Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Саратовский государственный технический университет Балаковский институт техники, технологии и управления высшая математика Методические указания и задания к выполнению контрольных работ 7, 8, 9 для студентов специальности 120100 заочной формы обучения Одобрено редакционно-издательским советом Балаковского института техники, технологии и управления Балаково 2009 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ И ОФОРМЛЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ Перед выполнением контрольного задания студент должен изучить соответствующие разделы курса по учебным пособиям в разделе «Литература» настоящих методических указаний. В начале каждой контрольной работы номера необходимых для этой работы пособий указываются в квадратных скобках. В методических указаниях даются также некоторые начальные теоретические сведения и приводятся решения типовых примеров. Задачи контрольной работы выбираются из таблицы вариантов, помещенной в конце методического пособия, согласно тому варианту, номер которого совпадает с последней цифрой учебного номера (шифра) студента. Контрольную работу следует выполнять в тетради (отдельной для каждой работы) чернилами любого цвета, кроме красного, оставляя поля для замечаний рецензента. В заголовке работы должны быть ясно написаны фамилия студента, его инициалы, учебный номер (шифр), номер контрольной работы. Заголовок работы надо поместить на обложке тетради; здесь же следует указать дату отсылки работы в институт и адрес студента. Решения задач располагать в порядке номеров, указанных в заданиях, сохраняя номера задач. Перед решением каждой задачи надо полностью выписать ее условие. В том случае, когда несколько задач имеют общую формулировку, следует, переписывая условие задачи, заменить общие данные конкретными соответствующего номера. Решения задач излагать подробно и записывать аккуратно, объясняя все действия и делая необходимые чертежи. После получения прорецензированной работы (как незачтенной, так и зачтенной) студент должен исправить в ней все отмеченные ошибки и недочеты. При высылаемых исправлениях должна обязательно находиться прорецензированная работа и рецензия на нее. В связи с этим рекомендуется при 2 выполнении контрольной работы оставлять в конце тетради несколько чистых листов для всех исправлений и дополнений в соответствии с указаниями рецензента. Контрольная работа № 7 НЕОПРЕДЕЛЕННЫЙ И ОПРЕДЕЛЕННЫЙ ИНТЕГРАЛ Литература: [1], гл 7, гл. 8; [2], гл 5, гл. 6, гл. 7; [4], т.I, гл. X, гл. XI; [5], ч.I, гл. IX, гл. X; [6], ч.1, гл. VII, гл. VIII. Основные теоретические сведения 1. Функция F(x) называется первообразной для f(x) на отрезке [a,b] , если во всех точках этого отрезка выполняется равенство F/(x)=f(x) . Если F(x) является первообразной для f(x) , то выражение F(x)+с (совокупность всех первообразных) называется неопределенным интегралом от функции f(x) и обозначается символом f ( x)dx; таким образом, f ( x)dx F ( x) c . 2. Свойства неопределенного интеграла: f ( x)dx f ( x)dx. 1. f ( x)dx f ( x). 2.d 3. dF ( x) F ( x)dx. 4. af ( x)dx a f ( x)dx, где a const. 5. f1 ( x) f 2 ( x)dx f1 ( x)dx f 2 ( x)dx. 6. f (u )du F (u ) c, где u ( x). 3. Таблица основных интегралов: 1. dx x c. 8. dx tgx c. cos2 x x n1 2. x dx c, (n 1). n 1 9. dx ctgx c. sin 2 x n 3. dx ln x c. x 10. 3 dx a2 x2 arcsin x c. a ax 4. a dx c. ln a 11. 5. e x dx e x c. 12. 6. sin xdx cos x c. 13. x dx 1 x arctg c. a a2 x2 a dx x a 2 2 ln x x 2 a 2 c. dx 1 xa ln c x 2 a 2 2a x a 7. cos xdx sin x c. 4. Основные методы интегрирования: 1. Непосредственное (табличное) интегрирование. Если то f (ax)dx 1 F (ax) c, a f ( x)dx F ( x) c , f ( x b)dx F ( x b) c , (1) где а и b – некоторые постоянные. 2. Подведение под знак дифференциала: f ( ( x)) ( x)dx f ( ( x))d ( ( x)) f (u)du, (2) так как ( x)dx d ( x) , u (x) . 3. Формула интегрирования по частям: udv uv vdu . (3) Обычно выражение dv выбирается так, чтобы его интегрирование не вызывало особых затруднений. За u , как правило, принимается такая функция, дифференцирование которой приводит к ее упрощению. К классам функций, интегрируемых по частям, относятся функции вида: P(x)eax, P(x)sin ax, P(x)cos ax, P(x)ln x, P(x)arcsin x, P(x)arctg x, где P(x ) – многочлен от x. 4. Интегрирование рациональных дробей, т.