Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/MathOperators.js
Skip to main content
Library homepage
 
Global

15.3: Integrals mara mbili katika Kuratibu Polar

  • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
  • OpenStax

Malengo ya kujifunza
  • 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)|arb,αθβ}.

Takwimu hii ina takwimu tatu zilizoandikwa a, b, na c Katika takwimu a, sekta ya annulus inavyoonekana katika ndege ya kuratibu polar na radii a na b na pembe alpha na beta kutoka theta = 0 mhimili. Katika takwimu b, sekta hii ya annulus imekatwa katika sehemu ndogo kwa namna inayofanana na njia ambayo nafasi zilizopita zilikatwa kwenye subrectangles. Katika takwimu c, moja ya subsectors hizi inavyoonekana kwa angle Delta theta, umbali kati ya ndani na nje radii Delta r, na eneo Delta A = r* ndogo theta Delta r Delta theta, ambapo kituo cha kituo hutolewa kama (r* ndogo i j, theta* ndogo i j).
Kielelezo15.3.1: (a) Mstatili wa polarR (b) umegawanywa katika subrectanglesRij (c) Karibu na subrectangles.

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[ri1,ri] za urefuΔr=(ba)/m na kugawanya muda[α,β] katikan sehemu ndogo[θi1,θi] za upanaΔθ=(βα)/n. Hii ina maana kwamba miduarar=ri na mionziθ=θi1im na1jn 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 panderi1Δθ zinazofananariΔθ na na kwa upanaΔr. Hivyo eneo la subrectangle polarRij ni

ΔA=12Δr(ri1Δθ+riΔθ).

Kurahisisha na kuruhusu

rij=12(ri1+ri)

tunaΔA=rijΔrΔθ.

Kwa hiyo, kiasi cha polar cha sanduku nyembamba hapo juuRij (Kielelezo15.3.2) ni

f(rij,θij)ΔA=f(rij,θij)rijΔrΔθ.

Katika x y z nafasi, kuna uso f (r, theta). Katika ndege ya x y, mfululizo wa subsectors ya annuli hutolewa kama ilivyo kwenye takwimu ya awali na radius kati ya annuli Delta r na angle kati ya subsectors Delta theta. Subsector kutoka uso f (r, theta) inafanyika chini kwenye mojawapo ya subsectors hizi. Subsector hii ina kituo cha uhakika alama (r* ndogo i j, theta* ndogo i j).
Kielelezo15.3.2: Kutafuta kiasi cha sanduku nyembamba juu ya mstatili wa polarRij.

Kutumia wazo sawa kwa subrectangles zote na kuhesabu kiasi cha masanduku ya mstatili, tunapata jumla ya Riemann mara mbili kama

mi=1nj=1f(rij,θij)rijΔrΔθ.

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,nmi=1nj=1f(rij,θij)rijΔrΔθ.

Hii inakuwa maneno kwa ajili ya muhimu mara mbili.

Ufafanuzi: muhimu mara mbili katika kuratibu polar

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.

Mfano\PageIndex{1A}: Sketching a Polar Rectangular Region

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.

Nusu ya annulus R hutolewa na radius ya ndani 1 na radius ya nje 3. Hiyo ni, semicircle ya ndani hutolewa na x squared+y squared = 1, wakati semicircle ya nje hutolewa na x squared + y squared = 9.
Kielelezo\PageIndex{3}: Eneo la polarR liko kati ya semicircles mbili.

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.

Mfano\PageIndex{1B}: Evaluating a Double Integral over a Polar Rectangular Region

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*}

Zoezi\PageIndex{1}

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}

Mfano\PageIndex{2A}: Evaluating a Double Integral by Converting from Rectangular Coordinates

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*}

Mfano\PageIndex{2B}: Evaluating a Double Integral by Converting from Rectangular Coordinates

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).

Semicircles mbili hutolewa katika quadrants ya pili na ya tatu, na equations x squared + y squared = 1 na x squared + y squared = 2.
Kielelezo\PageIndex{4}: mkoa annular ya ushirikianoR.

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*}

Zoezi\PageIndex{2}

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}).

