Tích phân trên các miền hai chiều trở lên, tính thể tích và các đại lượng tổng trong nhiều chiều.
Trực giácTừ các dải diện tích đến những cột thể tích
Tích phân một biến ∫abf(x)dx chia đoạn thẳng thành các đoạn nhỏ bề rộng Δx rồi cộng diện tích các hình chữ nhật. Tích phân kép ∬Df(x,y)dA mở rộng đúng ý tưởng đó sang miền hai chiều D: ta lát miền D bằng các ô chữ nhật nhỏ diện tích ΔA=ΔxΔy, dựng trên mỗi ô một cột mảnh có chiều cao f(xi,yj), rồi cho lưới mịn dần. Tổng thể tích các cột cho ta thể tích có dấu bên dưới mặt cong z=f(x,y), hoặc tổng khối lượng của một bản mỏng có khối lượng riêng mặt là f(x,y).
Mặt parabol hình chảo trong không gian ba chiều trồi lên từ đế vuông, biểu diễn thể tích tích lũy bởi tích phân kép của x² + y².
Parabol z=x2+y2 trên miền vuông D: tích phân kép ∬DzdA là thể tích của tất cả cột đứng nằm dưới mặt. Định lý Fubini cắt thể tích đó thành các tích phân một chiều: ∫−1.61.6(∫−1.61.6(x2+y2)dy)dx≈27.3.
Đại họcĐịnh nghĩa chặt chẽ: Tích phân kép, tích phân bội ba, rút gọn Fubini và định thức Jacobi
Định nghĩa: Tích phân Riemann kép và bội ba
Với hàm bị chặn f:D⊆R2→R trên miền đo được bị chặn D, tích phân kép ∬Df(x,y)dA là giới hạn của tổng Riemann ∑i,jf(xi∗,yj∗)ΔxiΔyj khi đường kính phân hoạch tiến về 0. Tương tự, trên miền khối E⊆R3, tích phân bội ba ∭Ef(x,y,z)dV lấy tổng trên các hình hộp nhỏ có thể tích ΔV=ΔxΔyΔz.
Khi miền lấy tích phân có dạng hình tròn, hình trụ hoặc hình cầu, phép đổi biến trơn Φ(u,v)=(x(u,v),y(u,v)) giúp đơn giản hóa các cận biên. Qua ánh xạ Φ, một hình chữ nhật nhỏ du×dv bị kéo giãn và làm nghiêng thành một hình bình hành có diện tích nhân thêm trị tuyệt đối của định thức Jacobi ∣detDΦ∣=∂(u,v)∂(x,y). Trong tọa độ cực (x,y)=(rcosθ,rsinθ) hệ số này là r, còn trong tọa độ cầu (x,y,z)=(ρsinφcosθ,ρsinφsinθ,ρcosφ) hệ số này là ρ2sinφ.
Mặt hình yên ngựa xuyên qua mặt phẳng ngang, các phần nằm trên và dưới triệt tiêu nhau trong tích phân kép có dấu.
Mặt yên ngựa z=x2−y2: trên miền đối xứng qua gốc tọa độ, tích phân kép ∬DzdA cộng các thể tích dương (chỗ x2>y2) với thể tích âm (chỗ y2>x2), nên thể tích có dấu có thể nhỏ hơn nhiều so với tổng — ở đây hai phần triệt tiêu hẳn nhau, cho kết quả 0.
Các hệ tọa độ và yếu tố diện tích / thể tích Jacobi trong 2D và 3D
Hệ tọa độ
Phép đổi biến
Vi phân diện tích / thể tích
Descartes 2D
(x,y)
dA=dxdy
Tọa độ cực 2D
x=rcosθ,y=rsinθ
dA=rdrdθ
Tọa độ trụ 3D
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z
dV=rdrdθdz
Tọa độ cầu 3D
x=ρsinφcosθ,y=ρsinφsinθ,z=ρcosφ
dV=ρ2sinφdρdφdθ
Đại họcCác định lý cốt lõi: Định lý Fubini và công thức đổi biến Jacobi
Nếu f(x,y) liên tục trên hình chữ nhật R=[a,b]×[c,d], thì tích phân kép bằng cả hai tích phân lặp một biến: ∬Rf(x,y)dA=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx=∫cd(∫abf(x,y)dx)dy. Tổng quát hơn, trên miền đơn theo phương đứng D={(x,y):a≤x≤b,g1(x)≤y≤g2(x)}, ta có ∬Df(x,y)dA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y)dydx.