е. отношений двух многочленов Pk(x) и Qn(x) (соответственно к-й и n-й степени): R(x)=Pk(x)/Qn(x), сводится к разложению подынтегральной функции R(x) на элементарные, всегда интегрируемые дроби вида: 4 A Mx N , 2 , l ( x a) ( x px q) m (4) где l, m – целые положительные числа, а трехчлен х2+рх+q не имеет действительных корней. При этом в случае неправильной дроби предварительно должна быть выделена целая часть. 5. Интегрирование методом замены переменной (способом подстановки) является одним из эффективных приемов интегрирования. Если x (t ) , где (t ) - монотонная непрерывно дифференцируемая функция новой переменной t . Формула замены переменной в этом случае: f ( x)dx f ( (t )) (t )dt. (5) Выбор функции (t ) , не всегда очевиден. Но для некоторых часто встречающихся классов функций можно указать стандартные подстановки: R ( x, R ( x, R ( x, a 2 x 2 )dx, x a sin t или x a cost ; x 2 a 2 dx, x a tg (t ), или x a ctg (t ) ; R(sin x, cos x)dx, x 2 a 2 dx, x a / sin t ; x 2arctg (t ), где R- символ рациональной функции. 5. Формула Ньютона-Лейбница для вычисления определенного интеb грала имеет вид: b f ( x)dx F ( x) a F (b) F (a) , (6) a если F/(x)=f(x) и первообразная непрерывна на отрезке a,b. Определенный интеграл численно равен площади криволинейной трапеции, ограниченной прямыми х=а, х=в, у=0 и частью графика функции у=f(x), взятой со знаком плюс, если f ( x) 0, и со знаком минус, если f(x)≤0. Площадь фигуры, ограниченной кривыми y=f1(x) и y=f2(x) [f1(x)≤f2(x)] и 5 b прямыми x=a и x=b, находится по формуле: S [ f 2 ( x) f 2 ( x)]dx . (7) a Площадь криволинейного сектора, ограниченного кривой, заданной в полярных координатах уравнением ρ=ρ(φ) и двумя полярными радиусами 1 ρ=α , ρ=β (α≤β), находится по формуле: S 2 d . 2 (8) 6. Если интервал интегрирования a, b не ограничен ( например, b ) или функция f(х) не ограничена в окрестности одного из пределов интегрирования (например, при х=в), то по определению полагают: b f ( x)dx f ( x)dx blim a a b b f ( x)dx f ( x)dx lim 0 a (9) (10) a Интегралы в левых частях равенств называются несобственными интегралами. Несобственный интеграл называется сходящимся, если существует конечный предел в правой части равенств. Если же предел не существует, то несобственный интеграл называется расходящимся. 7. Пусть кривая y=f(x) на отрезке a, b - гладкая( т.е. f (x) непрерывна), то длина соответствующей дуги этой кривой находится по формуле: b L 1 ( f ( x)) 2 dx . (11) a Если кривая задана в полярных координатах уравнением ρ=ρ(φ), α≤φ≤β, то длина дуги равна: L 2 2 d . (12) При параметрическом задании кривой x=x(t), y=y(t) длина дуги кривой, соответствующая монотонному изменению параметра t от t1 до t2, вычис- 6 t2 ляется по формуле: L x 2 y 2 dt . (13) t1 8. Пусть криволинейная трапеция, ограниченная прямыми х=а, х=в, у=0 и частью графика кривой у=f(x), вращается вокруг оси Ох. Тогда объем полученного при этом тела вращения вычисляется по формуле: b b V y dx ( f ( x)) 2 dx 2 a (14) a 3 2x4 3 x2 dx. 4 x Пример 1. Найти Решение. Разделив числитель подынтегральной функции на знаменатель и, используя таблицу основных неопределенных интегралов, получим: 3 2x4 3 x2 1 / 4 15 / 4 5 / 12 dx 3 x dx 2 x dx x dx 4 x 4x3/ 4 8 19 / 4 12 17 /12 8 12 x x C 44 x 3 4 x19 12 x17 C. 19 17 19 17 Проверка. (4 x 3 / 4 8 19 / 4 12 17 /12 3 8 19 12 17 x x C )' 4 x 1/ 4 x15 / 4 x 5 /12 19 17 4 19 4 17 12 3x 1/ 4 2 x15 / 4 x 5 /12 . Пример 2. Найти Решение. Так как dx dx (3x 1) ln 5 (3x 1) . dx 1 d (ln( 3x 1)), то по формуле (2) находим 3x 1 3 (3x 1) ln 5 (3x 1) (ln( 3x 1)) Пример 3. Найти 5 d (ln( 3x 1)) 1 (ln( 3x 1)) 4 C. 3 12 ( x 7) sin 5xdx. Решение. Применим метод интегрирования по частям. Положим u=x-7, 7 dv=sin5xdx тогда du=dx, v=-(cos5x)/5 . Используя формулу (3), имеем 1 1 1 1 ( x 7) sin 5xdx 5 ( x 7) cos5x 5 cos5xdx 5 ( x 7) cos5x 25 sin 5x C. 7x x2 4 Пример 4. Найти dx. ( x 1)( x 2 5 x 6) Решение. Подынтегральная функция представляет собой правильную рациональную дробь. Разложим ее знаменатель на множители: (x+1)(x-2)(x-3). В разложении правильной дроби на простейшие каждому множителю знаменателя вида x-a соответствует слагаемое A . Поэтому xa в данном случае имеем 7x x2 4 7x x2 4 A B C . 