multiple integrals

120

Click here to load reader

Upload: andren

Post on 20-Mar-2016

96 views

Category:

Documents


8 download

DESCRIPTION

Chapter 12. Multiple Integrals. 170 121 Engineering Mathematics II 5 ธันวาคม 2546. Integrals. Integration หมายถึงการรวมกัน ซึ่งตรงข้ามกัน differentiation หรือการ แตกส่วนย่อยที่เรียกว่า อนุพันธ์ นั่นเอง ความหมายของการอินทีเกรตในเชิงเรขาคณิต - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Multiple Integrals

1

Multiple Integrals

170 121 Engineering Mathematics II

5 ธนัวาคม 2546

Chapter 12

Page 2: Multiple Integrals

2

Integrals Integration หมายถึงการรวมกัน ซึ่งตรงขา้มกัน differentiation หรอืการแตกสว่นยอ่ยท่ีเรยีกวา่ อนุพนัธ ์นัน่เองความหมายของการอินทีเกรตในเชงิเรขาคณิต ในกรณีของฟงัก์ชนัตัวแปรเดียว สตูรการอินทีเกรตทางคณิตศาสตรคื์อ

( )f x dxเราจะเหน็วา่ม ีdx อยูใ่นสตูรซึ่งหมายถึงชว่งน้อยๆของ x สว่น f(x) ก็คือความสงูของกราฟ ดังนัน้ f(x)dx ก็คือแท่ง 1 แท่งในรูป ซึ่งเป็นสว่นน้อยๆของพื้นท่ีใต้กราฟ และการอินทีเกรตของ f(x)dx ก็คือการนำาเอาสว่นน้อยๆของพื้นท่ีใต้กราฟมารวมกัน เราจะได้พื้นท่ีใต้กราฟออกมา หลักการน้ีสามารถขยายผลไปใชกั้บฟงัก์ชนัหลายตัวแปรได้

xdx

f(x)

f(x)

Page 3: Multiple Integrals

3

Multiple Integrals

Multiple integration เป็นวธิกีารอินทีเกรตสำาหรบัฟงัก์ชนัหลายตัวแปร ซึ่งเราใชส้ญัลักษณ์ดังน้ี

วธิกีารอินทีเกรตสำาหรบัฟงัก์ชนัหลายตัวแปร มขีอ้แตกต่างจากการอินทีเกรตตัวแปรเดียวดังนี้

- เนื่องจากเรามตัีวแปรอิสระหลายตัว แต่การอินทีเกรตทำาได้ทีละตัวแปร ดังนัน้การอินทีเกรตฟงัก์ชนัหลายตัวแปร จะเป็นการอินทีเกรตทีละตัวแปร หลายๆครัง้จนครบทกุตัวแปร ซึ่งการปฏิบติัจะยากกวา่การอินทีเกรตฟงัก์ชนัตัวแปรเดียว ท่ีมกีารอินทีเกรตเพยีงครัง้เดียว

( , , ,...)R

f x y z dR

Page 4: Multiple Integrals

4

Double Integrals over Rectangles Multiple integral แบบท่ีง่ายท่ีสดุคือการอินทีเกรตแบบสองชัน้ซึ่งใชกั้บฟงัก์ชนัสองตัวแปรโดยเฉพาะ เราเรยีกวา่ Double integral ท่ีมาของDouble integral เป็นดังนี้ สมมุติวา่มี ท่ีประกาศไว้

เมื่อแบง่ R ออกเป็นตารางยอ่ยๆดังรูป

( , )f x y: , R a x b c y d

a bc

d

kx

ky kA

พื้นท่ียอ่ยในแต่ละชอ่งคือk k kA x y

เราสามารถหาผลรวม Rieman sum

1

1

( , )

( , )

n

n k k kk

n

k k k kk

S f x y A

f x y x y

เมื่อให้ 0kA จะได้

0 1

( , ) ( , ) ( , )limn

k k kA k R R

f x y A f x y dA f x y dxdy

ในชว่ง

Page 5: Multiple Integrals

500.5

11.5

2

0

0.5

1

1.5

20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

Geometrical Interpretation of Double Integrals

ความหมายทางเรขาคณิตของการอินทีเกรตของฟงัก์ชนัตัวแปรเดียว ก็คือการหาพื้นท่ีใต้กราฟ 1 มติิ แต่สำาหรบั Double integral ใหเ้ราจตินาการวา่ function f(x,y) คือหลังคาโดม แล้ว Double integral จะหมายถึงการหาปรมิาตรใต้หลังคาโดมดังรูป

2 2( , ) 3f x y x y

(ใหจ้นิตนาการวา่เป็นหลังคาโดม)

ระนาบ XY คือพื้นหอ้งx y

z

ปรมิาตรในชอ่งวา่งจากพื้นหอ้งถึงหลังคาโดมคือค่าท่ีได้จากการทำา Double integral

: 0 2, 0 2R x y

Page 6: Multiple Integrals

6

Geometrical Interpretation of Double Integrals (cont.)การหาผลรวมใน Slide แผ่นท่ี 2 เปรยีบได้กับการประมาณปรมิาตรใต้หลังคาหอ้งโดยใชป้รมิาตรของแท่งปรซิึ่มในรูปมารวมกัน

xy

z1

1

( , )

( , )

n

n k k kk

n

k k k kk

S f x y A

f x y x y

เมื่อแบง่ปรมิาตรใหล้ะเอียดขึ้น โดยใชแ้ท่งปรซิึ่มท่ีมพีื้นท่ีฐานเล็กลง แต่มจีำานวนแท่งมากขึ้น ในท่ีสดุเราจะได้

0 1

( , ) ( , ) ( , )limn

k k kA k R R

f x y A f x y dA f x y dxdy

( , )k k kf x y A แท่งแต่ละแท่งมปีรมิาตรเท่ากับ

ผลรวมของปรมิาตรทกุแท่งจะได้

Page 7: Multiple Integrals

7

Properties of Double Integrals

( , ) ( , )R R

kf x y dA k f x y dA

( , ) ( , ) ( , ) ( , )R R R

f x y g x y dA f x y dA g x y dA

( , ) 0 if ( , ) 0 on R

f x y dA f x y R

( , ) ( , ) if ( , ) ( , ) on R R

f x y dA g x y dA f x y g x y R

1 2

( , ) ( , ) ( , )R R R

f x y dA f x y dA f x y dA

1.

2.

3.

4.

5. If R1 R21 2R R R R =

Page 8: Multiple Integrals

8

Fubini’s Theorem for Calculating Double Integralsสมมุติวา่เราต้องการคำานวณปรมิาตรของแท่งเหล่ียมดังรูป พื้นผิวด้านบนสดุ (หลังคา)คือระนาบ z = 4 - x - y สว่นฐานของแท่งเป็นพื้นท่ีในชว่ง 0 2, 0 1x y

เราสามารถใชส้ตูร Double intregral ดังน้ี2 1

0 0

(4 )x y dydx ปรมิาตรอินทีเกรตชัน้แรกพจิารณาเฉพาะ

1

0

(4 )x y dy โดยมอง x = ค่าคงท่ี

เราจะได้1

0

(4 ) ( )x y dy A x พื้นท่ีหน้าตัด12

0

742 2

y

y

yy xy x

อินทีเกรตชัน้ต่อมาได้22 2

0 0

7 7( ) 52 2 2

x

x

xx dx x

Page 9: Multiple Integrals

9

Examples: Fubini’s Theoremในทำานองเดียวกัน ถ้าเราเปล่ียนลำาดับการอินทีเกรต โดยใหอิ้นทีเกรตเทียบกับตัวแปร x ก่อน

เราจะได้ 1 2

0 0

(4 )x y dxdy ปรมิาตร

อินทีเกรตขัน้แรก พจิารณาเฉพาะ2

0

(4 )x y dx โดยใหคิ้ดวา่ y = ค่าคงท่ี จะได้

22 2

0 0

(4 ) 4 6 22

x

x

xx y dx x yx y

= พื้นท่ีหน้าตัดอินทีเกรตชัน้ต่อมาได้

112

00

(6 2 ) 6 5y

yy dy y y

ซึ่งจะได้ผลเหมอืนเดิม ซึ่งจะได้ทฤษฎีของ Fubini เป็น

( , ) ( , )b d d b

a c c a

f x y dydx f x y dxdy

Page 10: Multiple Integrals

10

หลักในการทำา Double Integrals เนื่องจากฟงัก์ชนัท่ีเราจะทำาการอินทีเกรตนัน้มตัีวแปรอิสระ 2 ตัวคือ x และ y ดังนัน้เราจะต้องอินทีเกรตเทียบกับตัวแปรทีละตัวดังน้ี

( , ) ( , ) ( , )b d b d d b

a c a c c a

f x y dydx f x y dy dx f x y dx dy

1. คำานวณ ( , )d

c

f x y dy เทียบกับตัวแปรตัวแรก (y) โดยคิดวา่ x เป็นค่าคงท่ี ผลลัพธก์ารอินทีเกรต จะได้เป็น function ของ x อยา่งเดียว (เนื่องจาก y ถกูแทนค่าด้วย c และ d ไปแล้ว)

2. ทำาการอินทีเกรตผลลัพธท่ี์ได้ในขอ้1 เทียบกับตัวแปรท่ีเหลือ (คือตัวแปร x)

ในทางกลับกัน เราสามารถอินทีเกรต f(x,y) เทียบกับ x ก่อน แล้วจงึอินทีเกรตเทียบกับ y ทีหลังก็ได้ ตามทฤษฎีของ Fubini ซึ่งจะได้ผลเหมอืนกัน

Page 11: Multiple Integrals

11

Double Integrals over Bounded Nonrectangular Regions

ในกรณีท่ีขอบเขตการอินทีเกรตไมไ่ด้เป็นสีเ่หล่ียมผืนผ้า ดังรูป เราก็สามารถทำา DoubleIntegration ได้โดยการแบง่พื้นท่ีออกเป็นสีเ่หล่ียมเล็กๆ แล้วหาผลรวม Rieman

1

( , )n

n k k kk

S f x y A

เมื่อเราแบง่ใหส้ีเ่หล่ียมละเอียดขึ้น โดยใหข้นาดเล็กลง และเพิม่จำานวนขึ้น จะได้

0 1

( , ) ( , )limn

k k kA k R

f x y A f x y dA

โดย สรุป ขอบเขตการอินทีเกรตจะเป็นรูปทรงใดก็ได้ สว่นตัวอนุพนัธ ์เราจะใช ้dAซึ่งหมายถึงวา่เราอินทีเกรต f(x,y) เทียบกับพื้นท่ีฐานในระนาบ XY นัน้เอง

Page 12: Multiple Integrals

12

รูปน้ีแสดงถึงการทำา Double integral โดยขอบเขตการอินทีเกรตไมไ่ด้เป็นสีเ่หล่ียมผืนผ้า เราอาจจะจนิตนาการวา่ เรามหีลังคาโดม เป็น f(x,y) และมี

พื้นหอ้งเป็นรูปวงร ีดังรูป การทำา Doubleintegral ก็คือการหาปรมิาตรของชอ่งวา่งระหวา่งหลังคากับพื้นหอ้งนัน่เอง

0 1

Volume = ( , )

( , )

limn

k k kA k

R

f x y A

f x y dA

Double Integrals over Bounded Nonrectangular Regions

Page 13: Multiple Integrals

13

Fubini’s Theorem ทฤษฎีของ Fubini สำาหรบัการทำา Double integral ท่ีขอบเขตการอินทีเกรตเป็นรูปทรงใดๆ มดัีงนี้

ให ้f(x,y) ต่อเน่ืองบน พื้นท่ี (region) R

1. ถ้า Region R ประกาศไวใ้นชว่ง 1 2, g ( ) ( )a x b x y g x

โดย ต่อเน่ืองในชว่ง [a,b] จะได้1 2g ( ), ( )x g x2

1

( )

( )

( , ) ( , )g xb

R a g x

f x y dA f x y dydx

1. ถ้า Region R ประกาศไวใ้นชว่ง 1 2, h ( ) ( )c y d y x h y

โดย ต่อเนื่องในชว่ง [c,d] จะได้1 2( ), ( )h y h y2

1

( )

( )

( , ) ( , )h yd

R c h y

f x y dA f x y dxdy

Page 14: Multiple Integrals

14

Double Integral in dy dx Orderในกรณีท่ี 1: Region R: 1 2, g ( ) ( )a x b x y g x

ในกรณีนี้ ค่า y จะอยูร่ะหวา่ง g1(x) และ g2(x) เราจะต้องอินทีเกรตเทียบกับตัวแปร yก่อน เพื่อจะกำาจดั y ออกไป จากนัน้จงึค่อยอินทีเกรต ผลลัพธท่ี์ได้เทียบกับตัวแปร x

