theta=2\pi} \int_{r=0}^{r=a} \left(h - \frac{h}{a}r\right) r \, dr \, d\theta. \nonumber
Kutathmini muhimu, tunapata\frac{1}{3} \pi a^2 h.
Matumizi kuratibu polar kupata muhimu iterated kwa ajili ya kutafuta kiasi cha imara iliyoambatanishwa na paraboloidsz = x^2 + y^2 naz = 16 - x^2 - y^2.
- Kidokezo
-
Sketching grafu inaweza kusaidia.
- Jibu
-
V = \int_0^{2\pi} \int_0^{2\sqrt{2}} (16 - 2r^2) \,r \, dr \, d\theta = 64 \pi \; \text{cubic units.} \nonumber
Pata eneo lililofungwa na mduarar = 3 \, \cos \, \theta na cardioidr = 1 + \cos \, \theta.
Suluhisho
Kwanza kabisa, mchoro grafu za kanda (Kielelezo\PageIndex{12}).

Tunaweza kuona ulinganifu wa grafu ambayo tunahitaji kupata pointi za makutano. Kuweka equations mbili sawa na kila mmoja anatoa
3 \, \cos \, \theta = 1 + \cos \, \theta. \nonumber
Moja ya pointi za makutano ni\theta = \pi/3. Eneo la juu ya mhimili wa polar lina sehemu mbili, na sehemu moja inavyoelezwa na cardioid kutoka\theta = 0 kwa\theta = \pi/3 na sehemu nyingine inayoelezwa na mduara kutoka\theta = \pi/3 kwa\theta = \pi/2. Kwa ulinganifu, eneo la jumla ni mara mbili eneo la juu ya mhimili wa polar. Hivyo, tuna
A = 2 \left[\int_{\theta=0}^{\theta=\pi/3} \int_{r=0}^{r=1+\cos \, \theta} 1 \,r \, dr \, d\theta + \int_{\theta=\pi/3}^{\theta=\pi/2} \int_{r=0}^{r=3 \, \cos \, \theta} 1\,r \, dr \, d\theta \right]. \nonumber
Kutathmini kila kipande tofauti, tunaona kwamba eneo hilo ni
A = 2 \left(\frac{1}{4}\pi + \frac{9}{16} \sqrt{3} + \frac{3}{8} \pi - \frac{9}{16} \sqrt{3} \right) = 2 \left(\frac{5}{8}\pi\right) = \frac{5}{4}\pi \, \text{square units.} \nonumber
Pata eneo lililofungwa ndani ya cardioidr = 3 - 3 \, \sin \theta na nje ya cardioidr = 1 + \sin \theta.
- Kidokezo
-
Mchoro grafu, na usuluhishe kwa pointi za makutano.
- Jibu
-
A = 2 \int_{-\pi/2}^{\pi/6} \int_{1+\sin \, \theta}^{3-3\sin \, \theta} \,r \, dr \, d\theta = \left(8 \pi + 9 \sqrt{3}\right) \; \text{units}^2 \nonumber
Tathmini muhimu
\iint_{R^2} e^{-10(x^2+y^2)} \,dx \, dy. \nonumber
Suluhisho
Hii ni muhimu yasiyofaa kwa sababu sisi ni kuunganisha juu ya mkoa unboundedR^2. Katika kuratibu polar, ndege nzimaR^2 inaweza kuonekana kama0 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq r \leq \infty.
Kutumia mabadiliko ya vigezo kutoka kuratibu mstatili kwa kuratibu polar, tuna
\begin{align*} \iint_{R^2} e^{-10(x^2+y^2)}\,dx \, dy &= \int_{\theta=0}^{\theta=2\pi} \int_{r=0}^{r=\infty} e^{-10r^2}\,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=0}^{\theta=2\pi} \left(\lim_{a\rightarrow\infty} \int_{r=0}^{r=a} e^{-10r^2}r \, dr \right) d\theta \\ &=\left(\int_{\theta=0}^{\theta=2\pi}\right) d\theta \left(\lim_{a\rightarrow\infty} \int_{r=0}^{r=a} e^{-10r^2}r \, dr \right) \\ &=2\pi \left(\lim_{a\rightarrow\infty} \int_{r=0}^{r=a} e^{-10r^2}r \, dr \right) \\ &=2\pi \lim_{a\rightarrow\infty}\left(-\frac{1}{20}\right)\left(\left. e^{-10r^2}\right|_0^a\right) \\ &=2\pi \left(-\frac{1}{20}\right)\lim_{a\rightarrow\infty}\left(e^{-10a^2} - 1\right) \\ &= \frac{\pi}{10}. \end{align*}
Tathmini muhimu
\iint_{R^2} e^{-4(x^2+y^2)}dx \, dy. \nonumber
- Kidokezo
-
Badilisha kwenye mfumo wa kuratibu polar.