2 ( x 1)( x 5 x 6) ( x 1)( x 2)( x 3) x 1 x 2 x 3 Приведя правую часть последнего равенства к общему знаменателю и приравняв числители дробей, получим тождество: 7 x x 2 4 A( x 2)( x 3) B( x 1)( x 3) C ( x 1)( x 2). Коэффициенты A,B,C определим с помощью метода неопределенных коэффициентов: x=-1 -12=12A x=2 6=-3B x=3 8=4C, откуда A=-1, B=-2, C=2. Подставив найденные коэффициенты в разложение подынтегральной функции на простейшие дроби, получим 7x x2 4 1 2 2 ( x 1)( x 2 5x 6) dx ( x 1 x 2 x 3)dx ( x 3) 2 ln x 1 2 ln x 2 2 ln x 3 C ln C. x 1 ( x 2) 2 Пример 5. Найти dx 3sin x 2 cos x 1. Решение. Используем метод замены переменной – универсальную три 8 x 2t 1 t2 гонометрическую подстановку. Полагая t tg , sin x , cos x , 2 1 t2 1 t2 dx 2dt , 1 t 2 x 2arctgt. dt dx dt 3sin x 2 cos x 1 2 6t 2 2t 2 1 t 2 2 3t 2 6t 1 2 3 t 1 2/ 3 2 dt 2 dt ln C 3 t 2 2t 1 3 (t 1) 2 4 3 4 t 1 2 / 3 3 3 1 2 3 ln 3tg ( x / 2) 3 2 C. 3tg ( x / 2) 3 2 Пример 6. Вычислить несобственный интеграл или показать его расхо 2 dx 1) ; x 2 димость: 2) 1 dx . x 1 Решение. Первый интеграл является несобственным интегралом с бесконечным верхним пределом интегрирования. Согласно определению (9) имеем: 2 b b dx dx 1 1 1 1 1 1 lim lim lim lim . b b 2 2 x 2 b 2 x 2 b x 2 b b 2 Следовательно, данный интеграл сходится. Второй интеграл является несобственным интегралом от неограниченной функции: f ( x) 1 терпит бесконечный разрыв в нижнем пределе x 1 при х= 1. Согласно определению (10), получаем: 2 2 2 dx dx ln x 1 lim ln 1 ln lim lim ln , x 1 0 x 1 lim 0 0 0 1 1 1 т.е. этот несобственный интеграл расходится. Пример 7. Вычислить площадь плоской фигуры, ограниченной кривыми у1=2х-х2, у2=-х, х=2. 9 Решение. y 2 2 1 0 S ( y1 y 2 )dx 2 x x 2 x dx 2 0 0 х А 2 1 3 1 10 3 3x x dx x 2 x 3 4 8 . 3 0 2 3 3 2 2 -2 - В Пример 8. Вычислить объем тела, образованного вращением вокруг оси Ох кривой у1=1+х2, у2=2, х=0 ( x 0) . Решение. Объем полученного тела вращения найдем по формуле (14): 1 V 1 ( y22 1 (4 (1 x ) )dx (3 2 x 2 x 4 )dx y12 )dx 0 2 2 0 0 1 2 1 32 2 1 . 3x x 3 x 5 3 3 5 15 3 5 0 Контрольная работа № 8 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ Литература: [1], гл 15; [3], гл 1; [4], т.2, гл. XII; [5], ч.II, гл. IV; [6], ч.2, гл. I . Основные теоретические сведения 1. Уравнение называется дифференциальным относительно некоторой искомой функции, если оно содержит хотя бы одну производную этой функции. Порядок дифференциального уравнения совпадает с порядком наивысшей производной, входящей в это уравнение. В общем случае дифференциальное уравнение n-порядка имеет вид: f(x,y,y’,…y(n))=0 или y(n)= f(x,y,y’,…y(n-1)) (1) 2. Общим решением дифференциального уравнения первого порядка вида F ( x, y, y ) 0 или y f ( x, y ) называется дифференцируемая функция y=φ(x,C), которая при любом значении произвольной постоянной С явля- 10 ется решением данного уравнения. Решения, получающиеся из общего решения y=φ(x,C) при определенном значении произвольной постоянной С, называются частными. Задача нахождения частного решения, удовлетворяющего начальным условиям y y 0 при x x0 , называется задачей Коши. График всякого решения y=φ(x) данного дифференциального уравнения, построенный на плоскости xOy, называется интегральной кривой этого уравнения. 3. Дифференциальным уравнением с разделяющимися переменными называется уравнение вида P1(x)Q1(y)dx+Q2(y)P2(х)dy=0. Если ни одна из функций P1(x), Q1(y), Q2(y), P2(х) не равна тождественно нулю, то в результате деления уравнения на Q1(y)P2(х) оно приводится к уравнению с разделенными переменными P1 ( x) Q ( y) dx 2 0 . Почленное интегрирование P2 ( x) Q1 ( y ) последнего уравнения приводит к соотношению P1 ( x) Q2 ( y ) dx P2 ( x) Q1 ( y) dy C , которое и определяет решение исходного уравнения. 4. Однородным дифференциальным уравнением называется уравнение вида P( x, y)dx Q( x, y)dy 0 , если P( x, y) и Q( x, y) – однородные функции одного измерения. Функция f ( x, y) называется однородной измерения m, если f (x, y ) m f ( x, y ). Однородное уравнение может быть приведено к виду y / f ( y / x). С помощью подстановки y tx однородное уравнение приводится к уравнению с разделяющимися переменными по отношению к новой неизвестной функции t. 5. Уравнение вида y / A( x) y B( x) называется линейным. Если B( x) 0 , то уравнение называется однородным; если B( x) 0 – неодно- родным. Общее решение однородного уравнения получается путем разделения переменных; общее решение неоднородного уравнения получается из общего решения соответствующего однородного уравнения с помощью 11 вариации произвольной постоянной интегрирования С. Данное неоднородное уравнение можно интегрировать также с помощью замены y uv , где u, v – две неизвестные функции. 