1. คำานวณ2

1

( )

( )

( , )g x

g x

f x y dy

2. แทนค่า (เพื่อกำาจดั y)

ได้เป็น 2

1

( )

( )( , ) y g x

y g xF x y

2 1( ) ( )( , ) ( , )

y g x y g xF x y F x y

3. อินทีเกรตผลในขอ้ 2 เทียบกับ x

( )b

a

H x dx

ได้ผลลัพธเ์ป็น H(x) ซึ่งเป็นฟงัก์ชนัของ x ตัวแปรเดียว

Page 15: Multiple Integrals

15

Example: Double Integral in dy dx Order จงหาปรมิาตรของแท่งปรซิึ่มท่ีมดี้านบนเป็นระนาบ z = 3- x - y และพื้นท่ีฐานเป็นสามเหล่ียมดังรูป

x

y

zระนาบ

z = 3-x-y

พื้นท่ีฐานรูปสามเหล่ียม

วธิทีำา1. หาขอบเขตการอินทีเกรต1.1 หาขอบเขตของค่า y จากรูป จะเหน็วา่สามเหล่ียมประกอบด้วย ขอบล่างเป็นเสน้ตรง y = 0 และขอบบนเป็น y = x1.2 หาขอบเขตของค่า x จากรูป จะเหน็วา่ค่า x เริม่จากx = 0 จนถึงค่า x = 1

จะได้สตูร ปรมิาตร2

1

( )

( )

1

0 0

( , )

(3 )

y g xb

a y g x

x

f x y dydx

x y dydx

ขอบด้านล่างเสน้ y = 0

x

y ขอบด้านบนเสน้ y = x

10

พื้นท่ีฐานสามเหล่ียมเมื่อมองจากด้านบน

Page 16: Multiple Integrals

16

Example: Double Integral in dy dx Order (continued)

x

yเสน้ y = x

10

x

y

zระนาบ

z = 3-x-y

พื้นท่ีฐานรูปสามเหล่ียม

เสน้ y = 0

3. อินทีเกรตในชัน้ท่ีสอง11 2 2 3

0 0

3 3(3 )2 2 2

xx

x x

x x xx dx

2 3 2 33(1) 1 3(0) 0 12 2 2 2

2. อินทีเกรตในชัน้แรก2

0 0

(3 ) 32

y xy x

y y

yx y dy y xy

2 2 22 0 33 3(0) 0 3

2 2 2x xx x x x

1

0 0

(3 )x

x y dydx ปรมิาตร

Page 17: Multiple Integrals

17

Procedure for Finding Limit of Integration in dy dx Orderการเริม่ต้นการทำา Multiple integral เริม่จากการเขยีนสตูรการอินทีเกรตซึ่งมคีวามสำาคัญมากโดยเฉพาะอยา่งยิง่การหาขอบเขตการอินทีเกรต ซึ่งสามารถทำาเป็นขัน้ตอนได้ดังนี้ตัวอยา่ง กำาหนดให ้ขอบเขตการอินทีเกรตเป็น พื้นท่ีระหวา่งสว่นโค้งของวงกลม x2+y2 = 1กับเสน้ตรง x+y = 1 ดังในรูป

1. เราต้องกำาหนด ลำาดับการอินทีเกรต วา่จะทำากับตัวแปรใดก่อน ในขอ้นี้เป็นการอินทีเกรตเทียบกับ y ก่อน2. เมื่อเป็นการอินทีเกรตเทียบกับ y ก่อน ต้องพยายามหาขอบบนและขอบล่างของพื้นท่ีในรูปฟงัก์ชนัของตัวแปร x (ขอบล่างเป็นสมการ y = g1(x) สว่นขอบบนเป็น y = g2(x))

ในขอ้น้ีจะได้ ขอบล่างเป็น 1y x

ขอบบนเป็น 21y x

3. หาขอบเขตของ x ในรูปตัวเลขค่าตำ่าสดุและสงูสดุของ xในขอ้น้ีจะได้ ค่าตำ่าสดุ x = 0

ค่าสงูสดุ x = 1

ได้สตูรการอินทีเกรต21 1

0 1

( , )x

x

f x y dydx

Page 18: Multiple Integrals

18

Double Integral in dx dy Orderในกรณีท่ี 2: Region R: 1 2, h ( ) ( )c y d y x h y

ในกรณีนี้ ค่า x จะอยูร่ะหวา่ง h1(y) และ h2(y) เราจะต้องอินทีเกรตเทียบกับตัวแปร xก่อน เพื่อจะกำาจดั x ออกไป จากนัน้จงึค่อยอินทีเกรต ผลลัพธท่ี์ได้เทียบกับตัวแปร y

1. คำานวณ2

1

( )

( )

( , )h y

h y

f x y dx2. แทนค่า (เพื่อกำาจดั x)

ได้เป็น 2

1

( )

( )( , ) x h y

x h yF x y

2 1( ) ( )( , ) ( , )

x h y x h yF x y F x y

3. อินทีเกรตผลในขอ้ 2 เทียบกับ y

( )d

c

G y dy

ได้ผลลัพธเ์ป็น G(y) ซึ่งเป็นฟงัก์ชนัของ y ตัวแปรเดียว

Page 19: Multiple Integrals

19

Example: Double Integral in dx dy Order จงหาปรมิาตรของแท่งปรซิึ่มท่ีมดี้านบนเป็นระนาบ z = 3- x - y และพื้นท่ีฐานเป็นสามเหล่ียมดังรูป

x

y

z

ขอบด้านซา้ยเสน้ x = y

x

yขอบด้านขวาเสน้ x = 1

10

วธิทีำา1. หาขอบเขตการอินทีเกรต

จะได้สตูร ปรมิาตร2

1

( )

( )

1 1

0

( , )

(3 )

x h yd

c x h y

y

f x y dxdy

x y dxdy

1.1 หาขอบเขตของค่า x จากรูป จะเหน็วา่สามเหล่ียมประกอบด้วย ขอบซา้ยเป็นเสน้ตรง x = y และขอบขวาเป็น x = 11.2 หาขอบเขตของค่า y จากรูป จะเหน็วา่ค่า y เริม่จากy = 0 จนถึงค่า y = 1

1

Page 20: Multiple Integrals

20

Example: Double Integral in dx dy Order (continued)

x

y

10

x

y

z

3. อินทีเกรตในชัน้ท่ีสอง11 2 3

2

0 0

5 3 5( 4 ) 22 2 2 2

yy

y y

y y yy dy y

3 2 32 25(1) 1 5(0) 02(1) 2(0) 1

2 2 2 2

2. อินทีเกรตในชัน้แรก11 2

(3 ) 32

xx

x y x y

xx y dx x xy

2 2 221 5 33(1) (1) 3 4

2 2 2 2y yy y y y

1 1

0

(3 )y

x y dxdy ปรมิาตร

Page 21: Multiple Integrals

21

Procedure for Finding Limit of Integration in dx dy Order

ตัวอยา่ง ใหข้อบเขตการอินทีเกรตเป็น พื้นท่ีระหวา่งสว่นโค้ง x2+y2 = 1กับเสน้ตรง x+y = 11. เมื่อเป็นการอินทีเกรตเทียบกับ x ก่อน ต้องพยายามหาขอบซา้ยและขอบขวาของพื้นท่ีในรูปฟงัก์ชนัของตัวแปร y (ขอบซา้ยเป็นสมการ x = h1(y) สว่นขอบขวาเป็น x = h2(y))

ในขอ้น้ีจะได้ ขอบซา้ยเป็น 1x y ขอบขวาเป็น 21x y

2. หาขอบเขตของ y ในรูปตัวเลขค่าตำ่าสดุและสงูสดุของ yค่าตำ่าสดุ y = 0ค่าสงูสดุ y = 1

ได้สตูรการอินทีเกรต211

0 1

( , )y

y

f x y dxdy

ในกรณีท่ีลำาดับการอินทีเกรตเริม่ท่ี x ก่อน เรามวีธิกีารดังนัน้

Page 22: Multiple Integrals

22

Example: Double Integralจงคำานวณค่า

sin( )

R

x dAx โดย R เป็น Region ดังในรูป

x

yเสน้ y = x

10

Rวธิทีำา1. กำาหนดลำาดับการอินทีเกรต ในขอ้นี้ใหท้ำากับ y ก่อน

2. หาขอบเขตการอินทีเกรตได0้ 1, 0x y x

3. เขยีนสตูร 1

0 0

sin( )x x dydxx

4. อินทีเกรตชัน้แรก

00

sin( ) sin( )

sin( ) 0 sin( )

y xx

y

x xdy yx x

x x

5. อินทีเกรตชัน้ท่ีสอง 11

00

sin( ) cos( )

cos(1) ( cos(0)) cos(1) 1

x

xx dx x

Page 23: Multiple Integrals

23

Example: Double Integral (continued)จงคำานวณค่า

sin( )

R

x dAx โดย R เป็น Region ดังในรูป

x

yเสน้ y = x

10

Rโดยกำาหนดใหอิ้นทีเกรตเทียบกับ x ก่อน1. หาขอบเขตการอินทีเกรตได0้ 1, y 1y x

2. เขยีนสตูร 1 1

0

sin( )

y

x dxdyx

3. อินทีเกรตชัน้แรก

1 sin( )

y

x dxx

4. อินทีเกรตชัน้ท่ีสองต่อไป …..

ทำาได้ยากกวา่ตัวอยา่งท่ีแล้วมาก

ขอ้น้ีจะเห็นวา่ ลำาดับการอินทีเกรตมผีลต่อความยากง่ายของรูปสมการ ซึง่ต้องอาศัยประสบการณ์ในการเลือกลำาดับการอินทีเกรต

Page 24: Multiple Integrals

24

Example 2: Double Integralจงคำานวณ

R

xy y dA โดย R เป็น Region ระหวา่งเสน้ตรง และเสน้โค้ง ดังรูป

วธิทีำา1. กำาหนดลำาดับการอินทีเกรต และหาขอบเขตในขอ้น้ีถ้า อินทีเกรต y ก่อน เราจะได้ขอบเขตดังนี้

1.1 ขอบบนได้สมการ 1y x

22 2 1 1y x x x 1.2 ขอบล่างได้สมการหาขอบเขตของ xจากรูปจุดตัดระหวา่ง เสน้ทัง้สองคือจุด (0,1) และ (3,4)ดังนัน้ค่าตำ่าสดุของ x คือ 0 และค่าสงูสดุคือ 3

1 0x y 2 2 1 0x x y

ได้สตูร-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

เสน้ตรง

R

1 0x y

2 2 1 0x x y

(0,1)

(3,4)

2

13

0 ( 1)

y x

y x

xy y dydx

Page 25: Multiple Integrals

25

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

เสน้ตรง

R

1 0x y

2 2 1 0x x y

(0,1)

(3,4)

Example 2: Double Integral (continued)2. อินทีเกรตชัน้แรก

2 2

11 2

( 1) ( 1)

222

53 2

12

1 11 12 2

112 2

xy x

y x x

x yxy y dy

x xx x

xx x x

3. อินทีเกรตชัน้ท่ีสอง

53 3 2

0

364 3 2

0

112 2

1 81 27 9 3 64 1 5.6258 6 4 2 12 8 6 4 2 12 12

xx x x dx

xx x x x

Page 26: Multiple Integrals

26

Example 3: Double Integralจงคำานวณ

R

xy y dA โดย R เป็น Region ระหวา่งเสน้ตรง และเสน้โค้ง ดังรูป

โดยกำาหนดใหอิ้นทีเกรตเทียบกับ x ก่อนในขอ้น้ีถ้าอินทีเกรต x ก่อน เราจะต้องแบง่พื้นท่ีเป็น 2 สว่นดังนี้

ขอบซา้ยได้สมการ 1x y

ขอบขวาได้สมการ

1 0x y 2 2 1 0x x y

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

เสน้ตรง

R2

1 0x y

2 2 1 0x x y

(0,1)

(3,4)

R1

พื้นท่ี R1

1x y

ขอบเขตของ y ได0้ 1y

ขอบซา้ยได้สมการ 1x y ขอบขวาได้สมการ

พื้นท่ี R2

1x y ขอบเขตของ y ได1้ 4y

1 11 4

0 1 11

x y x y

x yx y

xy y dxdy xy y dxdy

ได้

Page 27: Multiple Integrals

27

Example 3: Double Integral (continued)2. อินทีเกรตชัน้แรก

3. อินทีเกรตชัน้ท่ีสอง

11 2

1 1

2 2

2

2 2 2 2 2 20

2 2

x yx y

x y x y

xxy y dx y yx

y y y y y y y y y y y y y y

11 2

1 1

2 3 2 3 2

2

2 2 2 4 3 5 42 2 2

x yx y

x y x y

xxy y dx y yx

y y y y y y y y y y y y y

พื้นท่ี R1

พื้นท่ี R2

4 3 2 4 43 2

11

5 4 5 5.6252 8 6

y y y ydy y y

Page 28: Multiple Integrals

28

Areas of Bounded Regions in the Planeในกรณีท่ีเราให ้f(x,y) = 1 เมื่อเราทำา Double integrals เราจะได้ผลลัพธเ์ป็นพื้นท่ี R ออกมา