Vì sao đúng?
Tính thể tích bằng cách cộng các khối hộp nhỏ trên lưới cho cùng một kết quả dù bạn cộng từng cột dọc theo y trước để có diện tích lát cắt A(x) rồi tích phân A(x) theo x, hay cắt vuông góc với trục y trước.
Chứng minh
Chia [a,b] thành m đoạn con [xi−1,xi] bề rộng Δx và [c,d] thành n đoạn con [yj−1,yj] bề rộng Δy. Với mỗi x cố định, đặt tích phân lát cắt A(x)=∫cdf(x,y)dy. Theo Định lý giá trị trung bình cho tích phân, trên mỗi đoạn [yj−1,yj] tồn tại yij∗∈[yj−1,yj] sao cho ∫yj−1yjf(xi,y)dy=f(xi,yij∗)Δy.
Cộng theo j=1,…,n ta được A(xi)=∑j=1nf(xi,yij∗)Δy. Nhân với Δx rồi cộng theo i=1,…,m dẫn tới ∑i=1mA(xi)Δx=∑i=1m∑j=1nf(xi,yij∗)ΔxΔy. Do f liên tục đều trên hình chữ nhật compact R, khi cho Δx,Δy→0, vế trái hội tụ về ∫abA(x)dx=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx còn vế phải hội tụ về ∬Rf(x,y)dA. Lặp lại lập luận với vai trò x và y hoán đổi ta thu được đẳng thức với thứ tự lấy tích phân ngược lại.
Cho Φ:U→Φ(U)⊆R2 là vi đồng phôi lớp C1 với ma trận Jacobi DΦ(u,v)=(xuyuxvyv). Với mọi hàm khả tích f trên Φ(U), ta có ∬Φ(U)f(x,y)dxdy=∬Uf(x(u,v),y(u,v))∣detDΦ(u,v)∣dudv, trong đó detDΦ=xuyv−xvyu.
Vì sao đúng?
Giống như dx=g′(u)du co giãn độ dài trong phép đổi biến một biến, ∣detDΦ(u,v)∣ đo tỉ số co giãn diện tích địa phương khi một hình chữ nhật nhỏ trong mặt phẳng (u,v) được ánh xạ thành một hình bình hành trong mặt phẳng (x,y).
Chứng minh
Xét hình chữ nhật nhỏ Rij=[ui,ui+Δu]×[vj,vj+Δv] trong U. Nhờ khai triển Taylor bậc nhất quanh (ui,vj), hai cạnh (Δu,0) và (0,Δv) được ánh xạ xấp xỉ thành hai vectơ tiếp tuyến a=Φu(ui,vj)Δu=(xu,yu)Δu và b=Φv(ui,vj)Δv=(xv,yv)Δv. Diện tích hình bình hành căng bởi a và b trong R2 bằng ∣xuyv−xvyu∣ΔuΔv=∣detDΦ(ui,vj)∣ΔuΔv sai khác một đại lượng bậc cao o(ΔuΔv).
Thay ΔAij≈∣detDΦ(ui,vj)∣ΔuΔv vào tổng Riemann ∑i,jf(Φ(ui,vj))ΔAij ta được ∑i,jf(Φ(ui,vj))∣detDΦ(ui,vj)∣ΔuΔv. Đặc biệt, với tọa độ cực x=rcosθ, y=rsinθ, ta có detDΦ=(cosθ)(rcosθ)−(−rsinθ)(sinθ)=r(cos2θ+sin2θ)=r, suy ra dxdy=rdrdθ.