6. Дифференциальное уравнение n-порядка, разрешенное относительно производной, имеет вид y ( n ) f ( x, y, y ,..., y ( n1) ). Задача нахождения решения y=φ(x) данного уравнения, удовлетворяющего начальным условиям ( n1) , y / x x y0 ; y / x x y0 ;... y ( n1) / x x y0 0 0 0 называется задачей Коши. Решение уравнения вида y ( n ) f ( x) находится n- кратным интегрированием, а именно y ( n1) f ( x)dx C1 f1 ( x) C1 , y ( n2) [ f1 ( x) C1 ]dx f 2 ( x) C1 x C2 ,..., y f n ( x) Так как C1 C2 x n1 x n2 ... Cn1 x Cn . (n 1)! (n 2)! C1 C2 , ,... являются постоянными величинами, то общее (n 1)! (n 2)! решение может быть записано так: y f n ( x) С1 x n1 С2 x n2 ... Cn1 x Cn . 7. Дифференциальные уравнения вида F ( x, y ( k ) , y ( k 1) ,..., y ( n ) ) 0, не содержащие искомой функции допускают понижение порядка, если взять за новую переменную неизвестную функцию низшую из производных данного уравнения, т. е. полагая y ( k ) z . Тогда получим уравнение F ( x, z , z ,..., z ( nk ) ) 0. 8. Дифференциальные уравнения вида F ( y, y , y ,..., y ( n ) ) 0, не содержащие независимой переменной, допускают понижение порядка, если положить y z , а за новый аргумент принять сам y . В этом случае y , y ,... выразятся по формулам (они выводятся по правилам дифференцирования 12 d 2 z dz 2 dz сложной функции) y z , y z z 2 , dy dy dy через z и производ- ные от z по y, причем порядок уравнения понизится на единицу. 9. Линейное дифференциальное уравнение второго порядка с постоянными коэффициентами имеет вид a0 y a1 y a2 y f ( x) , где a0 , a1 , a 2 – числа, причем a0 0 . Если f(x)=0, то уравнение называется однородным, а если f(x)≠0 – неоднородным. Квадратное уравнение a0 k 2 a1k a2 0 называется характеристическим уравнением дифференциального уравнения a0 y a1 y a2 y 0 . Пусть D a12 4a0 a2 дискриминант квадратного уравнения. Возможны следующие случаи: 1) D 0 – общим решением уравнения a0 y a1 y a2 y 0 является функция y C1e k x C2 e k x ( k1 и k 2 – корни характеристического уравне1 2 ния); 2) D 0 – общим решением служит функция y (C1 C2 x)e kx ( k – корень характеристического уравнения); 3) D 0 – общим решением является функция y ex (C1 cos x C2 sin x) , где k1 i ; k 2 i – корни харак- теристического уравнения. Решение линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами основывается на следующей теореме. ТЕОРЕМА. Если y* – некоторое частное решение неоднородного уравнения a0 y ' ' a2 y f ( x) и Y – общее решение соответствующего однородного уравнения a0 y ' ' a1 y ' a2 y 0 , то общее решение неоднородного уравнения имеет вид y Y y * . Укажем правило нахождения частного решения неоднородного уравне- 13 ния методом неопределенных коэффициентов. 1. Если f ( x) b0 x 2 b1 x b2 , то: а) y * Ax 2 Bx C , если нуль не является корнем характеристического уравнения; б) y * Ax 3 Bx 2 Cx , если нуль является простым корнем характеристического уравнения; в) y * Ax 4 Bx 3 Cx 2 , если нуль является двукратным корнем характеристического уравнения. 2. Если f ( x) bex , то: а) y * Ae x , если число не является корнем характеристического уравнения; б) y * Axe x , если число является простым корнем характеристического уравнения; в) y * Ax 2 ex , если является двукратным корнем характеристического уравнения. 3. Если f ( x) ex ( M cos x N sin x) , то: а) y * ex ( A cos x B sin x) , если число i не является корнем характеристического уравнения; б) y * xex ( A cos x B sin x) , если число i является корнем характеристического уравнения. Пример 1. Найти общее решение уравнения y x Решение. Из данного уравнения находим dy dy x y . dx dx dy : dx dy y x . dx x y Исходное уравнение является однородным уравнением первого поряд14 ка. Решаем его с помощью подстановки y x u (x). Далее находим: y ' u ' x u, u ' x u ux x u 1 , u' x u , x ux 1 u u 1 u2 1 du u2 1 u' x u , x . u 1 u 1 dx u 1 Получили уравнение с разделяющимися переменными. Решаем его: u 1 dx du , 2 x u 1 1 2udu du 2 ln x ln C , 2 2 u 1 u 1 arctdu ln C x u2 1 , arctg u 1 dx u 2 1 du x , 1 ln( u 2 1) arctgu ln C / x , 2 C y ln , 2 2 x x y т.е. нашли общий интеграл исходного уравнения. Пример 2.Найти частное решение дифференциального уравнения dy e x dx ydx xdy xydx , y(0) ln 5. Решение. Преобразуем уравнение, выделив производную: dy xy e x y dy 1 x e x , y . dx 1 x dx 1 x 1 x Уравнение dy e x – линейное первого порядка. Решаем его ме y dx 1 x тодом Бернулли , полагаем y u( x)v( x). Имеем: y ' u ' v uv' , e x u ' v uv'uv , 1 x dv e x u ' v u ( v) . dx 1 x Находим функцию v(x) из условия dv v dx, dv dv v 0: v, dx dx ln v x, v e x . Подставляем полученное выражение для v(x) в уравнение: 15 dv dx, v du x e x e , dx 1 x u ln 1 x ln C , Тогда y uv e x ln du 1 , dx 1 x u ln du dx , 1 x du dx , 1 x C . 