- Jibu
-
\frac{\pi}{4}
Dhana muhimu
- Ili kuomba muhimu mara mbili kwa hali na ulinganifu wa mviringo, mara nyingi ni rahisi kutumia mara mbili muhimu katika kuratibu za polar. Tunaweza kutumia integrals hizi mbili juu ya mkoa polar mstatili au jumla eneo polar, kwa kutumia muhimu iterated sawa na wale kutumika kwa integrals mstatili mara mbili.
- EneodA la kuratibu polar linakuwar \, dr \, d\theta.
- Matumizix = r \, \cos \, \theta, \, y = r \, \sin \, \theta, nadA = r \, dr \, d\theta kubadili muhimu katika kuratibu mstatili kwa muhimu katika kuratibu polar.
- Tumiar^2 = x^2 + y^2 na\theta = tan^{-1} \left(\frac{y}{x}\right) kubadili muhimu katika kuratibu za polar kwa muhimu katika kuratibu za mstatili, ikiwa inahitajika.
- Ili kupata kiasi katika viwianishi vya polar vilivyofungwa hapo juu na usoz = f(r, \theta) juu ya kanda kwenyexy -ndege, tumia sehemu mbili katika kuratibu za polar.
Mlinganyo muhimu
- Mara mbili muhimu juu ya mkoa wa mstatili wa polarR
\iint_R f(r, \theta) dA = \lim_{m,n\rightarrow\infty}\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(r_{ij}^*, \theta_{ij}^*) \Delta A = \lim_{m,n\rightarrow\infty}\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^nf(r_{ij}^*,\theta_{ij}^*)r_{ij}^*\Delta r \Delta \theta \nonumber
- Double muhimu juu ya mkoa wa jumla wa polar
\iint_D f(r, \theta)\,r \, dr \, d\theta = \int_{\theta=\alpha}^{\theta=\beta} \int_{r=h_1(\theta)}^{r_2(\theta)} f (r,\theta) \,r \, dr \, d\theta \nonumber
faharasa
- mstatili wa polar
- kanda iliyoambatanishwa kati ya miduarar = ar = b na pembe\theta = \alpha na\theta = \beta; ni ilivyoelezwa kamaR = \{(r, \theta)\,|\,a \leq r \leq b, \, \alpha \leq \theta \leq \beta\}
Kama ilivyo na kuratibu mstatili, tunaweza pia kutumia viwianishi vya polar ili kupata maeneo ya mikoa fulani kwa kutumia mara mbili muhimu. Kama hapo awali, tunahitaji kuelewa eneo ambalo eneo tunataka kukokotoa. Kuchora grafu na kutambua kanda inaweza kusaidia kutambua mipaka ya ushirikiano. Kwa ujumla, formula ya eneo katika ushirikiano wa mara mbili itaonekana kama
\text{Area of} \, A = \int_{\alpha}^{\beta} \int_{h_1(\theta)}^{h_2(\theta)} 1 \,r \, dr \, d\theta. \nonumber
Mfano\PageIndex{6A}: Finding an Area Using a Double Integral in Polar Coordinates
Tathmini eneo lililofungwa na pember = \cos \, 4\theta.
Suluhisho
Kuchora grafu ya kazir = \cos \, 4\theta inaonyesha kuwa ni polar rose na petals nane (angalia takwimu zifuatazo).
Kutumia ulinganifu, tunaweza kuona kwamba tunahitaji kupata eneo la petal moja na kisha kuzidisha kwa 8. Kumbuka kwamba maadili ambayo grafu hupita kupitia asili ni zero za kazi\cos \, 4\theta, na hizi ni nyingi isiyo ya kawaida ya\pi/8.\theta Hivyo, moja ya petals inalingana na maadili\theta ya wakati huo[-\pi/8, \pi/8]. Kwa hiyo, eneo imepakana na Curver = \cos \, 4\theta ni
\begin{align*} A &= 8 \int_{\theta=-\pi/8}^{\theta=\pi/8} \int_{r=0}^{r=\cos \, 4\theta} 1\,r \, dr \, d\theta \\ &= 8 \int_{\theta=-\pi/8}^{\theta=\pi/8}\left.\left[\frac{1}{2}r^2\right|_0^{\cos \, 4\theta}\right] d\theta \\ &= 8 \int_{-\pi/8}^{\pi/8} \frac{1}{2} \cos^24\theta \, d\theta \\&= 8\left. \left[\frac{1}{4} \theta + \frac{1}{16} \sin \, 4\theta \, \cos \, 4\theta \right|_{-\pi/8}^{\pi/8}\right] \\&= 8 \left[\frac{\pi}{16}\right] = \frac{\pi}{2}\; \text{units}^2. \end{align*}