Đại họcỨng dụng thực tiễn và Ví dụ minh họa
Tích phân bội xuất hiện khắp nơi trong vật lý, xác suất và kỹ thuật: trong cơ học, tích phân bội ba dùng để tính tổng khối lượng M=∭Eρ(x,y,z)dV, khối tâm và mômen quán tính Iz=∭E(x2+y2)ρdV của các chi tiết máy quay; trong lý thuyết xác suất và thống kê, việc chuẩn hóa phân phối chuẩn dựa vào tích phân Gauss ∫−∞∞e−x2dx=π, được chứng minh bằng cách bình phương thành tích phân kép trong tọa độ cực; còn trong vật lý thiên văn và điện từ học, tích phân cầu ρ2sinφdρdφdθ dùng để tích phân phân bố trường hấp dẫn và điện tích trên các ngôi sao và hành tinh.
Ví dụ: Đổi thứ tự lấy tích phân khi tích phân bên trong không có nguyên hàm sơ cấp
Tính tích phân lặp I=∫01∫y1ex2dxdy bằng cách phác họa miền lấy tích phân và đổi thứ tự lấy tích phân theo định lý Fubini.
Lời giải
Tích phân bên trong ∫y1ex2dx không thể tính trực tiếp dưới dạng đóng vì ex2 không có nguyên hàm sơ cấp. Tuy nhiên, các bất đẳng thức 0≤y≤1 và y≤x≤1 mô tả miền tam giác D={(x,y):0≤x≤1,0≤y≤x}.
Theo định lý Fubini, cắt theo phương thẳng đứng trước giúp viết lại tích phân thành I=∫01(∫0xex2dy)dx=∫01xex2dx. Đặt u=x2, du=2xdx ta thu được I=[21ex2]01=2e−1.
Ví dụ: Tính tích phân Gauss bằng tọa độ cực
Chứng minh công thức tích phân Gauss I=∫−∞∞e−x2dx=π bằng cách biểu diễn I2 thành tích phân kép trên R2 rồi chuyển sang tọa độ cực.
Lời giải
Viết tích của hai bản sao độc lập của I theo hai biến giả x và y: I2=(∫−∞∞e−x2dx)(∫−∞∞e−y2dy)=∬R2e−(x2+y2)dxdy.
Chuyển sang tọa độ cực x=rcosθ, y=rsinθ với 0≤r<∞, 0≤θ≤2π và nhân tử Jacobi dxdy=rdrdθ. Khi đó I2=∫02π∫0∞e−r2rdrdθ=2π[−21e−r2]0∞=2π⋅21=π. Vì e−x2>0, lấy căn bậc hai dương ta được I=π.
Mặt Gauss hình chuông trong không gian ba chiều nhỏ dần về không theo mọi hướng; thể tích dưới nó trên toàn mặt phẳng bằng pi.
Chuông Gauss z=e−(x2+y2): thể tích toàn phần của nó trên mặt phẳng là ∬R2e−(x2+y2)dA=∫02π∫0∞e−r2rdrdθ=π — phép đổi biến cực (chú ý nhân tử Jacobi r) cũng chứng minh ∫−∞∞e−x2dx=π.
Tính tích phân kép ∬R(2x+4y)dA trên hình chữ nhật R=[0,2]×[0,1].
Khi đổi thứ tự lấy tích phân của ∫02∫x24f(x,y)dydx, ta thu được tích phân lặp nào?
Trong hệ tọa độ cầu 3D (x,y,z)=(ρsinφcosθ,ρsinφsinθ,ρcosφ), yếu tố thể tích dV bằng biểu thức nào?
Sử dụng tích phân Gauss ∫−∞∞e−x2dx=π, giá trị của tích phân xác suất hai chiều ∬R2e−(x2+y2)/2dxdy bằng bao nhiêu?
Tài liệu tham khảo
Jerrold E. Marsden, Anthony J. Tromba (2012). Vector Calculus