1 x C является общим решением исходного урав1 x нения. Находим С, используя начальное условие: y(0) ln C ln 5, C 5. Итак, частное решение: y e x ln 5 . 1 x Пример 3.Найти общее решение дифференциального уравнения y ' ' (e x 1) y ' 0, Решение. Данное уравнение второго порядка, допускающее понижение порядка. Сделаем подстановку y' z ( x). Тогда y ' ' dz x (e 1) z , dx dz dx x , z e 1 dz dz x и (e 1) z 0, dx dx dz dx z e x 1. Путем замены переменной e x 1 t находим: ln z ln( e x 1) ln e x ln C1. ex 1 Потенцируя последнее выражение, получаем: z C1 x , e dy ex 1 C1 x , dx e ex 1 y C1 x dx C1 ( x e x ) C2 , e т.е. нашли общее решение исходного уравнения. Пример 4. Найти частное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее данным начальным условиям: y ' '16 y (34 x 13)e x , y (0) 1, y' (0) 5. Решение. Характеристическое уравнение 2 16 0 имеет мнимые корни: 1, 2 4i. Общее решение соответствующего однородного уравне- 16 ния определяется формулой: y С1 cos4 x C2 sin 4 x, а частное его решение имеет вид: y * ( Ax B)e x . Находим: y * ' Ae x ( Ax B)e x , y * ' ' 2 Ae x ( Ax B)e x . Подставим выражения y * ' и y * ' ' в исходное уравнение и из полученного тождества: 2 A Ax B 16 Ax 16 B 34 x 13 найдем А=2, В=1. Тогда y * (2 x 1)e x и общее решение исходного уравнения имеет вид y C1 cos 4 x C2 sin 4 x (2 x 1)e x . Используя начальные условия y (0) 1, y' (0) 5, составляем систему для вычисления значений C1 и C 2 : y (0) 1 C1 1, y ' (0) 5 4C2 2 1, решение которой: C1 2, C 2 1. Подставив значения C1 и C 2 в общее решение, найдем частное решение исходного уравнения: y sin 4 x 2 cos 4 x (2 x 1)e x . Контрольная работа № 9 КРАТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ВЕКТОРНЫХ ПОЛЕЙ Литература: [2], гл 2, гл. 3; [3], гл 7, гл. 8; [4], т.2, гл. XIV, гл. XV; [5], ч.2, гл. V; [6], ч.2, гл. II, гл. III, гл. VII . Основные теоретические сведения 1. Вычисление двойного интеграла от функции f(x,y), определенной в плоской области D, сводится к вычислению двукратного интеграла вида: b f2 ( x ) f ( x , y )dxdy dx f ( x , y )dy, D a (1) f1 ( x ) если область D определяется условиями a x b , f1( x ) y f 2 ( x ) , или вида: d 2 ( y ) с 1 ( y ) f ( x , y )dxdy dy f ( x , y )dx, D 17 (2) если область D определяется условиями c y d , 1( y ) y 2 ( y ) . Переход от равенства (1) к (2) или обратно называется изменением порядка интегрирования. Значение двойного интеграла не зависит от порядка интегрирования. 2. Вычисление тройного интеграла от функции f(x,y,z), определенной в области V, сводится к вычислению интеграла вида: 2 ( x,y ) f ( x , y , z )dxdydz dxdy f ( x , y , z , )dz , V (3) 1( x , y ) D xy где Dxy – проекция области V на плоскость Оху, а z 1( x , y ) и z 2 ( x , y ) – уравнения поверхностей, ограничивающих область V соот- ветственно снизу и сверху. В тройном интеграле, так же как и в двойном, порядок интегрирования может быть изменен. 3. Наряду с прямоугольной системой координат в пространстве могут быть введены цилиндрическая, сферическая системы координат (рис.1). Прямоугольные z (х,у,z) точки М связаны с ее ци- M х линдрическими r координаты координатами ( , , z ) и сферическими ( r , , ) у x координатами соотношениями: y Рис. 1 x cos , y sin , z z; x r sin cos , y r sin sin , z r cos . (4) Тройной интеграл записывается в виде V f ( x , y , z )dddz в цилиндрической системе, f ( x , y , z )dxdydz V (5) 2 f ( r , , ) r sin d d dr в сферическо й системе . V 18 4. Вычисление криволинейного интеграла по координатам от функций, определенных по кривой Г, сводится к вычислению определенного интеграла вида: b Р( х , у , z )dx Q( x , y , z )dy R( x , y , z )dz P( x( t ), y( t ),z( t ))x( t ) Г a Q( x( t ), y( t ), z( t )) y( t ) R( x( t ), y( t ), z( t )) z( t )dt , (6) если кривая Г задана параметрически: х=х(t), y=y(t), z=z(t) и t=a соответствует начальной точке кривой Г, а t=b – ее конечной точке. 5. Вычисление поверхностного интеграла от функции F(x,y,z), определенной на двусторонней поверхности , сводится к вычислению двойного интеграла, например, вида: F ( x , y , z )d F ( x , y , f ( x , y )) Dxy dxdy , cos (7) если поверхность , заданная уравнением z f ( x , y ) , однозначно проектируется на плоскость Оху в область Dxy . Здесь - угол между осью Оz и единичным вектором нормали n к поверхности: n f f i j k x y 2 2 . (8) f f 1 x y Требуемая условиями сторона поверхности определяется выбором соответствующего знака в формуле (8). 