1

n

n kk

S A

0 1

Area of Rlimn

kA k R

A dA

เริม่จาก เราแบง่ R ออกเป็นสีเ่หล่ียมเล็ก แล้วหาผลรวม

ผลรวม Sn นี้คือการประมาณพื้นท่ีของ R เมื่อเราแบง่ใหส้ีเ่หล่ียมละเอียดขึ้น โดยใหข้นาดเล็กลง และเพิม่จำานวนขึ้น จะได้

สตูรนี้ใชห้าพื้นท่ีของรูปทรงใดๆ

Page 29: Multiple Integrals

29

Example 1: Areas of Bounded Regions in the Plane

จงหาพื้นท่ีของ R ในรูปวธิทีำา 1. หาขอบเขตการอินทีเกรต

จากรูปจะเหน็วา่ ขอบบนคือสมการ

R

2y x

y x(1,1)

y

y

(0,0)

2y xขอบล่างคือสมการy x

สว่นค่า x อยูร่ะหวา่ง0 1x

ได้

2

1

0

11 2 32

0 0

12 3 6

y x

y x

dydx

x xx x dx

Area

Page 30: Multiple Integrals

30

Example 2: Areas of Bounded Regions in the Plane

2y x

2y x

Rx

y

(2,4)

(-1,1)

จงคำานวณหาพื้นท่ี R ท่ีอยูร่ะหวา่งเสน้โค้ง y = x2 และ เสน้ตรง y = x+2วธิทีำา

1. หาจุดตัดระหวา่งเสน้โค้ง และ เสน้ตรง2y x 2y x

จดัรูปใหส้องสมการเท่ากัน ได้2 2x x

ได้คำาตอบ และ1x 2x ได้จุดตัด (-1,1) และ (2,4)

2. หาขอบเขตการอินทีเกรต จากรูปจะเหน็วา่ ขอบบนคือสมการ

2y xขอบล่างคือสมการ2y x

สว่นค่า x อยูร่ะหวา่ง1 2x

3. คำานวณ

2

22

1

22 2 32

1 1

92 22 3 2

y x

y x

dydx

x xx x dx x

Area

Page 31: Multiple Integrals

31

Example 2: Areas of Bounded Regions in the Plane (cont.)

2y x

2y x

R2

x

y

(2,4)

(-1,1)R1

ในกรณีท่ีเราใหล้ำาดับการอินทีเกรตเป็น dx dy เราจะต้องทำาดังน้ีเน่ืองจากเราไมส่ามารถเขยีนขอบเขตการอินทีเกรตชุดเดียวครอบคลมุพื้นท่ีได้หมด จงึจำาเป็นต้องแบง่พื้นท่ีเป็น 2 ชว่ง

ในชว่ง R1 ได้พื้นท่ี 1 1

0 0

132

0

2

4 43 3

x y

x y

dxdy y dy

y

ในชว่ง R2 ได้พื้นท่ี 4 4

1 2 1

43 22

1

2

2 1923 2 6

x y

x y

dxdy y y dy

yy y

ได้พื้นท่ีรวม 4 19 93 6 2

Page 32: Multiple Integrals

32

Average Valueการหาค่าเฉล่ียของ f(x,y) ใน Domain R เราสามารถใชส้ตูร

1Average value of f(x,y) = ( , )Area of R R

f x y dAตัวอยา่ง จงหาค่าเฉล่ียของ f(x,y) = xcos(xy) ในบรเิวณ R:0 , 0 1x y

วธิทีำา

11

00 0 0

00

cos( ) sin( )

sin( ) cos( ) 1 1 2

x xy dydx xy dx

x dx x

1. คำานวณ ( , )R

f x y dA

2. คำานวณค่าเฉล่ีย =1 1 2( , ) 2

Area of R R

f x y dA

Page 33: Multiple Integrals

33

Moments and Centers of massการประยุกต์ใชง้านอยา่งหน่ึงของ Double integrals คือการหา Moment และจุดศูนยก์ลางมวลของวตัถแุผ่นบางดังสตูรต่อไปน้ี

ให ้ เป็นความหนาแน่นของวตัถแุผ่นบาง (มหีน่วยเป็น นำ้าหนักต่อพื้นท่ี)( , )x y

เราสามารถคำานวณมวลได้ดังนี้ ( , )R

M x y dA

First order moments

( , )xR

M y x y dA ( , )yR

M x x y dA

Center of Mass(จุดศูนยก์ลางมวล)

yMx

M xMy

M ,x y โดย

เทียบกับแกน x : เทียบกับแกน y :

,x y

วตัถแุผ่นบาง

Page 34: Multiple Integrals

34

Moments and Centers of mass (continued)

Moment of inertia about a line L2 ( , ) ( , )L

R

I r x y x y dA โดย r(x,y) คือระยะทางจากจุด (x,y) ถึงเสน้ตรง L

Radii of Gyration (รศัมขีองไจเรชนั)

xx

IRM

yy

IR

M

รศัมเีทียบกับแกน x =

รศัมเีทียบกับแกน y = 00

IRM

รศัมเีทียบกับจุด (0,0) =

Moment of inertia (second order moment)2 ( , )x

R

I y x y dA 2 ( , )yR

I x x y dA

2 20 ( , ) x y

R

I x y x y dA I I

เทียบกับแกน x = เทียบกับแกน y =

เทียบกับจุด (0,0) =

Page 35: Multiple Integrals

35

Example: Moments and Centers of massมโีลหะแผ่นบางเป็นรูปสามเหล่ียมดังรูป และมคีวามหนาแน่นท่ีจุด (x,y) เป็น 6x+6y+6 kg/m2

y = 2x(1,2)

x

y

0 1

1 2 1 2

0 0 0 0

1 122 2

00 0

13 2

0

( , ) 6 6 6

6 3 6 24 12

8 6 14

x x

y x

y

M x y dydx x y dydx

xy y y dx x x dx

x x

มวล =

First order moment

1 2 1 22

0 0 0 0

1 122 3 2 3 2

00 0

14 3

0

( , ) 6 6 6

3 2 3 28 12

7 4 11

x x

x

y x

y

M y x y dydx xy y y dydx

xy y y dx x x dx

x x

1 2 1 2

2

0 0 0 0

( , ) 6 6 6 10x x

yM x x y dydx x yx x dydx

Center of Mass 10 11, ,14 14

x y

Page 36: Multiple Integrals

36

Example: Moments and Centers of mass (continued)

y = 2x(1,2)

x

y

0 1

Moment of inertia

1 2 1 22 2 3 2

0 0 0 0

21 13 4 3 4 3

0 00

15 4

0

( , ) 6 6 6

3 2 2 40 162

8 4 12

x x

x

y x

y

I y x y dydx xy y y dydx

xy y y dx x x dx

x x

1 2 1 2

2 3 2 2

0 0 0 0

39( , ) 6 6 65

x x

yI x x y dydx x x y x dydx

039 99125 5x yI I I

1214

xx

IR

M 39 39/14

5 70y

y

IR

M

00

99 99/145 70

IR

M

Radii of Gyration

Page 37: Multiple Integrals

37

Centroids of Geometric Figuresในกรณีท่ีความหนาแน่นของวตัถแุผ่นบางเป็นค่าคงท่ี เราจะเรยีกจุดศูนยก์ลางมวลวา่จุด Centroidsดังตัวอยา่งต่อไปนี้

R

2y x

y x(1,1)

y

y

(0,0)

ตัวอยา่ง จงหาจุด Centroid ของ Region R วึ่งอยูร่ะหวา่งเสน้โค้ง y = x2 และเสน้ตรง y = x

2

2

1 1 12

0 0 0

12 3

0

1

1 2 3 6

xy x

y xx

M dydx y dx x x dx

x x

2 2

1 1 12 2 4

0 0 0

13 5

0

2 2 2

1 6 10 15

y xx

xx y x

y x xM ydydx dx dx

x x

2

2

1 1 12 3

0 0 0

13 4

0

1 3 4 12

xy x

y y xx

M xdydx xy dx x x dx

x x

ได้ 1/12 1/15 1 2, , ,

1/ 6 1/ 6 2 5x y

Page 38: Multiple Integrals

38

Polar Coordinate SystemPolar coordinate system เป็นระบบบอกตำาแหน่งชนิดหนึ่งใน 2 มติิซึ่งประกอบมุมท่ีวดัจากแกน x (โดยกำาหนดใหค่้าของมุมเป็นบวก เมื่อมุมนัน้อยูใ่นทิศทวนเขม็นาฬิกา) และค่ารศัมีคือค่าระยะทางจากจุด (0,0) ถึงจุดท่ีเราอยู่

ตัวอยา่ง

(1,1)

x

y

2r

4

จุด (1,1) ในระบบ Rectangular coordinate system สามารถแปลงเป็นระบบ Polar coordinate system ได้ดังน้ี

2 2 1 1 2r x y

1arctan arctan1 4

yx

สรุปสตูรการแปลงระหวา่ง RectangularและPolar coordinate

2 2r x y arctan yx

cos( )x r sin( )y r

ได้จุด ( 2, )4 ในระบบ Polar coordinate

Page 39: Multiple Integrals

39

Polar Coordinate System

วธิใีชร้ะบบ Polar coordinate เราจะต้องคุ้นเคยกับการใชมุ้ม ดังตัวอยา่งต่อไปนี้

ใน Rectangular coordinate นัน้จุด (x,y) จะมีจุด (x,-y) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับแกน x

Reflection of a point about the x-axis

ใน Polar coordinate นัน้จุด (r,) จะมีจุด (r,-) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับแกน x

Reflection of a point about the y-axis

ใน Rectangular coordinate นัน้จุด (x,y) จะม ีจุด (-x,y) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับแกน y

ใน Polar coordinate นัน้จุด (r,) จะมีจุด (r,-) หรอื(-r,-) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับแกน y

Page 40: Multiple Integrals

40

Polar Coordinate System

ใน Rectangular coordinate นัน้จุด (x,y) จะม ีจุด (-x,-y) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับจุด Origin

ใน Polar coordinate นัน้จุด (r,) จะมีจุด (-r,) หรอืจุด (r,+) เป็นจุด “สะท้อน” โดยเทียบกับจุด Origin

Reflection of a point about the origin

เสน้ตรง = c หมายถึงสว่นของเสน้ตรงท่ีเริม่จากจุด (0,0) และทำามุมกับแกน x เป็นมุม c

เสน้โค้ง r = c หมายถึงวงกลมรศัมเีท่ากับ c และมจุีดศูนยก์ลางท่ี (0,0)

เสน้ตรงและวงกลมใน Polar coordinate

Polar coordinate ใชไ้ด้ดีกับรูปทรงท่ีเป็นสว่นของวงกลม หรอืรูปทรงท่ีอธบิายโดยฟงัก์ชนัทางตรโีกณมติิในระบบ Rectangular coordinate

Page 41: Multiple Integrals

41

Polar GraphsPolar graph มกัจะอยูใ่นรูป r = function of ซึ่งเราสามารถวาดรูปกราฟเหล่าน้ีได้โดยอาศัยหลักการดังนี้

1. กำาหนดชว่งของ 2. คำานวณ r = f() แล้วเก็บเป็นตาราง3. Plot จุด (r,) โดย ใหมุ้ม = และระยะทาง จากจุด (0,0) เท่ากับ r

กราฟr = 1 - cos()

Page 42: Multiple Integrals

42

Advantage of Polar Coordinate Systemระบบ Rectangular coordinate (x,y) เหมาะสำาหรบัการอธบิายรูปทรงท่ีเป็นสีเ่หล่ียมผืนผ้า แต่จะไมเ่หมาะท่ีจะอธบิายรูปทรงท่ีเป็นสว่นโค้งของวงกลมดังรูป

R2 = 2

R1 = 1

A

B

Cถ้าเราใช ้Rectangular coordinate เราจะต้องแบง่พื้นท่ีออกเป็น 3 สว่นดังนี้

สว่น A 22 1, 0 4x y x

(0,0)

