Лекции и конспекты по математике Примеры решения задч

 

   Предложение 12.1   Эллипс обладает двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии, на одной из которых находятся его фокусы, и центром симметрии. Если эллипс задан каноническим уравнением (12.4), то его осями симметрии служат оси $ Ox$ и $ Oy$ , начало координат -- центр симметрии.

        Доказательство.     Можно было бы провести доказательство на основе определения эллипса (предлагаем читателю попробовать сделать это), но для усиления аналитического аспекта мы проведем доказательство на основе уравнения (12.4).

Пусть эллипс задан уравнением (12.4) и $ M_1(x_1;y_1)$  -- какая-то точка эллипса. Тогда

$\displaystyle \frac{x_1^2}{a^2}+\frac{y_1^2}{b^2}=1.$(12.6)
 


Точка $ M_2(-x_1;y_1)$ является точкой, симметричной точке $ M_1$ относительно оси $ Oy$ (рис. 12.4).

Рис.12.4.Симметрия точек


Вычисляем значение левой части уравнения (12.4) в точке $ M_2$

$\displaystyle \frac{(-x_1)^2}{a^2}+\frac{y_1^2}{b^2}=\frac{x_1^2}{a^2}+\frac{y_1^2}{b^2}.$

В силу равенства (12.6) получаем

$\displaystyle \frac{(-x_1)^2}{a^2}+\frac{y_1^2}{b^2}=1,$

следовательно, точка $ M_2$ лежит на эллипсе. Точка $ M_3(x_1;-y_1)$ является точкой симметричной точке $ M_1$ относительно оси $ Ox$ (рис. 12.4). Для нее аналогичным путем убеждаемся, что

$\displaystyle \frac{x_1^2}{a^2}+\frac{(-y_1)^2}{b^2}=1,$

то есть $ M_3$ является точкой эллипса. Наконец точка $ M_4(-x_1;-y_1)$ является симметричной точке $ M_1$ относительно начала координат (рис. 12.4). Повторяя предыдущие рассуждения, получим, что и эта точка тоже лежит на эллипсе. Итак, утверждение предложения доказано, если эллипс имеет уравнение (12.4). А так как по теореме 12.2 любой эллипс в некоторой системе координат имеет такое уравнение, то предложение полностью доказано.     

Проведем построение эллипса, заданного уравнением (12.4). Заметим, что из-за симметрии достаточно нарисовать часть эллипса, лежащую в верхней полуплоскости. Уравнение этой линии мы получим, выразив $ y$ из уравнения (12.4) и взяв перед корнем знак "$ +$ ",

$\displaystyle y=\frac ba\sqrt{a^2-x^2}.$

Построим график этой функции. Область определения -- отрезок $ [-a;a]$ , $ y(0)=b$ , при увеличении переменного $ x$ от 0 до $ a$ функция монотонно убывает. В силу симметрии графика относительно оси $ Oy$ функция $ y$ монотонно растет при изменении $ x$ от $ -a$ до 0. Производная $ y'=-\dfrac ba\dfrac x{\sqrt{a^2-x^2}}$ определена во всех точках интервала $ (a;b)$ и, следовательно, график является гладким (не содержит изломов, касательная есть в любой точке). Вторая производная $ y''=\dfrac{-ab}{\left(\sqrt{a^2-x^2}\right)^3}$ отрицательна во всех точках интервала $ (a;b)$ , следовательно, график -- выпуклый вверх.

Осталось не исследованным поведение кривой вблизи концов отрезка $ [-a;a]$ . Выразим из уравнения (12.4) переменное $ x$ через $ y$ : $ x=\dfrac ab\sqrt{b^2-y^2}$ . Очевидно, что в точке $ y=0$ эта функция имеет производную, то есть касательная к этому графику в точке $ (a,0)$ существует. Легко проверить, что она параллельна оси $ Oy$ . Из симметрии эллипса делаем вывод, что это гладкая кривая и строим ее с учетом полученных данных (рис. 12.5).

Рис.12.5.Эллипс

     

Отнесём область  к системе цилиндрических координат , в которой положение точки M в пространстве определяется полярными координатами  ее проекции Р на плос­кость Oxy и ее аппликатой (z). Выбирая взаимное распо­ложение осей координат, как указано на рис. 5, уста­новим связь, между декарто­выми и цилиндрическими ко­ординатами точки М, именно:

 (*)

 

 

  Рис.5

Разобьем область  на частичные области  тремя системами координатных поверхностей:  которыми будут соответственно круговые цилиндрические поверхности, осью кото­рых является ось Оz, полуплоскости, проходящие через ось Оz, и плоскости, параллельные плоскости Оху. Частичными областями  служат прямые цилиндры MN (рис. 5). Так как объем цилиндра MN равен площади основания, умноженной на высоту, то для элемента объема получаем выражение

Преобразование тройного интеграла   к цилиндрическим координатам производится совершенно аналогично преобра­зованию двойного интеграла к полярным. Для этого нужно в вы­ражении подынтегральной функции   переменные x, y, z заменить по формулам (*) и взять элемент объёма равным

Получим

Если, в частности,  то интеграл выражает объём V области

Вычисление тройного интеграла в цилиндрических координатах приводится к интегрированиям по r, по  и по z на основании тех же принципов, что и в случае декартовых координат. В част­ности, если областью интегрирования служит внутренность ци­линдра  то пределы трехкратного интеграла постоянны и не меняются при перемене порядка интегрирования:

 

Определение и вычисление несобственных интегралов по бесконечному промежутку

При вычислении и исследовании определённых интегралов учитывается основополагающее утверждение о том, что непрерывная на конечном интервале функция имеет первообразную (теорема Коши). Эта первообразная не всегда выражается через конечное число элементарных функций, но важно то, что она существует. При выполнении условий теоремы Коши определённый интеграл будем называть собственным, подразумевая наличие у него первообразной. Если один из пределов интегрирования не является конечным, то говорят о несобственном интеграле по бесконечному промежутку или первого рода, который определяют через предельный переход:

(1а)  

 Если этот предел существует и конечен, то несобственный интеграл по бесконечному промежутку называется сходящимся, в противном случае – расходящимся (если предел не существует или равен бесконечности). Аналогично определению (1а) имеем: 

(1б)  

(1в)  где a<c<b.

 Интегралы, определённые формулами (1а) и (1б), будем называть несобственными интегралами с одной особенностью (соответственно на верхнем или нижнем пределах интегрирования).

 Пример 1. Вычислить несобственные интегралы по бесконечному промежутку или установить их расходимость:

Математический анализ Типовые расчеты по математике