6. С помощью тройных интегралов можно вычислить объем V тела и его массу m: V dxdydz , m ( x , y , z )dxdydz , V (9) V где - объемная плотность распределения массы. 7. Векторным полем а( М ) называется векторная функция точки М вместе с областью ее определения: 19 a( M ) P( x , y , z )i Q( x , y , z ) j R( x , y , z )k . Векторное поле а( М ) характеризуется скалярной величиной – диверген- P Q R diva x y z цией: (10) и векторной величиной – ротором: i j k R Q P R Q P i k . (11) rot a j x y z y z z x x y P Q R 8. Потоком векторного поля a (М) через поверхность σ называется по П а , n d , верхностный интеграл : (12) где n - единичный вектор нормали к выбранной стороне поверхности σ, а а , n - скалярное произведение векторов a и n . 9. Циркуляцией векторного поля a Px , y , z i Qx , y , z j Rx , y , z k называется криволинейный интеграл по замкнутой кривой Г: Ц Pdx qdy Rdz adr , где dr dxi dyj dzk . (13) Г 10. Формула Остроградского устанавливает связь между потоком век торного поля a через замкнутую поверхность σ и дивергенцией поля: (a , n )d diva dV , (14) V где V- объем, ограниченный поверхностью . 11. Формула Стокса устанавливает связь между циркуляцией векторно го поля a и его ротором: Pdx Qdy Rdz rot a , n d , (15) Г где - поверхность, ограниченная замкнутым контуром Г, а n - единич- ный вектор нормали к этой поверхности. Направление нормали должно быть согласовано с направлением обхода контура Г. Пример 1. Вычислить площадь фигуры, ограниченной линиями 20 y x 2 3 x, Решение. 3 x y 4 0. Данная плоская фигура ограничена снизу параболой y x 2 3x , сверху прямой 2 S dxdy dx D 2 43 x 3x y 4 0 (рис. 1) . Следовательно, dy (4 3x x x 2 3 x 2 2 3x)dx 4 x x / 3 3 2 2 2 Рис.1 32 . 3 Рис. 2 Пример 2. Вычислить объем тела, ограниченного поверхностями: x 0 , y 0 , z 0 , x y 2, 2z x2 y 2 . Решение. Уравнение 2 z x 2 y 2 определяет параболоид вращения, остальные поверхности – плоскости. Искомое тело изображено на рисунке (рис. 2). Его объем вычисляем по формуле (9): 2 2 x ( x2 y ) / 2 2 2 x ( x2 y 2 ) / 2 0 0 0 0 0 0 V dxdydz dx V dy dz dx z 2 2 x 1 dy dx ( x 2 y 2 )dy 20 0 2 2 1 2 y 3 2 x 1 1 x y dx ( x 2 (2 x) (2 x) 3 )dx 2 0 3 0 20 3 2 2 1 2 1 1 2 3 x4 1 4 3 3 4 2 x x (2 x) dx ( x (2 x) ) . 2 0 3 2 3 4 12 3 0 21 xdl , где ОВ – отрезок прямой от точки О(0;0) Пример 3. Вычислить OB до точки В(1;2). Решение. Находим уравнение прямой ОВ по двум точкам: y 2 x . Тогда dl 1 ( y x ) dx, dl 5dx, 2 1 x2 xdl 5 xdx 5 2 OB 0 1 0 5 . 2 ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ Контрольная работа № 7 I. Найти неопределенные интегралы. В двух первых примерах проверить результаты дифференцированием. 3 3 x2 2x dx; 1. a ) x d ) cos(ln x)dx; e) b) d ) ln xdx; 3. a) 4 2x 2 3 x 1 4. a) dx; 2x d) b) arcsin x dx; x 1 3 ln (2 x 1) 2 (1 x) dx 3 ln (1 x) 2 ; f) ; 12 e) dx; ( x 2 2 x 3)( x 2) x 2x 5 dx; x2 d ) x arctg 2 xdx; dx 3x 2 20 x 9 dx; ( x 2 4 x 3)( x 5) 3 x 4x 2 5 2. a) dx; 2x 2 2 (2x 1) c) f) c) 43 x 67 dx; ( x x 12)( x 1) f) 2 b) e) 3 ln( 3x 1)dx ; 3x 1 8x dx; ( x 6 x 5)( x 3) 2 22 cos 3x ; sin 3xdx 4 1 x 1 dx. (1 3 x 1) x 1 ln 3 (1 x)dx b) ; x 1 e) c) c) 3 3 3 x4 x dx. x 1 cos2 x sin 2 xdx; x 1 dx. x 1 6 x 1 tg 3 x dx ; cos2 x f) sin xdx ; cos x 1 3 x3 dx. x36 x3 2 x x2 3 5. a) dx; 3 x b) x d ) x 2 cos dx; 3 7. a) 6 b) e) x 5 5x 2 3 dx; x e) 3x 2 x 3 7 8. a) dx; x3 e) x 2x3 4 dx; x2 b) 7 x 2x3 6 dx; x 1 9x2 ; dx ; (1 4 x 2 ) arctg 2 x c) 6x 2 e) dx; ( x 2 3x 2)( x 1) arccos6 3xdx ln 5 ( x 7)dx b) ; x7 d ) x cos x sin xdx; dx . 3 2 cos x sin x f) 2 x 1 dx. x 1) x 3 arctg 6 3 x dx ; 1 9x2 c) ln 2 (6 x 1)dx ; 6x 1 dx ; x ctg 3 x ctg 4 x dx ; sin 2 4 x f) 6x dx; x3 2x 2 x 2 2 3 sin x 2 cos x dx. 1 cos x 2 x 2 41x 91 e) dx; ( x 2 2 x 3)( x 4) d ) x ctg xdx; 10. a) c) 3x 2 15 dx; ( x 2 5 x 6)( x 1) ( dx b) ; ( x 2) ln( x 2) f) ln 7 (2 x 1)dx ; 2x 1 d ) ( x 2 x)e x dx; c) 9. a) sin f) ln 3 ( x 1)dx ; x 1 37 x 85 dx; ( x 2 2 x 3)( x 4) b) d ) x 2 sin 2 x 3dx; 5 c) 2x3 x5 1 dx; x2 6x 2 6x 6 e) dx; ( x 2 x 2)( x 1) 2 d ) x arcctgxdx; 6. a) ln 5 ( x 1)dx ; x 1 dx . 5 3 cos x f) dx . 5 cos x 10 sin x c) 5 arctg 3 x dx ; 1 x2 dx dx. 5 4 sin x f) II. Вычислить несобственный интеграл или доказать его расходимость. 11. 0 x 3 dx 16x 4 1 1/ 3 . 12. 1 (e 3 1/ x)dx . 13. x2 23 1 xdx 16x 4 1 3 . 14. 1 dx 3 (3 x ) 5 . 0 15. (x 4) 2 2/3 18. 0 1 xdx 3 . 3 16. ln( 3 x 1)dx . 3x 1 17. 