สว่น B 2 21 1, 1 4x x y x

สว่น C21 2, 0 4x y x

ถ้าเราใชร้ะบบ Polar coordinate เราสามารถอธบิายรูปทรงนี้ได้ดังนี้Region : 1 2, 0r

ซึ่งจะง่ายกวา่ใชร้ะบบ Rectangular coordinate มาก

-2 -1 1 2

Page 43: Multiple Integrals

43

Double Integrals in Polar Formในการทำา Double integral ในรูป ของระบบ Rectangular Coordinate นัน้เราทำาการแบง่ R เป็นพื้นท่ีสีเ่หล่ียมยอ่ยๆ แล้วจงึหาผลรวม

( , )R

f x y dxdy

1

( , )n

n k k kk

S f x y A

0 1

( , ) ( , )limn

k k kA k R

f x y A f x y dxdy

จะได้

การทำา Double integral ในระบบ Polar coordinate ก็เชน่เดียวกันเราสามารถแบง่ R ออกเป็นพื้นท่ียอ่ยๆตามรูปแล้วหาผลรวม

1

( , )n

n k k kk

S f r A

ซึ่งเมื่อ Take limit ให้

0A

0 1

( , )

( , )

limn

k k kA k

R

f r A

f r dA

จะได้

Page 44: Multiple Integrals

44

Double Integrals in Polar Formขอ้แตกต่างระหวา่งสตูร Double integral ในระบบ Rectangular coordinateกับของระบบ Polar coordinate คือ A หรอื dA คำานวณมาจากคนละสมการ

A x y ในระบบ Rectangular coordinate

เราจะได้dA dxdykx

ky kA

ในระบบ Polar coordinate A คำานวณได้จากพื้นท่ีของ Large sector - พื้นท่ีของ small sector

2 21 12 2 2 2

22

k k

k k

r rA r r

r r r r

เราจะได้ dA rdrd

เราจะได้สตูรการอินทีเกรตสำาหรบัPolar coordinate

( , )R

f r rdrd

Page 45: Multiple Integrals

45

Finding Limits of Integration in Polar Form ในการหาขอบเขตของการอินทีเกรตในระบบ Polar coordinate เรานิยมกำาหนดให ้ขอบเขตของ r อยูใ่นรูปของ function ของ และใหข้อบเขตของ เป็นค่าคงท่ีเพื่อความสะดวก 1. เราจะกำาหนดขอบเขตของ r เป็น รศัมวีงใน และ รศัมวีงนอก โดย

รศัมวีงใน 1( )r r

รศัมวีงนอก 2 ( )r r

2. กำาหนดขอบเขตของมุม มุมเริม่ต้น

มุมสิน้สดุ

2

1

( )

( )

( , )r

r

f r rdrd

ได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

Page 46: Multiple Integrals

46

Finding Limits of Integration in Polar Formขัน้ตอนในการหาขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ Polar coordinate เป็นดังนี้

1. หาขอบเขตของ r คือ รศัมวีงนอก และรศัมวีงใน โดยมากโจทยม์กัจะกำาหนดขอบเขต Region อยูใ่นรูปฟงัก์ชนัในระบบ Rectangular coordinate ดังนัน้เราจงึต้องแปลงใหอ้ยูใ่นรูป Polar coordinate ก่อน โดยใชส้ตูร

cos( )x r sin( )y r

รศัมวีงนอก มสีมการ2 2 4x y เขยีนในรูป Polar form ได้2 2( cos ) ( sin ) 4r r

ได้ 2 4r หรอื r = 2

รศัมวีงใน มสีมการ 2y เขยีนในรูป Polar form ได้

sin 2r หรอื2 2 csc

sinr

Page 47: Multiple Integrals

47

Finding Limits of Integration in Polar Form (continued) วธิกีารหาวา่ขอบใดของ Region คือรศัมวีงใน ขอบใดคือรศัมวีงนอก ใหด้ท่ีู ระยะทางจากจุด (0,0) ถึงขอบนัน้ๆ - ถ้าขอบใดใกล้จุด (0,0) มากท่ีสดุใหถื้อวา่ขอบนัน้เป็นขอบใน

- ถ้าขอบใดไกลจุด (0,0) มากท่ีสดุใหถื้อวา่ขอบนัน้เป็นขอบนอก

ขอบน้ีอยูไ่กลกวา่ ใหถื้อวา่เป็นรศัมวีงนอก

ขอบน้ีอยูใ่กล้กวา่ ใหถื้อวา่เป็นรศัมวีงใน

Page 48: Multiple Integrals

48

Finding Limits of Integration in Polar Form (continued)

2. ขัน้ตอนต่อมาคือการหาขอบเขตของ โดยดจูากมุมท่ีเล็กท่ีสดุและมุมท่ีโตท่ีสดุท่ีเสน้ตรงในแนวรศัมสีมัผัสกับ Region

มุมท่ีเล็กท่ีสดุในขอ้น้ีคือ1 1tan

1 4

(1,1)

มุมท่ีโตท่ีสดุในขอ้นี้คือ

2

3. ขัน้ตอนสดุท้ายคือการเขยีนสตูรการอินทีเกรต2

1

( )

( )

( , )r

r

f r rdrd

ในขอ้น้ีเราจะได้22

2 csc4

( , ) r

r

f r rdr d

ระวงัอยา่ลืมใส ่r ตรงน้ี !

Page 49: Multiple Integrals

49

Example: Finding Limits of Integration in Polar Formจงเขยีนสตูรการอินทีเกรตฟงัก์ชนั f(r,) = rcos ในรูป Polar form ของ Region ในภาพ

R

1 1 cosr 2 1r 1. หาขอบเขตของ r ในท่ีนี้ในบรเิวณ Region R จะเหน็วา่ r1 จะอยูใ่กล้กวา่ r2 ดังนัน้จะได้ r1 เป็นรศัมวีงใน r2 เป็นรศัมวีงนอก

รศัมวีงนอก

รศัมวีงใน

2. หาขอบเขตของมุม โดยดจูากจุดตัดของสมการทัง้สอง

จุดตัดด้านล่างอยูท่ี่มุม

จุดตัดด้านบนอยูท่ี่มุม2

2

3. ได้สตูร12

2

1 cos2

cos r

r

r dr d

Page 50: Multiple Integrals

50

Area in Polar Coordinatesในกรณีท่ีเรากำาหนดให ้f(r,) = 1 เราจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

2

1

( )

( )

r

r

rdrd

ซึ่งจะได้พื้นท่ีออกมา

Area = 2

1

( )

( )

r

r

rdrd

ตัวอยา่งจงหาพื้นท่ีของวงปิด2 4cos 2r

2 4cos 2r

1. หาขอบเขตของ rในขอ้น้ีจะเหน็วา่เราไมม่รีศัมวีงใน ดังนัน้รศัมวีงในคือ 0สว่นรศัมวีงนอกคือ 2 cos 2r

2. หาขอบเขตของ

ในขอ้น้ีเราจะแบง่พื้นท่ีออกเป็น 4 สว่น แล้วหาพื้นท่ีเพยีงสว่นเดียวแล้วคณูด้วย 4

0

4

มุมท่ีเล็กท่ีสดุคือมุม = 0มุมท่ีโตท่ีสดุ: เน่ืองจากเสน้โค้ง ผ่านจุด (0,0) ท่ีจุดน้ีได้ r = 02 4cos 2r

เราได้ cos 2 0 หรอื20 4cos 2 ได้2

2 หรอื

4

Page 51: Multiple Integrals

51

Area in Polar Coordinates (continued)

4 ดังนัน้ได้สตูรหาพื้นท่ีในรูปเป็น

2 cos24

0 0

r

r

rdr d

ทำาการอินทีเกรตชัน้แรกได้

2 cos22 cos2 2

0 0

cos 22

rr

r r

rrdr

ทำาการอินทีเกรตชัน้ท่ีสองได้4 4

00

sin 2 1cos 22 2

d

พื้นท่ีรวมทัง้หมด =14 22

Page 52: Multiple Integrals

52

Changing Cartesian Integrals into Polar Integralsการแปลงจากระบบ Rectangular coordinate เป็น Polar coordinate บางครัง้จะชว่ยให้การอินทีเกรตทำาได้ง่ายขึ้นดังตัวอยา่งนี้

R 1 x

y 2 2 1x y ตัวอยา่ง จงคำานวณค่า

211

2 2

0 0

y xx

x y

x y dydx

ในขอ้น้ี ขอบเขตการอินทีเกรตคือพื้นท่ี 1/4 ของวงกลมดังรูปถ้าอินทีเกรตโดยตรงจะเป็นดังน้ี

อินทีเกรตชัน้แรก 22 3/ 21 21 32 2 2 2 2

0 0

11

3 3

y xy x

y y

xyx y dy x y x x

อินทีเกรตชัน้ท่ีสอง 3/ 2212 2

0

11

3

x

x

xx x dx

ทำาต่อไปจะลำาบาก

Page 53: Multiple Integrals

53

Changing Polar Integrals into Cartesian Integrals

R 1 x

y 2 2 1x y

2 2 2 2 2 2( , ) cos sinf x y x y r r

ในขอ้เดียวกันถ้าเราเปล่ียนมาใช ้Polar coordinate จะต้องมขีัน้ตอนดังนี้1. ใน function f(x,y) เราจะต้องแทน x ด้วย rcosและแทน y ด้วย rsin จะได้ f(r,) เป็น

2. หาขอบเขตการอินทีเกรตใหมใ่นรูป r และ ได้ รศัมวีงใน r = 0 รศัมวีงนอก r = 1 มุมตำ่าสดุ = 0 มุมสงูสดุ = /2

3. เขยีนสตูรการอินทีเกรต

2

1

( ) / 2 1 / 2 12 3

( ) 0 0 0 0

( , )r r r

r r r

f r rdrd r rdrd r drd

4. คำานวณ

1/ 2 1 / 2 / 243

0 0 0 00

14 4 8

rr

r r

rr drd d d

Page 54: Multiple Integrals

54

Example: Changing from rectangular to polar form

จงคำานวณค่า 2 2

yx

x y

x y

e dydx

(ขอ้น้ีมขีอบเขตการอินทีเกรตเป็น ระนาบ XY ทัง้หมด)

วธิทีำา 1. เปล่ียนรูปเป็น Polar form ได้ 2 2 2

( , ) ( , )x y rf x y e e f r

2. หาขอบเขตการอินทีเกรตในรูป r และ ได้ รศัมวีงใน r = 0 รศัมวีงนอก r = มุมตำ่าสดุ = 0 มุมสงูสดุ = 2

3. เขยีนสตูรการอินทีเกรต2

2

1

( ) 2

( ) 0 0

( , )r r

r

r r

f r rdrd e rdrd

4. คำานวณ

22

2 2 2

0 0 0 00

10 ( )2 2

rr rr

r r

ee rdrd d d

Page 55: Multiple Integrals

55

Triple Integrals in Rectangular Coordinates

z

xy

D

x

y

zในกรณีของการอินทีเกรต function 3 ตัวแปรในระบบRectangular coordinate เรามวีธิคิีดดังน้ี

กำาหนดใหข้อบเขตการอินทีเกรตเป็น Region D ดังรูปถ้าเราแบง่ D ออกเป็นกล่องสีเ่หล่ียมเล็กโดยมีความกวา้งเป็น x ความยาวเป็น y ความสงูเป็น z

v

ปรมิาตรของกล่องจะเป็นv x y z

เราจะได้ผลรวม Rieman sum เป็น

1

1

( , , )

( , , )

n

n k k k kk

n

k k k k k kk

S f x y z v

f x y z x y z

0, 1

( , , ) ( , , ) ( , , )limn

k k k kv n k D D

f x y z v f x y z dv f x y z dxdydz

เมื่อให ้v เขา้ใกล้ 0 จะได้

Page 56: Multiple Integrals

56

Properties of Triple Integrals

( , , ) ( , , )D D

kf x y z dv k f x y z dv

( , , ) ( , , ) ( , , ) ( , , )D D D

f x y z g x y z dv f x y z dv g x y z dv

( , , ) 0 if ( , , ) 0 on DD

f x y z dv f x y z

( , , ) ( , , ) if ( , , ) ( , , ) on DD D

f x y z dv g x y z dv f x y z g x y z

1 2

( , , ) ( , , ) ( , , )D D D

f x y z dv f x y z dv f x y z dv

1.

2.

3.

4.