Mkoa D unaonyeshwa katika kuratibu polar na kingo zinazotolewa na theta = alpha, theta = beta, r = h2 (theta), na r = h1 (theta).
Kielelezo\PageIndex{5}: General polar mkoa kati\alpha \leq \theta \leq \beta nah_1(\theta) \leq r \leq h_2(\theta).
Theorem: Integrals mara mbili juu ya Mikoa Mkuu Polar

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

Mfano\PageIndex{3}: Evaluating a Double Integral over a General Polar Region

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}.

Mkoa D hutolewa kama nusu ya juu ya cardioid na equation r = 1 + cos theta.
Kielelezo\PageIndex{6}: KandaD ni nusu ya juu ya cardioid.

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*}

Zoezi\PageIndex{3}

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.

Mfano\PageIndex{4A}: Finding a Volume Using a Double Integral

Pata kiasi cha imara iliyo chini ya paraboloidz = 1 - x^2 - y^2 na juu ya mduara wa kitengo kwenyexy -ndege (Kielelezo\PageIndex{7}).

The paraboloid z = 1 minus x squared minus y squared inavyoonyeshwa, ambayo katika grafu hii inaonekana kama karatasi na katikati upole kujivunia na pembe nanga.
Kielelezo\PageIndex{7}: Kutafuta kiasi cha imara chini ya paraboloid na juu ya mduara wa kitengo.

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.

Mfano\PageIndex{4B}: Finding a Volume Using Double Integration

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.

Paraboloid na equation z = 4 minus x squared minus y squared ni intersected na silinda na equation (x minus 1) squared + y squared = 1.
Kielelezo\PageIndex{8}: Kutafuta kiasi cha imara na kofia ya paraboloid na msingi wa mviringo.

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.

Mfano\PageIndex{5A}: Finding a Volume Using a Double Integral

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.

Takwimu hii ina takwimu tatu. Ya kwanza ni paraboloid tu inayofungua. Ya pili inaonyesha kanda D iliyofungwa na x = 0, y = x, na x + y = 2 na mshale wa wima wa pande mbili ndani ya kanda. Ya pili inaonyesha kanda ileile lakini katika viwianishi vya polar, hivyo mistari inayofunga D ni theta = pi/2, r = 2/ (cos theta + sin theta), na theta = pi/4, ikiwa na mshale wa pande mbili ambao una upande mmoja unaoelekezwa kwenye asili.
Kielelezo\PageIndex{9}: Kutafuta kiasi cha imara chini ya paraboloid na juu ya pembetatu iliyotolewa.

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.

Mfano\PageIndex{5B}: Finding a Volume Using a Double Integral

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}).

Koni iliyotolewa na z = 2 minus mizizi ya mraba ya (x squared pamoja y squared) na mduara uliotolewa na x squared pamoja y squared = 4. Koni iko juu ya mduara katika nafasi ya xyz.
Kielelezo\PageIndex{10}: Kupata kiasi cha imara ndani ya koni na juu yaxy -ndege.

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

Uchambuzi

Kumbuka 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.

Zoezi\PageIndex{5}

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

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).

A rose na petals nane iliyotolewa na r = cos (4 theta).
Kielelezo\PageIndex{11}: Kutafuta eneo la polar rose na petals nane.

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*}

Mfano\PageIndex{6B}: Finding Area Between Two Polar Curves

Pata eneo lililofungwa na mduarar = 3 \, \cos \, \theta na cardioidr = 1 + \cos \, \theta.

Suluhisho

Kwanza kabisa, mchoro grafu za kanda (Kielelezo\PageIndex{12}).

Cardioid na equation 1 + cos theta inavyoonekana kuingiliana mduara iliyotolewa na r = 3 cos theta, ambayo ni mduara wa radius 3 na kituo (1.5, 0). Eneo lililopakana na mhimili wa x, cardioid, na mstari uliopigwa unaounganisha asili kwa makutano ya cardioid na mduara kwenye mstari wa r = 2 ni kivuli.
Kielelezo\PageIndex{12}: Kutafuta eneo lililofungwa na mduara wote na cardioid.

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

Zoezi\PageIndex{6}

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

Mfano\PageIndex{7}: Evaluating an Improper Double Integral in Polar Coordinates

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*}

Zoezi\PageIndex{7}

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\}