1/ 3 ln( 2 3 x)dx . 2 3x 19. 4 xdx x 4x 1 2 0 /6 20. . x 2 dx 3 (x 8) 3 4 . cos3 xdx 6 0 (1 sin 3 x) 5 . III. Вычислить (с точностью до двух знаков после запятой) площадь фигуры, ограниченной указанными линиями. Сделать чертеж. 21. 3 cos 2 . 22. y x 2 , y 3 x. 23. 4 cos3. 24. y x, y x3. 25. 3cos2. 26. y 2 x 1, 27. 2 sin 2. 28.. y 1 /( x 2 1), 29. 3sin 4. 30. y x 1, y 2 9 x. y 2 x 2 / 2. y cos x, y 0. IV. Вычислить (с точностью до двух знаков после запятой) длину дуги данной линии. 31. y 1 ln(cos x), 0 x / 6. 32. x 2(cos t t sin t ), y 2(sin t t cos t ), 0 t . 33. y 2 ( x 1) 3 , отсеченной прямой x=4. 34. 3cos. 35. y 2 x 5 , отсеченной прямой x=5. 36. 3(1 cos ). 37. y 2 ( x 1) 3 ,от точки А(2;-1) до точки В(5;-8). 38. x 5 cos 2 t , y 5 sin 2 t , 0 t / 2. 39. y 2 x 3 , от точки А(0;0) до точки В(4;8). 40. 3sin . V. Вычислить (с точностью до двух знаков после запятой) объем тела, полученного вращением фигуры Ф вокруг указанной оси координат. 24 41. Ф: y 2 4 x, x 0, Oy. 42. Ф: y sin x, y 0, (0 x ), Ox. 43. Ф: y 2 x, x 2 y, Ox. 44. Ф: y 2 4 x, x 2 4 y, 45. Ф: y e x , x 0, Ox. y 0, x 1, 46. Ф: y 2 4 x / 3, x 3, 47. Ф: y 2 x x 2 , 48. Ф: y x x 2 , Ox. y 0, Ox. y 0, 49. Ф: y x 3 , x 0, Ox. Ox. y 8, Oy. 50. Ф: y 2 x 2 / 2, x y 2, Oy. Контрольная работа № 8 I. Найти общее решение (общий интеграл) дифференциального уравнения. 51. a)( y 2 3x 2 )dy 2 xydx 0; b)( x 2 1) y 4 xy 3. 52. a)( x 2 y)dx xdy 0; b) y y x y . 53. a)( y 2 2 xy )dx x 2 dy 0; b) y y tgx 1 / cos x. 54. a) y 2 x 2 y xyy ; b) y 2 y y 2 e x . 55. a ) xy y x tg ( y / x); b) y 2 x( x 2 y ). 56. a)( y xy )dx xdy; b) xy 2 y x 2 y 3 . 57. a) y y / x 1; b) y y e x . 58. a) y x x y 0; b) xy y xy 2 . 59. a) xy y 2 (2 x 2 xy ) y ; b)( x 1) y y x 3 x 2 . 60. a)(2 x y)dx ( x y)dy 0; b) y xy x 3 y 3 . II. Решить задачу Коши для дифференциального уравнения. 25 61. y y e y , y (0) 0, 62. y arctgx , 64. y x / e 2 x , 68. y cos 4 x, y (0) 1. y (0) 1, y (0) 1 / 4. y (0) 1 / 4, 65. yy y 2 0, 67. y tgy 2 y 2 , y (0) 0. y (0) 0, 63. y 2 2 yy 0, 66. y x sin x, y (0) 1. y (0) 1. y (0) 1, y (0) y (0) 0. y (0) 0, y (1) 2. y (1) / 2, y (0) 15 / 16, y (0) 2, 69. 2 yy y 2 , y (0) 1, y (0) 1. 70. y 6 / x 3 , y (1) 0, y (1) 5, y (0) 0 . y (1) 1. III. Найти частное решение дифференциального уравнения, удовлетворяющее данным начальным условиям. 71. y 2 y y 12 cos 2 x 9 sin 2 x, 72. y 6 y 9 y 9 x 2 39 x 65, 73. y 2 y 2 y 2 x 2 8 x 6, 74. y 4 y 20 y 16 xe 2 x , y (0) 2, y (0) 1, y (0) 1, y (0) 1, y (0) 4. y (0) 2, 76. y 8 y 16 y 16 x 2 16 x 66, y (0) 3, 77. y 10 y 25 y e 5 x , y (0) 0. 78. y 12 y 36 y 72 x 3 18, 79. y y 12 y (16 x 22)e 4 x , 80. y 16 y 32e 4 x , y (0) 2, y (0) 1. y (0) 2. 75. y 12 y 36 y 32 cos 2 x 24 sin 2 x, y (0) 1, y (0) 0. y (0) 1, y (0) 3, y (0) 4. y (0) 0. y (0) 0. y (0) 5. y (0) 0. IV. Решить систему дифференциальных уравнений двумя способами: а) сведением к дифференциальному уравнению высшего порядка (метод исключения); б) с помощью характеристического уравнения. 26 dx dt 2 x y, 81. dy 3x 4 y. dt dx dt x y, 82. dy 4 x y. dt dx dt x 8 y, 83. dy x y. dt dx dt 2 x 3 y, 84. dy x . dt dx dt x y, 85. dy 4 x 4 y. dt dx dt 2 x y, 86. dy 3x 2 y. dt dx dx dx dx y , 2 x y , 6 x y , x 2 y, 87. dt 88. dt 89. dt 90. dt dy dy dy dy x. 6 x 3 y. 3x 2 y. 3x 6 y. dt dt dt dt V. Решить следующие задачи. 91-96. Записать уравнение кривой, проходящей через точку А(x0;y0), если известно, что угловой коэффициент касательной в любой ее точке равняется ординате этой точки, увеличенной в k раз. 91. А(0;2), к=3. 92. А(0;5), к=7. 93. А(-1;3), к=2. 94. А(-2;4), к=6. 95. А(-2;1), к=5. 96. А(3;-2), к=4. 97-100. Записать уравнение кривой, проходящей через точку А(x0;y0), если известно, что угловой коэффициент касательной в любой ее точке в n раз больше углового коэффициента прямой, соединяющей ту же точку с началом координат. 97. А(2;5), n=8. 98. А(3;-1), n=3/2. 99. А(-6;4), n=9. 100. А(-8;-2), n=3. Контрольная работа № 9 I. С помощью двойных интегралов вычислить площадь плоской фигуры, ограниченной указанными линиями ( в п. b) вычислить в полярных координатах) . 101. a) y 2 4 x, x y 3, y 0; b)( x 2 y 2 ) 2 a 2 (4 x 2 y 2 ). 102. a) y 6 x 2 , x y 2, x 0; b)( x 2 y 2 ) 3 a 2 x 2 y 2 . 103. a) y 2 x 2, x 2; b)( x 2 y 2 ) 3 a 2 x 2 (4 x 2 3 y 2 ). 27 104. a) y 2 4 x, x 2 4 y; b)( x 2 y 2 ) 2 a 2 (3x 2 2 y 2 ). 105. a) 2 y x , x y 5, x 0; b)( x 2 y 2 ) 2 a 2 (2 x 2 3 y 2 ). 106. a) y x 2 1, x y 3; b)( x 2 y 2 ) 2 a 2 (5 x 2 3 y 2 ). 