5. If 1 2D D D D = D1 D2

Page 57: Multiple Integrals

57

Comparison Between Double integrals and Triple integrals

ในสตูร Double integral ตัวอนุพนัธท่ี์ใชจ้ะเป็น dA (โดย A ยอ่มาจาก Area)

เพราะวา่ขอบเขตการอินทีเกรต (R) เป็นพื้นท่ีในระนาบ 2 มติิ (ระนาบ XY)

( , )R

f x y dA

dV

D

x

y

z ในกรณีของ Triple integral ตัวอนุพนัธจ์ะใชเ้ป็นdV (โดย V ยอ่มาจาก Volume)

เพราะวา่ขอบเขตการอินทีเกรต (D) เป็นปรมิาตรใน 3 มติิ

( , , )D

f x y z dv

หมายเหต ุในกรณีน้ีเรามตัีวแปรถึง 3 ตัว แต่การอินทีเกรตทำาได้ทีละตัวแปร ดังนัน้เราจะต้องทำาการอินทีเกรตถึง 3 ครัง้ เราจงึเรยีกวา่ Triple integral

Page 58: Multiple Integrals

58

Procedure for Finding Limits of Integration in Triple Integrals เรื่องสำาคัญเรื่องแรกในการคำานวณ Triple integral คือการหาขอบเขตของการอินทีเกรต ในกรณีนี้เราม ีขอบเขตการอินทีเกรต D เป็นรูปทรงใน 3 มติิดังรูป

1.กำาหนดลำาดับการอินทีเกรต เชน่ ถ้าอินทีเกรตเทียบกับ z, y, และ x ตามลำาดับ จะได้ลำาดับการอินทีเกรตเป็น dz dy dx

2. หาขอบเขตของตัวแปรท่ีจะอินทีเกรตเป็นลำาดับแรกสดุ (ในกรณีน้ี คือ z) โดยใหอ้ยูใ่นรูปฟงัก์ชนัของตัวแปรท่ีเหลือ(ในกรณีน้ีคือ x และ y) โดยกำาหนดให้

พื้นผิวด้านบนคือสมการ z = f2(x,y)พื้นผิวด้านล่างคือสมการ z = f1(x,y)

การกำาหนดขอบเขตมขีัน้ตอนดังนี้

ฝาด้านบน

ฝาด้านล่าง

ใหเ้รามองวา่รูปทรงนี้มฝีาครอบด้านบนและด้านล่างโดยฝาด้านบนคือสมการ z = f2(x,y) และฝาด้านล่างคือสมการ z = f1(x,y)

Page 59: Multiple Integrals

59

Procedure for Finding Limits of Integration in Triple Integrals

3. หา “เงา” ของรูปทรง D ท่ีตกลงบนระนาบของตัวแปรท่ีเหลือ (ในท่ีนี้คือระนาบ XY) แล้วหาขอบเขตของตัวแปรท่ีจะอินทีเกรตเป็นลำาดับถัดมา(ในกรณีนี้ คือ y) โดยใหอ้ยูใ่นรูปฟงัก์ชนัของตัวแปรท่ีเหลือ (ในกรณีน้ีคือ x) โดยกำาหนดให้ ขอบด้านล่างของเงาคือสมการ y = g1(x)

ขอบด้านบนของเงาคือสมการ y = g2(x)

เงาของ D ท่ีตกบนระนาบ XY(เสมอืนเป็นภาพ Top view ของ D)

4. หาขอบเขตของตัวแปรท่ีจะอินทีเกรตเป็นลำาดับสดุท้าย (ในกรณีน้ี คือ x) โดยกำาหนดใหอ้ยูใ่นรูปค่าตำ่าสดุและสงูสดุ ค่าตำ่าสดุของ x คือ a

ค่าสงูสดุของ x คือ b ได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

2 2

1 1

( ) ( , )

( ) ( , )

( , , )y g x z f x yx b

x a y g x z f x y

F x y z dzdydx

Page 60: Multiple Integrals

60

y

x

z

A(1,1,0)(0,1,0)

B(0,1,1)

DC(0,0,0)

Example1: Finding Limits of Integration in Triple Integrals

ตัวอยา่ง จงหาขอบเขตการอินทีเกรต โดยกำาหนดใหเ้ป็น Region D ท่ีประกอบด้วยจุดยอดท่ี (0,0,0) (0,1,0)(1,1,0) และ (0,1,1)

วธิทีำา 1. เราต้องหาสมการของระนาบพื้นผิวด้านบน ก่อนระนาบน้ีผ่านจุด (0,0,0) (0,1,1) และ (1,1,0)

1 1 00 1 1

i j ki j k

1.1 หา Normal vector =

1.2 ได้สมการระนาบ 0x y z

2. กำาหนดลำาดับการอินทีเกรต ในขอ้นี้ เราใหเ้ป็น dy dz dx

3. หาขอบเขตของ y ในรูป function ของ x และ z ได้ ขอบซา้ย เป็นสมการy x z

ขอบซา้ยขอบขวา

ได้ ขอบขวา เป็นสมการ 1y

Page 61: Multiple Integrals

61

y

x

z

A(1,1,0)(0,1,0)

B(0,1,1)

D

C

4. หาขอบเขตของ z ในรูป function ของ xใหเ้ราด ู“เงา” ของสามเหล่ียม ABC ท่ีมจุีดยอดท่ี (1,1,0),(0,1,1) และ (0,0,0) ท่ีตกบนระนาบ XZ

Example1: Finding Limits of Integration in Triple Integrals (cont.)

เงานี้ เป็นรูปสามเหล่ียมท่ีประกอบด้วยด้าน 3 ด้านคือเสน้ตรงx + z = 1, z = 0 และ z = 0

ดังนัน้จะได้ขอบเขตของ z เป็น1z x 0z ขอบบน ขอบล่าง

5. หาขอบเขตของ x ได้ ค่าตำ่าสดุของ x คือ x = 0 และค่าสงูสดุของ x คือ x = 1

เราจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น11 1

0 0

( , , )yx z x

x z y x z

F x y z dydzdx

Page 62: Multiple Integrals

62

Example2: Volume of a Region in Spaceในกรณีท่ีเราให ้f(x,y,z) = 1 การทำา Triple integral จะได้ปรมิาตรของ Region นัน้ออกมาตัวอยา่ง จงหาปรมิาตรของผิวปิดท่ีเกิดจากผิว z = x2+3y2 และ z = 8-x2-y2

ในขอ้น้ีเราม ีParaboloid 2 สมการดังรูป

ฝาด้านบน

ฝาด้านล่าง

1. หาขอบเขตของ z“ฝาค้านบน”คือสมการ

2 28z x y

“ฝาค้านล่าง”คือสมการ2 23z x y

2. หาเงาของ Region ท่ีตกลงบนระนาบ XY

ในกรณีน้ีเราต้องหารอยตัดของพื้นผิว ทัง้สอง จากการใหส้องสมการเท่ากัน

(วธินีี้ใชเ้ฉพาะในขอ้นี้)2 2 2 28 3x y x y

ได้สมการ 2 22 4x y

yx

z

Page 63: Multiple Integrals

63

Example2: Volume of a Region in Space (continued)

3. เมื่อได้เงาของ Region ท่ีตกลงบนระนาบ XY เป็นสมการ

2 22 4x y

ใหเ้ขยีน y ในรูป function ของ x

2-2 x

y2

2

242

xy

242

xy

ขอบล่าง

ขอบบน

242

xy ขอบบน

242

xy ขอบล่าง

4. หาขอบเขตของ x ได้ 2 2x

ได้สตูรการอินทีเกรตเป็น2 2 2

2 22

(4 ) / 2 82

2 3(4 ) / 2

y x z x yx

x z x yy x

dzdydx

Page 64: Multiple Integrals

64

2 2 2

2 22

2 2

2 2

2

2

(4 ) / 2 82

2 3(4 ) / 2

(4 ) / 2 (4 ) / 22 22 2 2 2 2 2

2 2(4 ) / 2 (4 ) / 2

(4 ) / 22 32

2 (4 ) / 2

8 3 = 8 2 4

48 2 2(8 23

y x z x yx

x z x yy x

y x y xx x

x xy x y x

xx

x x

dzdydx

x y x y dydx x y dydx

yx y dx x

3/ 22 2 22

2

3/ 2 3/ 22 22 2 3/ 22

2 2

4 8 4)2 3 2

4 8 4 4 28 42 3 2 3

8 2

x

x

x x

x x

x x dx

x x dx x dx

5. คำานวณปรมิาตร

Example2: Volume of a Region in Space (continued)

Page 65: Multiple Integrals

65

Example3: Finding Limits of Integration in Triple Integrals

1

1

2x

y

zy + z = 1

จงหาสตูรการอินทีเกรตหาปรมิาตรของแท่งปรซิึ่มนี้วธิทีำา ลำาดับการอินทีเกรตท่ีเป็นไปได้ม ี6 รูปแบบท่ีไมซ่ำ้ากันดังน้ี

11 2

0 0 0

y zz x

z y x

dxdydz

a)

b)1 1 2

0 0 0

y z y x

y z x

dxdzdy

c) d)

e) f)

11 2

0 0 0

y zz x

z x y

dydxdz

11 1

0 0 0

y zx z

x z y

dydzdx

1 12

0 0 0

y z yx

y x z

dzdxdy

1 12

0 0 0

y z yx

x y z

dzdydx

Page 66: Multiple Integrals

66

Example4: Volume of a Region in Spaceจงหาปรมิาตรของ Region ท่ีอยูร่ะหวา่ง 2 Cylinder ดังรูป

ในขอ้นี้เรามทีรงกระบอกในแนวตัง้ (ขนานกับแกน z) ตัดกับทรงกระบอกในแนวนอน (ขนานกับแกน y)วธิทีำา 1. จดัลำาดับการอินทีเกรตเป็น dz dy dx

2. หาขอบเขตของ z ได้เป็น 20 1z x

3. หาขอบเขตของ y ได้เป็น 20 1y x

0 1x 4. หาขอบเขตของ x ได้เป็น

ได้ผลลัพธข์องการอินทีเกรตเป็น

2 221 11 1 12

0 0 0 0 0

11 32 2

0 0

1

21 13 3

y x y xx z x x

x y z x y

xx

x x

dzdydx x dydx

xx x dx x

Page 67: Multiple Integrals

67

Average Value in Space

2

2

2x

y

z

การหาค่าเฉล่ียของ f(x,y,z) ใน Domain D เราสามารถใชส้ตูร1Average value of f(x,y,z) = ( , , )

Volume of D D

f x y z dV

Dวธิทีำา 1. หาขอบเขตการอินทีเกรต ได้

ตัวอยา่ง จงหาค่าเฉล่ียของ F(x,y,) = xyz ในกล่องลกูบาศก์ดังรูป

0 2, 0 2, 0 2,x y z 2. ทำาการอินทีเกรต

222 2 2 2 2

0 0 0 0 0 0

2 2 2 222

00 0 0 0

22

0

2

2 4

2 8

xyz x

z y x x

y

y

x yzxyzdxdydz dydz

yzdydz y z dz zdz

z

3. หาปรมิาตรของกล่อง Volume = กวา้งxยาวxสงู = 23=8

ได้ค่าเฉล่ีย = 8/8 = 1

Page 68: Multiple Integrals

68

Moments and Mass in 3 Dimensionsการประยุกต์ใชง้านอยา่งหน่ึงของ Triple integrals คือการหา Moment และจุดศูนยก์ลางมวลของวตัถ ุ3 มติิดังสตูรต่อไปนี้

ให ้ เป็นความหนาแน่นของวตัถ ุ3 มติิ (มหีน่วยเป็น นำ้าหนักต่อปรมิาตร)( , , )x y z

เราสามารถคำานวณมวลได้ดังนี้ ( , , )D

M x y z dV

First order moments( , , )yz

D

M x x y z dV

Center of Mass(จุดศูนยก์ลางมวล)

yzMx

M xzMy

M

, ,x y zเทียบกับระนาบ yz :

, ,x y z

วตัถ ุ3 มติิ

( , , )xzD

M y x y z dVเทียบกับระนาบ xz :

( , , )xyD

M z x y z dVเทียบกับระนาบ xy :

xyMz

M

Page 69: Multiple Integrals

69

Moment of inertia about a line L

โดย r คือระยะทางจากจุด (x,y,z) ถึงเสน้ตรง L

Moment of inertia (second order moment)

2 2 ( , , )xD

I y z x y z dV เทียบกับแกน x :

เทียบกับแกน y :

Moments and Mass in 3 Dimensions (continued)

2 2 ( , , )yD

I x z x y z dV

เทียบกับแกน z : 2 2 ( , , )zD

I x y x y z dV

2 ( , , )LD

I r x y z dVRadii of Gyration (รศัมขีองไจเรชนั) L LR I M

x xR I Mรศัมเีทียบกับแกน x:

เทียบกับเสน้ตรง L:

y yR I Mรศัมเีทียบกับแกน y:

z zR I Mรศัมเีทียบกับแกน z:

Page 70: Multiple Integrals

70

Example: Moments and Mass in 3 Dimensions

x

y

z

b

c

a

จงคำานวณหา Ix Iy และ Iz ของวตัถดุังรูปท่ีมคีวามหนาแน่นคงท่ี =

/ 2/ 2 / 2

2 2

/ 2 / 2 / 2

y bz c x a

xz c y b x a

I y z dxdydz

วธิทีำา

เน่ืองจาก (y2+z2) เป็นฟงัก์ชนัสมมาตรเราจงึสามารถปรบัอินทีเกรตเป็น

/ 2/ 2 / 2 / 2 / 22 2 2 2

0 0 0 0 0

/ 2/ 2 / 23 3 22

0 00

3 32 2 2 2

8 4

4 43 24 2

448 48 12 12

y bz c x a c b

xz y x

y bc c

y

I y z dxdydz a y z dydz

y b z ba z y dz a dz

b c c b abc Ma b c b c

โดย M = มวลของวตัถุ ในทำานองเดียวกัน เราได้ 2 2

12yMI a c 2 2

12zMI a b

Page 71: Multiple Integrals

71

Example: Moments and Mass in 3 Dimensionsจงหาจุดศูนยก์ลางมวลของวตัถดัุงรูปท่ีมคีวามหนาแน่นคงท่ี =

วธิทีำา1. จากรูป เนื่องจากวตัถน้ีุสมมาตรตามแนวแกน zเราสามารถสรุปได้วา่ 0x 0y

2. คำานวณ z

2 22 2 44 2

0 0

22 2

( , , )

2

4

xyD

z x yz x y

R z R z

R

M z x y z dV

zz dzdydx dydx

x y dydx

เพื่อความสะดวก เราเปล่ียนจาก Rectangular เป็น Polar form จะได้

2 22 22 2 2

0 0

22 232

00 0

4 42

1 16 3242 6 3 3

xyR

r

r

M x y dydx r rdrd

r d d

ในทำานองเดียวกัน เราได้8

D

M dzdydx

จะได้43

xyMz

M

Page 72: Multiple Integrals

72

ในระบบ Cartesian (Rectangular) Coordinate นัน้เราใช ้(x,y,z) ในการบอกตำาแหน่งของจุดใน Space 3 มติิ ระบบน้ีเหมาะสมจะใชใ้นการอินทีเกรตในกรณีท่ีขอบเขตของการอินทีเกรตประกอบด้วยเสน้ตรง ระนาบหรอื เป็นกล่อง แต่ถ้าขอบเขตการอินทีเกรตเป็นรูปทรงอ่ืนๆ เชน่ทรงกระบอก ทรงกลมแล้ว การใช ้Rectangular Coordinate ในการอินทีเกรตจะยากมาก

เราสามารถใชร้ะบบการบอกตำาแหน่งแบบอ่ืนๆมาชว่ยในการอินทีเกรตได้เชน่การใช้Polar coordinate ท่ีผ่านมา ในกรณีของ Space 2 มติิ หรอื Cylindrical Coordinate และ Spherical Coordinate ในกรณีของ Space 3 มติิเป็นต้น ระบบเหล่าน้ีอาจไมเ่ป็นท่ีคุ้นเคยนัก แต่จะสามารถชว่ยใหก้ารคำานวณง่ายขึ้นมากถ้าเลือกระบบ Coordinate ท่ีเหมาะสม

Coordinate Systems

Page 73: Multiple Integrals

73

Cylindrical Coordinate ระบบพกิัดทรงกระบอกเป็นระบบผสมระหวา่ง Polar coordinate กับ Rectangular Coordinate โดย (x,y) ในระบบ rectangular จะถกูแทนด้วย (r,) ในระบบ Polar สว่นค่า z ทัง้ 2 ระบบเป็นตัวเดียวกัน ดังนัน้ ระบบ Cylindrical coordinate จะประกอบด้วยค่า 3 ค่าคือ r,, และ z ดังรูป

ระบบพกิัดทรงกระบอกนี้ เหมาะสำาหรบัอธบิายวตัถ ุ3 มติิท่ีมรีูปทรงเป็นทรงกระบอกในแนวตัง้ (แกนของทรงกระบอกขนานแกน z)

โดยหน้าตัดของรูปทรงนี้ในแนวระนาบ xyเราจะอธบิายโดยใช ้Polar form (r,) สว่นความสงูเราจะใช ้z อธบิาย

Page 74: Multiple Integrals

74

Relation Between (r,, z ) and (x,y,z)

cosx r

siny r

z z

From Cylindrical To Cartesian

2 2r x y

arctan yx

z z

From Cartesian To Cylindrical

หมายเหต ุz ใน Cylindrical และ Cartesian เป็นตัวเดียวกัน

สตูรการแปลงระหวา่ง Cylindrical และ Rectangular coordinate เป็นดังนี้

Page 75: Multiple Integrals

75

Objects of Constant r,, z in Cylindrical Coordinate ในการวเิคราะหร์ูปรา่งวตัถโุดยใชร้ะบบพกิัดทรงกระบอก เราต้องทราบวา่ ถ้าเราใหตั้วแปรใดตัวแปรหนึ่ง

คงท่ี แล้วเราจะได้วตัถใุดออกมา ดังเชน่กรณีต่อไปน้ี

2. ถ้าให ้z = z0 เราจะได้ระนาบท่ีขนานกับระนาบ xy และมคีวามสงูจากระนาบ xyเท่ากับค่า z0

1. ถ้าให ้r = r0 เราจะได้ผิวทรงกระบอกหน้าตัดวงกลม มแีกน z เป็นแกนกลางและมรีศัมีเท่ากับ r0

3. ถ้าให ้ = 0 เราจะได้ระนาบท่ีตัง้ฉากกับระนาบ xy และทำามุมกับระนาบ xz เท่ากับ 0

Page 76: Multiple Integrals

76

dV in Cylindrical Coordinate

dV dz rdr d

ในสตูร Triple integrals อนุพนัธท่ี์ใชคื้อ dV นัน้มคีวามหมายเป็น “สว่นยอ่ยๆ” ของปรมิาตรดังนัน้เมื่อเราทำาการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกระบอกเราจะต้องทราบวา่ dV มสีตูรอยา่งไร

สำาหรบัระบบพกิัดทรงกระบอก เราจะม ีdV เป็นชิน้สว่นดังรูป ซึ่งสามารถคำานวณปรมิาตรได้จาก

( , , )D

f r z dV

ดังนัน้สตูรการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกระบอกจะเป็น

( , , )D

f r z rdzdrd

Page 77: Multiple Integrals

77

Triple Integral in Cylindrical Coordinate

2( , )2

1 1

( )

( ) ( , )

( , , ) ( , , ) rz gr h

D r h z g r

f r z dv f r z dz rdr d

ในการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกระบอก เพื่อความสะดวก เรานิยมให ้z เป็น function ของ (r,) และให ้r เป็น function ของ ซึ่งจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

ดังนัน้ลำาดับการอินทีเกรตจะเป็น dz dr d เราจะได้ขัน้ตอนการหาขอบเขตการอินทีเกรตดังนี้

ขอบเขต z จะอยูใ่นรูปแบบ พื้นผิวด้านบนคือสมการ z = g2(r,) พื้นผิวด้านล่างคือสมการ z = g1(r,)

1. Finding Limit of z in Cylindrical Coordinate

Page 78: Multiple Integrals

78

Finding Limit of Integration in Cylindrical Coordinate

2. Finding Limit of r in Cylindrical Coordinate หลังจากท่ีเราได้ขอบเขตของ z แล้ว จะเหลือตัวแปร 2 ตัวคือ (r,) ใหเ้ราหาขอบเขตของ (r,) โดยวธิกีารเดียวกับการหา ขอบเขตของ (r,) ใน Polar coordinate กล่าวคือ

2.1 หาเงาของ Region ท่ีตกลงบนระนาบ XY2.2 หาขอบเขตของ r ในรูป function ของ

รศัมวีงใน 1( )r h รศัมวีงนอก 2 ( )r h

3. Finding Limit of มุมเริม่ต้น

มุมสิน้สดุ

2( , )2

1 1

( )

( ) ( , )

( , , ) rz gr h

r h z g r

f r z dz rdrd

ได้สตูร

Page 79: Multiple Integrals

79

Example 1: Finding Limit of Integration in Cylindrical Coordinate

2

y = x

1

z = 2 - y

x

y

z จากรูป จงหาขอบเขตของการอินทีเกรตในรูปพกิัดเชงิขัว้วธิทีำา 1. หาขอบเขตของ z ในรูปผิวด้านบนและผิวด้านล่าง

ผิวด้านบนคือสมการ z = 2 - yผิวด้านล่างคือสมการ z = 0

เน่ืองจากระบบ Cylindrical coordinate มตัีวแปรเป็น (r,,z) เราจงึต้องแปลง z ใหอ้ยูใ่นรูปฟงัก์ชนัของ (r,)

จะได้ผิวด้านบนคือสมการ ผิวด้านล่างคือสมการ

sin2 rz 0z

2.หาขอบเขตการอินทีเกรตของ r ในขัน้ตอนนี้เราต้องมองภาพ Top view ของรูปทรงนี้

0 1

y = x

x

y

ภาพ Top view ในท่ีนี้ รศัมวีงในคือ r = 0 เพราะวา่รูปสามเหล่ียมนี้รวมจุด (0,0) ไว้สว่นรศัมวีงนอกคือเสน้ตรง x = 1 แต่เน่ืองจากวา่ในท่ีน้ีเราต้องการสมการในรูปของ r และ

รศัมวีงนอก สมการ x = 1 จะได้ 1cos r

หรอืรศัมวีงนอกจะได้ cos1

r

Page 80: Multiple Integrals

80

Example 1: Finding Limit of Integration in Cylindrical Coordinate (cont.)

2

y = x

1

z = 2 - y

x

y

z

0 1

y = x

x

y

3. หาขอบเขตของ มุมเริม่ต้นมุมสิน้สดุ

0

4

4. จะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

4

4/

0

cos/1

0

sin2

0

),,(

r

r

rz

z

zrdrdzrf

Page 81: Multiple Integrals

81

Example2: Triple Integral in Cylindrical Coordinateจงหาขอบเขตการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกระบอกของวตัถใุนรูปโดยกำาหนดให้

ผิวด้านบนคือสมการ 2 2z x y ผิวด้านล่างคือสมการ z = 0 สว่นผิวด้านขา้งเป็นทรงกระบอกในแนวตัง้ท่ีแกนกลางผ่านจุด (0,1,0)

วธิทีำา1. หาขอบเขตของ z ในขอ้น้ีเราได้ พื้นผิวด้านบนคือสมการ พื้นผิวด้านล่างคือสมการ

2 2 2z x y r

0z

2. หาเงาของรูปทรงนี้ในระนาบ XYเน่ืองจากผิวด้านขา้งของรูปทรงนี้คือทรงกระบอกท่ีมีหน้าตัดวงกลมดังในรูป ดังนัน้เงาของรูปทรงนี้จะเป็นวงกลมรศัม ี1 หน่วยและมจุีดศูนยก์ลางท่ี (0,1,0)ซึ่งมสีมการเป็น

สมการของวงกลมน้ีใน Polar form จะเป็น 22 1 1x y

22 2cos sin 1 1r r

หรอื 2sinr

Page 82: Multiple Integrals

82

Example2: Triple Integral in Cylindrical Coordinate (cont.)

3. หาขอบเขตของ r ในรูป function ของ ในขอ้น้ี เน่ืองจาก วงกลม ผ่านจุด (0,0) ดังนัน้ รศัมวีงในจะเป็น r = 0

สว่นรศัมวีงนอกจะเป็น 22 1 1x y

2sinr

4. หาขอบเขตของ

(0,1)

x

y

เงาของรูปทรงน้ีในระนาบ xy

เน่ืองจากวงกลมสมัผัสแกน x พอดีจะได้มุมเริม่ต้น = 0และมุมสิน้สดุ =

เราจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น22sin

0 0 0

( , , ) r z r

r z

f r z dz rdrd

Page 83: Multiple Integrals

83

Example3: Triple Integral in Cylindrical Coordinateจงหาจุดศูนยก์ลางมวลของรูปทรงตันในภาพท่ีถกูปิดด้วยทรงกระบอก และมขีอบเขตบนเป็น และขอบเขตล่างเป็นระนาบ xy โดยมคีวามหนาแน่น = 1

2 2 4x y 2 2z x y

วธิทีำา 1. เน่ืองจากรูปทรงนี้สมมาตรกับแกน z ดังนัน้ได้0x 0y

2. หาขอบเขตของ z ในรูป function ของ r และ zเหลือค่าท่ีต้องคำานวณคือ

ได้พื้นผิวด้านบนเป็น 2 2 2z x y r

ได้พื้นผิวด้านล่างเป็น 0z

3. หาขอบเขตของ r ได้รศัมวีงใน r = 0ได้รศัมวีงนอก r = 2

4. หาขอบเขตของ ได้ได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

0 2

22 2

0 0 0

( , , ) r z r

r z

f r z dz rdrd

Page 84: Multiple Integrals

84

Example3: Triple Integral in Cylindrical Coordinate (cont.)

5. หามวลของรูปทรงตัน 2

22 2 2 2

00 0 0 0 0

22 2 2 243

0 0 0 00

1

4 84

r z r rz r

zr z r

r

r

M dz rdrd z rdrd

rr drd d d

6. คำานวณ Mxy222 2 2 2 2

0 0 0 0 0 0

22 2 2 25 6

0 0 0 00

2

16 322 12 3 3

z rr z r r

xyr z r z

r

r

zM zdz rdrd rdrd

r rdrd d d

ได้ 32 / 3 48 3

z

ได้จุด 4, , 0,0,3

x y z

Page 85: Multiple Integrals

85

Spherical Coordinateระบบพกิัดทรงกลมเป็นระบบบอกตำาแหน่งท่ีออกแบบมาใชอ้ธบิายตำาแหน่งของวตัถบุนผิวทรงกลมโดยประกอบด้วยค่า 3 ค่าคือ , และ ตามความหมายดังนี้

ระบบนี้คล้ายกับระบบท่ีเราใชใ้นการบอกตำาแหน่งพกิัดบนโลกด้วยด้วยค่า Latitudeและ Longitude และ Altitudeในท่ีนี้ Latitude เทียบได้กับ Longitude เทียบได้กับ สสสสAltitude เป็นการวดัระดับความสงูจากระดับนำ้าทะเล (ผิดกับค่า ท่ีเป็นระยะทางวดัจากจุดศูนยก์ลาง)

คือระยะทาง (รศัม)ี ท่ีวดัจากจุด (0,0,0) ถึงจุด (x,y,z) คือมุมในระนาบ xy ของท่ีเวคเตอร ์ ทำามุมกับแกน x โดยxi yj

คือมุมท่ีเวคเตอร ์ ทำามุมกับแกน z โดย xi yj zk

0

0 2

Page 86: Multiple Integrals

86

Relation between , , and other coordinates

sin cosx

cosz

From Spherical to Cartesian

sinr

arctan yx

From Cartesian to Spherical2 2 2x y z

sin siny

2 2r x y

arctan rz

สตูรการแปลงระหวา่ง Spherical และ Rectangular coordinate เป็นดังนี้

ระบบพกิัดน้ีเหมาะสำาหรบัอธบิายรูปทรงท่ี ประกอบด้วยสว่นของทรงกลม หรอืกรวย

หมายเหต ุ ในระบบพกิัดทรงกระบอกกับในระบบพกิัดทรงกลมเป็นตัวเดียวกัน

Page 87: Multiple Integrals

87

Objects of Constant , , in Spherical Coordinate ในการวเิคราะหร์ูปรา่งวตัถโุดยใชร้ะบบพกิัดทรงกลมน้ี เราต้องทราบวา่ ถ้าเราใหตั้วแปรใดตัวแปรหนึ่ง

คงท่ี แล้วเราจะได้วตัถใุดออกมา ดังเชน่กรณีต่อไปน้ี

2. ถ้าให ้ = 0 เราจะได้ครึง่หน่ึงของระนาบท่ีตัง้ฉากกับระนาบ xy และผ่านแกน z และทำามุมกับระนาบ xz เท่ากับ 0 ดังรูป

1. ถ้าให ้ = 0 เราจะได้ผิวทรงกรวย มแีกน z เป็นแกนกลางและกรวยกางเป็นมุมเท่ากับ 0 เมื่อวดัจากแกน z ดังรูป

3. ถ้าให ้ = 0 เราจะได้ผิวทรงกลมท่ีมีจุดศูนยก์ลางท่ี (0,0,0) และมรีศัมเีท่ากับ 0

Page 88: Multiple Integrals

88

Example 1: Objectsin Spherical Coordinate

จงหาสมการของทรงกลม ในระบบพกิัดทรงกลม2 2 2( 1) 1x y z

x

y

z

(0,0,1)

วธิทีำา ทรงกลมในขอ้นี้มจุีดศูนยก์ลางท่ี (0,0,1) ถ้าต้องการแปลงเป็นสมการใน Spherical Coordinate เราจะต้องแทนค่า x,y,z โดยใชส้ตูรนี้

sin cosx cosz sin siny

ได้ 2 2 2 2 2 2 2sin cos sin sin ( cos 1) 1

2 2 2 2 2sin cos sin ( cos 1) 1 2 2 2 2sin cos 2 cos 1 1

2 2 cos ได้หรอื

2cos

Page 89: Multiple Integrals

89

Example 2: Objectsin Spherical Coordinate

จงหาสมการในระบบพกิัดทรงกลมของกรวยกลม 2 2z x y

sin cosx cosz sin siny วธิทีำา เราจะต้องแทนค่า x,y,z โดยใชส้ตูรน้ี

x

y

z4

ได้

2 2 2 2 2 2

2 2 2 2

2 2

cos sin sin sin cos

sin sin cos

sin

ได้ cos sin หรอื cos sin

ค่า ท่ีทำาให ้cos และ sin มค่ีาเท่ากันคือ/ 4

เพราะฉะนัน้ เราจะได้สมการเป็น / 4

Page 90: Multiple Integrals

90

dV in Spherical Coordinate

2

sin

sin

dV d d rdd d d

d d d

ในสตูร Triple integrals อนุพนัธท่ี์ใชคื้อ dV นัน้มคีวามหมายเป็น “สว่นยอ่ยๆ” ของปรมิาตรดังนัน้เมื่อเราทำาการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกลมเราจะต้องทราบวา่ dV มสีตูรอยา่งไร

สำาหรบัระบบพกิัดทรงกลม เราจะม ีdV เป็นชิน้สว่นดังรูป ซึ่งสามารถคำานวณปรมิาตรได้จาก

( , , )D

f dV

ดังนัน้สตูรการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกลมจะเป็น2( , , ) sin

D

f d d d

Page 91: Multiple Integrals

91

Triple Integral in Spherical Coordinate

max 2

min 1

( , )2

( , )

( , , ) ( , , ) sing

D g

f dv f d d d

ในการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกลม เพื่อความสะดวก เรานิยมให ้ เป็น function ของ (,) และใหข้อบเขตของ และ เป็นค่าคงท่ี ซึ่งจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น

ดังนัน้ลำาดับการอินทีเกรตจะเป็น d d d เราจะได้ขัน้ตอนการหาขอบเขตการอินทีเกรตดังนี้

ขอบเขต จะอยูใ่นรูปแบบ รศัมดี้านนอกคือสมการ = g2(,) รศัมดี้านในคือสมการ = g1(,)

1. Finding Limit of in Spherical Coordinate

Page 92: Multiple Integrals

92

Finding Limit of Integration in Spherical Coordinate2. Finding Limit of in Spherical Coordinate

ขอบเขตของ จะอยูใ่นรูป ค่าตำ่าสดุและค่าสงูสดุของมุม ในรูปmin max

3. Finding Limit of in Spherical Coordinate

ขอบเขตของ จะอยูใ่นรูป ค่าตำ่าสดุและค่าสงูสดุของมุม ในรูป

และจะได้สตูรmax 2

min 1

( , )2

( , )

( , , ) sing

g

f d d d

( อยา่ลืมใส ่พจน์ ทกุครัง้ในสตูร การอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกลม !)

2sin

Page 93: Multiple Integrals

93

Example 3: Triple Integral in Spherical Coordinateจงหาปรมิาตรของรูปทรงตันท่ีถกูปิดล้อมด้วยพื้นผิวทรงกลม = 1 และกรวยกลม = /3 ดังในรูป

วธิทีำา ในการหาปรมิาตรของรูปทรงตัน เราจะใหถื้อวา่( , , ) 1f ซึ่งจะได้สตูรการอินทีเกรตเป็นmax 2

min 1

( , )2

( , )

sing

g

Volume d d d

ในท่ีนี้เราม ีรศัมดี้านนอกเป็น = 1 รศัมดี้านในเป็น = 0

และมขีอบเขตของ เป็น0

3

และมขีอบเขตของ เป็น0 2

เราได้ 2 /3 12

0 0 0

sin d d d

Page 94: Multiple Integrals

94

Example 3: Triple Integral in Spherical Coordinate (cont.)2 /3 1

2

0 0 0

sinVolume d d d

จาก

อินทีเกรตเทียบกับ ได้12 /3 2 /33

0 0 0 00

sinsin3 3

d d d d

อินทีเกรตเทียบกับ ได้/ 32 2

0 00

cos 1 13 6 3

d d d

อินทีเกรตเทียบกับ ได้

2

0

1 1 1 2 06 3 6 3

d

Page 95: Multiple Integrals

95

Example 4: Triple Integral in Spherical Coordinateจงหา Moment of inertia ของวตัถใุนตัวอยา่งท่ีแล้วเทียบกับแกน z เมื่อกำาหนดใหค้วามหนาแน่นมค่ีาคงท่ีเท่ากับ 1

วธิทีำา สตูร Moment of inertia about z-axis คือ 2 2 ( , , )zD

I x y x y z dV แปลงเป็นระบบพกิัดทรงกลม

2 2 2 2 2 2 2 2 2 2sin cos sin sin sinx y

แทนค่าลงในสตูรได้ 2 2 2

4 3

sin sin

sin

zD

D

I d d d

d d d

เมื่อใสข่อบเขตการอินทีเกรตจะได้

2 /3 14 3

0 0 0

sinzI d d d

Page 96: Multiple Integrals

96

Example 4: Triple Integral in Spherical Coordinate (cont.)2 /3 1

4 3

0 0 0

sinzI d d d

อินทีเกรตเทียบกับ ได้

12 /3 2 /35 33

0 0 0 00

2 /32

0 0

sinsin5 5

1 1 cos sin5

d d d d

d d

อินทีเกรตเทียบกับ ได้

/ 32 3

0 0

2

0

1 coscos5 3

1 1 1 115 2 24 3

d d

d

อินทีเกรตเทียบกับ ได้2

0

1 5 1 25 24 24 12

d

Page 97: Multiple Integrals

97

Formula for 3-D Coordinate Systems

sin cosx

cosz

From Spherical to Cartesian

sin siny cosx r

siny r

z z

From Cylindrical To Cartesian

2 sindV d d d

dV dz rdr d

dV dxdydz

dV

sinr

cosz

From Spherical to Cylindrical

Page 98: Multiple Integrals

98

Substitutions in Multiple Integrals

ท่ีผ่านมาจะเหน็วา่เมื่อเรามกีารเปล่ียนระบบพกัิด (Coordinate system) เชน่ จาก (x,y,z) ใน Rectangular coordinateไปเป็น (r,,z) ใน Cylindircal coordinate ทำาใหก้ารอินทีเกรตสำาหรบับางปัญหาทำาได้ง่ายขึ้น

การแปลงเหล่าน้ีเป็นกรณีเฉพาะของระบบ Rectangular, Cylindrical และ Spherical Coordinate systems แต่โดยทัว่ไปการแปลงไปมาระหวา่งระบบ พกัิดแบบต่างๆ ไมไ่ด้จำากัดแค่น้ี ในหวัขอ้นี้ จะได้กล่าวถึงสตูรในการเปล่ียนแปลงระบบตัวแปรในการอินทีเกรตโดยทัว่ไป

คำาวา่ Substitution แปลวา่ การแทนท่ี ซึ่งในท่ีน้ีหมายถึงการแทนชุดตัวแปรระบบหนึ่งด้วย ชุดตัวแปรอีกระบบหนึ่ง วตัถปุระสงค์สำาคัญในการทำาเชน่นี้เพื่อในการอินทีเกรตอยูใ่นรูปท่ีง่ายขึ้น

Page 99: Multiple Integrals

99

Substitutions in Double Integrals หลักการอินทีเกรตโดยวธิกีารแทนค่า

สมมุติวา่ในระบบตัวแปร (x,y) และระบบตัวแปร (u,v) มคีวามสมัพนัธกั์นในรูป

( , )x g u v ( , )y h u v

โดยเป็นความสมัพนัธแ์บบฟงัก์ชนั 1 ต่อ 1 กล่าวคือ 1 จุดใน uv-plane แปลงไปเป็น 1จุดใน xy-plane (โดย f และ g อาจเป็น 0 ได้เพยีงบางจุด)

สำาหรบัฟงัก์ชนัของ x และ y ใดๆ f(x,y) เราสามารถแปลงไปเป็นฟงัก์ชนัของ u และ vได้จากการแทนค่า

f(g(u,v),h(u,v))