107. a) y x 2 4 x, b)( x 2 y 2 ) 2 a 2 (7 x 2 5 y 2 ). 108. a) y 2 4 x, 109. a) y x 2 , y x 4; y x 2, y 2, y 2 ; y 3 / 4 x 2 1; 110. a) yx 1, x 2 y, b)( x 2 y 2 ) 2 2a 2 xy ). b)( x 2 y 2 ) 3 4 x 2 y 2 ). y 2, x 0; b)( x 2 y 2 ) 3 a 2 ( x 4 y 4 ). II. С помощью тройного интеграла вычислить объем тела, ограниченного указанными поверхностями. Сделать чертеж. 111. z 2 4 x, x 2 y 2 4 x. 112. z 4 y 2 , x 2 y 2 4, z 0. 113. x 2 y 2 1, z 2 x y, z 0. 114. z x 2 x 2 y 2 0, x y 7, z 0. 115. x 0, z 0, z y, x 4, y 25 x 2 . 116. x 2 y 2 4, z 4 x y, z 0. 117. y 0, z 0, 2 x y 0, x y 9, 118. x 0, z 0, 119. x 0, y 2 x, y 3, z x2. z y. y 0, z 0, x y 2, z x2 y2. 120. z 0, x 2 y 2 9, z 5 x y. III. Вычислить данные криволинейные интегралы. 121. (x 2 2 xy )dx ( y 2 2 xy )dy, где АВ дуга параболы y x 2 от точки AB А(-1;1) до точки В(1;1). 122. 2 z 2 (2 z x 2 y 2 dl, где L дуга кривой x t cost , y t sin t , L z t , 0 t 2 . 28 123. x 2 dy y 2 dx 3 AB x 3 y 5 5 , где AB дуга астроиды x 2 cos3 t , y 2 sin 3 t , от точки А(2,0) до точки В(0,2). 124. ( x 2 y 2 )dl, где L - окружность x 2 y 2 4 . L 125. (x 2 y 2 )dx 2 xydy, где ОА - дуга кубической параболы y x 3 , от OA точки О(0,0) до точки А(1,1). 126. OB dl 8 x y 2 2 , где ОВ - отрезок, соединяющий точки О(0,0) и В(2,2). 127. ( x 2 y )dx ( x y )dy, где L - окружность x 2 cost , y 2 sin t при L положительном направлении обхода. 128. (43 x 3 y )dl, где АВ - отрезок, соединяющий точки А(-1,0); AB В(0,1). 129. ( x 2 y x)dx ( y 2 x 2 y )dy, где L – дуга эллипса x 3cost , y 2 sin t L при положительном направлении обхода. 130. L y x2 y2 dl, где L дуга кардиоиды 2(1 cos ), 0 2 . IV. Даны векторное поле F=Xi+Yj+Zk и плоскость Ax+By+Cz+D=0, которая совместно с координатными плоскостями образует пирамиду V. Пусть S – основание пирамиды, принадлежащее плоскости; λ – контур, ограничивающий S; n – нормаль к S, направленная вне пирамиды V. Требуется вычислить: а) поток векторного поля F через поверхность S в направлении нормали n; b) циркуляцию векторного поля F по замкнутому контуру λ непосредственно и применив теорему Стокса к контуру λ и 29 ограниченной им поверхности S с нормалью n; c) поток векторного поля F через полную поверхность пирамиды V в направлении внешней нормали к ее поверхности непосредственно и применив теорему Остроградского. Сделать чертеж. 131. F=(x-z)k, (p): x+3y+z=3. 132. F=(y-x+z)j, (p): 2x-y-2z=2. 133. F=xi, (p): 3x+3y+z=3. 134. F=(z-x)j+(xx+2y+z)k, (p): x+y+z=2. 135. F=(y+2z)i, (p): 2x+y+2z=2. 136. F=(x+z)i+(x+y-z)k, (p): x+2y+z=2. 137. F=(2y+z)j, (p): 2x-3y+z=6. 138. F=(2y+z)i+(x-y)j, (p): x-y+z=2. 139. F=3yj+(y-z)k, (p): 2x-y-2z=-2. Вариант 140. F=(x+y-z)i, (p): x+2y+z=2. Контрольная рабо- Контрольная работа Контрольная рабо- та №8 та №9 №7 1 1 11 21 31 41 51 61 71 81 91 101 111 121 131 2 2 12 22 32 42 52 62 72 82 92 102 112 122 132 3 3 13 23 33 43 53 63 73 83 93 103 113 123 133 4 4 14 24 34 44 54 64 74 84 94 104 114 124 134 5 5 15 25 35 45 55 65 75 85 95 105 115 125 135 6 6 16 26 36 46 56 66 76 86 96 106 116 126 136 7 7 17 27 37 47 57 67 77 87 97 107 117 127 137 8 8 18 28 38 48 58 68 78 88 98 108 118 128 138 9 9 19 29 39 49 59 69 79 89 99 109 119 129 139 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 Литература 1.Шипачев В.С. Высшая математика. – М.: Высшая школа, 1985. 2. Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика. Дифференциальное и интегральное исчисление. – М.: Наука, 1984. 30 3. Бугров Я.С., Никольский С.М. Высшая математика. Дифференциальные уравнения. Кратные интегралы. Ряды. Функции комплексного переменного . – М.: Наука, 1989. 4. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисление для вузов. – М.: Наука, 1970- 1985. – Т.1.,2. 5. Данко П.Е., Попов А.Г., Кожевникова Т.Я. Высшая математика в упражнениях и задачах. – М.: Высшая школа, 1980. – Ч.1.,2. 6. Письменный Д.Т. Конспект лекций по высшей математике. – М.: Рольф, 2000. – Ч.1.,2. 31 высшая математика Методические указания и контрольные задания к выполнению контрольных работ 7, 8, 9. для студентов специальности 120100 заочной формы обучения Составили: Новикова Евгения Александровна Думина Наталья Алексеевна Рецензент Т. Д. Побежимова Редактор Л. В. Максимова Подписано в печать 16.03.09. Бумага тип. Тираж 150 экз. Формат 60×84 1/16 Усл. печ. л. 2,0 Заказ Уч. – изд. л. 2,0 Бесплатно Саратовский государственный технический университет 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77 Копипринтер БИТТиУ, 413840, г. Балаково, ул. Чапаева, 140