Page 100: Multiple Integrals

100

Example 1: Substitutions in Double Integrals จากความสมัพนัธ์

จะได้วา่ Region G ใน uv-plane สามารถแปลงไปเป็น Region R ใน xy-plan

( , )x g u v ( , )y h u v

ตัวอยา่ง

Page 101: Multiple Integrals

101

Example 1: Substitutions in Double Integrals

22

x yu

2yv

2x u vy v

ในตัวอยา่งหน้าท่ีแล้วเราจะได้ สตูรในการแปลงจาก (u,v) เป็น (x,y)

สตูรในการแปลงจาก (x,y) เป็น (u,v)

Page 102: Multiple Integrals

102

เราสามารถคำานวณการอินทีเกรตของ f(x,y) ใน Region R ใน xy-planในรุปการอินทีเกรตของ f(g(u,v),h(u,v) ใน Region G ใน uv-plane ได้ดังน้ี

Substitutions in Double Integrals

( , ) ( ( , ), ( , )) ( , )R G

f x y dxdy f g u v h u v J u v dudv

โดย คือ Jacobian determinant หรอืเรยีกยอ่วา่ Jacobianมนีิยามวา่

( , )J u v

( , )

x xx y x yu vJ u v

y y u v v uu v

เขยีนยอ่ๆวา่ ( , )( , )( , )x yJ u vu v

Page 103: Multiple Integrals

103

Double Integral in Polar Form ( , ) cosx g r r ( , ) siny h r r

( , ) ( ( , ), ( , )) ( , )R G

f x y dxdy f g r h r J r drd จาก

2 2

cos sin( , )

sin cos

(cos sin )

x xrrJ r

y y rr

r r

จะได้สตูรการอินทีเกรตใน r-plane เป็น( , ) ( ( , ), ( , ))

R G

f x y dxdy f g r h r rdrd

Page 104: Multiple Integrals

104

Example 2: Double Integral in Polar Form ตัวอยา่ง

0

1

2

x

y

สมมุติวา่เรามขีอบเขตการอินทีเกรตใน xy-plane เป็นพื้นท่ีดังรูปเมื่อเราใชส้ตูรในการแปลงเป็น Polar coordinate

( , ) cosx g r r

( , ) siny h r r

เราจะได้ขอบเขตการอินทีเกรตในรูปใหมใ่น r-plane เป็น

4

r

0 1 2

42

จะเห็นวา่การอินทีเกรตใน r-plane ทำาได้ง่ายกวา่ใน xy-plane มาก เพราะขอบเขตการอินทีเกรตใน r-plane เป็นรูปสีเ่หล่ียมผืนผ้า

Page 105: Multiple Integrals

105

Example 3: Substitutions in Double Integrals ตัวอยา่ง จงคำานวณค่าของ 4 / 2 1

0 / 2

22

y x y

y x y

x ydxdy

วธิทีำา โจทยข์อ้นี้ ขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ xy เป็นดังรูป ใหเ้ราพยายามเปล่ียนใหอ้ยูใ่นรูปท่ีง่ายขึ้นโดยใชส้มการ ( , )x g u v ( , )y h u v

2x u vy v

1. เลือกสตูรการแปลง ในท่ีนี้เราเลือก

2. หาขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ uv โดยการแทนค่าขอบเขตเดิมของ x เป็น

ขอบซา้ย / 2x y

เมื่อแทนค่า x = u+v และ y = 2v เราได้2 / 2u v v

หรอื 0u

Page 106: Multiple Integrals

106

Example 3: Substitutions in Double Integrals (cont.) 2. หาขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ uv โดยการแทนค่า (ต่อ)

ขอบเขตเดิมของ x เป็นขอบขวา / 2 1x y

เมื่อแทนค่า x = u+v และ y = 2v เราได้ 2 / 2 1u v v หรอื 1u

ขอบเขตเดิมของ y เป็นขอบล่าง 0y 0v

ขอบบน 4y เราได้

2v ดังนัน้พื้นท่ีการอินทีเกรตในระนาบ uv จะเป็น

3. หาค่า Jacobian determinant

1 1( , ) 2

0 2

x xu vJ u vy yu v

Page 107: Multiple Integrals

107

Example 3: Substitutions in Double Integrals (cont.) 4. แปลงสมการ การอินทีเกรต f(x,y) ไปเป็น f(g(u,v),h(u,v)) โดยการแทนค่า จะได้

2 2( ) 2( , )2 2

x y u v vf x y u

5. สรา้งสตูร( , ) ( ( , ), ( , )) ( , )

R G

f x y dxdy f g u v h u v J u v dudv

ได้ 4 / 2 1 2 1

0 / 2 0 0

2 22

y x y

y x y

x ydxdy u dudv

6. คำานวณ12 1 2 2

2

0 0 0 00

2 2u dudv u dv dv ตอบ

Page 108: Multiple Integrals

108

Example 4: Substitutions in Double Integrals 1 1

2

0 0

( 2 )x

x y y x dydx

3 3u vx

23 3u vy

จงคำานวณค่าของ

วธิทีำา 1. วาดรูปขอบเขตการอินทีเกรต ในระนาบ xy ได้รูปดังนี้

2. เลือกสตูรการแปลง ในท่ีนี้เราเลือก

3. หาขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ uv โดยการแทนค่า3.1 ขอบด้านล่างมสีมการเป็น 0y

เมื่อแทนค่า เราจะได้2 03 3u vy

หรอื 2v u

3.2 ขอบด้านซา้ยมสีมการเป็น 0x

เมื่อแทนค่า เราจะได้

หรอื

03 3u vx

v u

Page 109: Multiple Integrals

109

Example 4: Substitutions in Double Integrals (cont.) 3. หาขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ uv โดยการแทนค่า (ต่อ)

3.3 ขอบด้านบนมสีมการเป็น 1x y

เมื่อแทนค่า เราจะได้หรอื

2 13 3 3 3u v u vx y

1u

เราจะได้ขอบเขตการอินทีเกรตในระนาบ uv เป็นดังรูป

4. หาค่า Jacobian determinant

1 113 3( , )

2 1 33 3

x xu vJ u vy yu v

Page 110: Multiple Integrals

110

Example 4: Substitutions in Double Integrals (cont.) 5. แปลงสมการ การอินทีเกรต f(x,y) ไปเป็น f(g(u,v),h(u,v)) โดยการแทนค่า จะได้

2 1/ 2 2( , ) 2f x y x y y x u v

6. สรา้งสตูร( , ) ( ( , ), ( , )) ( , )

R G

f x y dxdy f g u v h u v J u v dvdu

ได้ 1 1 12 1/ 2 2

0 0 0 2

1( 2 )3

x u v u

u v u

x y y x dydx u v dvdu

7. คำานวณ

1 1 13

1/ 2 2 1/ 2 1/ 2 3 3

0 2 0 02

1 1 1 83 3 3 9

uu v u u

u v u u u

vu v dvdu u u u u du

117 / 2 9/ 2

00

2 29 9

u du u ตอบ

Page 111: Multiple Integrals

111

Substitutions in Triple Integrals ใน section ก่อนในเรื่องการอินทีเกรตในระบบพกิัดทรงกระบอกและระบบพกิัดทรงกลม เป็นเรื่องของการอินทีเกรตแบบแทนค่าแบบหนึ่งใน 3 มติิ ซึ่งสตูรโดยทัว่ไปของการอินทีเกรตใน 3 มติิจะอยู่ในรูปนี้

( , , )x g u v w ( , , )y h u v w ( , , )z k u v w

จะได้

( , , )D

F x y z dxdydzเราใชก้ารแทนค่าโดยใชส้มการ

( , , ) ( ( , , ), ( , , ), ( , , )) ( , , )F x y z F g u v w h u v w k u v w H u v w

จะได้สตูรการอินทีเกรตเป็น( , , ) ( , , ) ( , , )

D G

F x y z dxdydz H u v w J u v w dudvdw

โดย D คือขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ xyz และ G คือขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ uvw

Page 112: Multiple Integrals

112

Jacobian Determinant in 3D สตูร Jacobian determinant สำาหรบั 3 ตัวแปรเป็นดังน้ี

( , , )( , , )( , , )

x x xu v wy y y x y zJ u v wu v w u v wz z zu v w

ตัวอยา่ง ความสมัพนัธร์ะหวา่งระบบพกิัดฉาก xyz กับระบบพดัทรงกระบอก rz เป็นดังนี้cosx r

siny r

z z

จะได้2 2

cos sin 0( , , ) sin cos 0 cos sin

0 0 1

rJ r z r r r r

Page 113: Multiple Integrals

113

Example 5: Substitutions in Triple Integrals เราจะได้ความสมัพนัธร์ะหวา่งารอินทีเกรตในระบบพกิัดฉากกับระบบพกิัดทรงระบอกเป็น

( , , ) ( , , ) ( , , )

( , , )D G

G

F x y z dxdydz H r z J r z dzdrd

H r z rdzdrd

cosx r

siny r

z z

Page 114: Multiple Integrals

114

Example 6: Substitutions in Triple Integrals สำาหรบัการแปลงระหวา่งระบบพกิัดฉากกับระบบพกิัดทรงกลม เรามสีตูร

sin cosx cosz sin siny

จะได้

2

( , , )

sin cos cos cos sin sinsin sin cos sin sin cos sin

cos sin 0

x x x

y y yJ

z z z

Page 115: Multiple Integrals

115

Example 6: Substitutions in Triple Integrals (cont.) เราจะได้ความสมัพนัธร์ะหวา่งารอินทีเกรตในระบบพกิัดฉากกับระบบพกิัดทรงกลมเป็น

2

( , , ) ( , , ) ( , , )

( , , ) sinD G

G

F x y z dxdydz H J d d d

H d d d

Page 116: Multiple Integrals

116

Example 7: Substitutions in Triple Integrals / 2 13 4

0 0 / 2

22 3

x y

x y

x y z dxdydz

จงคำานวนค่า

วธิทีำา 1.วาดรูปขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ xyz จะได้รูปดังนี้

2. เลือกสตูรท่ีใชใ้นการแทนค่าในท่ีนี้เลือก

x u v

2y v

3z w

Page 117: Multiple Integrals

117

Example 7: Substitutions in Triple Integrals (cont.) 3. หาขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ uvw

3.1 ระนาบ / 2x y

เราได้ 2 / 2u v v หรอื 0u

3.2 ระนาบ / 2 1x y

เราได้ 2 / 2 1u v v หรอื 1u

3.3 ระนาบ y = 0 เราได้ v = 0

3.4 ระนาบ y = 4 เราได้ v = 2

3.5 ระนาบ z = 0 เราได้ w = 0

3.6 ระนาบ z = 3 เราได้ w = 1

x u v 2y v3z w

โดยใชส้ตูรการแปลง

Page 118: Multiple Integrals

118

Example 7: Substitutions in Triple Integrals (cont.)

เราจะได้ขอบเขตการอินทีเกรตในระบบ uvw เป็นดังรูป

1 1 0( , , ) 0 2 0 6

0 0 3J u v w

4. หาค่า Jacobian determinant

5. แปลงสมการ การอินทีเกรต F(x,y,z) ไปเป็น F(g(u,v,w),h(u,v,w),k(u,v,w))2

2 3x y z u w

6. สรา้งสตูร ( , , ) ( , , ) ( , , )D G

F x y z dxdydz H u v w J u v w dudvdw

/ 2 13 4 1 2 1

0 0 / 2 0 0 0

2 (6)2 3

x y

x y

x y z dxdydz u w dudvdw

Page 119: Multiple Integrals

119

Example 7: Substitutions in Triple Integrals (cont.)7. คำานวณ

11 2 1 1 2 2

0 0 0 0 0 0

1 2

0 0

21

00

(6) 62

1 2

62

6 1

uu w dudvdw uw dvdw

w dvdw

v vw dw

1

12

00

2 6 12w dw w w ตอบ

Page 120: Multiple Integrals

120

Exercise

dxdyeyx xyy

y

)(3/2

0

222

1. จากความสมัพนัธ ์u = x + 2y และ v = x – y จงหาค่าอิน

ทีกรลัของ

2. ให ้R เป็นพื้นท่ีใน Quadrant ท่ี 1 ในระนาบ xy ท่ีถกูล้อมรอบด้วยเสน้โค้ง xy = 1 และ xy = 9 และเสน้ตรง y = x และ y = 4x จงใชค้วามสมัพนัธ์x = u/v และ y = uv เมื่อ u > 0 และ v > 0 ในการค่าอินทีกรลัของ

dxdyxyxy

R

3. จงหาค่าอินทีกรลัของ เหนือพื้นท่ีทรงรีdxdydzxyzR12

2

2

2

2

2

cz

by

ax

เมื่อให ้x = au, y = bv, และ z = cw