Giải bài tập tích phân 2 lớp tọa độ cực

Đổi biến để tính tích phân là nội dung quan trọng hỗ trợ chúng ta tính được tích phân dễ dàng hơn cách thông thường.

Ta cần tìm $\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy $.

Thực hiện phép đổi biến $$\left\{\begin{array}{l} {x=x[u,v]} \\ {y=y[u,v]} \end{array}\right. \label{3.1.7}\tag{*}$$ Giả sử

  1. Các hàm $x[u,v];{\rm \; }y[u,v]$ liên tục và có các đạo hàm riêng liên tục trên miền đóng $D'$ nằm trong mặt phẳng $Ouv$.
  2. Các công thức \eqref{3.1.7} xác định 1 song ánh từ $D'$ lên $D$.
  3. $$ J=\frac{D[x,y]}{D[u,v]} =\left|\begin{array}{cc} {x'_{u} } & {x'_{v} } \\ {y'_{u} } & {y'_{u} } \end{array}\right|\ne 0,{\rm \; \; }\forall [u,v]\in D'.$$

Khi đó ta có công thức đổi biến trong tính tích phân bội hai: $$\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy =\iint\limits_{D'}f[x[u,v],y[u,v]]|J|dudv.\label{3.1.8}\tag{7}$$

Ví dụ 5. Tính $\iint\limits_{D}[x+y][x-y]^{2} dxdy $ với $D$ được giới hạn bởi các đường: $x+y=1;{\rm \; }x+y=3;{\rm \; }x-y=0;{\rm \; }x-y=1$.

Hướng dẫn.

Thực hiện phép đổi biến $\left\{\begin{array}{l} {u=x+y} \\ {v=x-y} \end{array}\right. \Rightarrow \left\{\begin{array}{l} {x=\frac{1}{2} [u+v]} \\ {y=\frac{1}{2} [u-v]} \end{array}\right..$

Xác định miền $D'$: $D'=\left\{[u,v]\in \mathbb{R}^{2} |1\le u\le 3;0\le v\le 1\right\}$.

Dễ thấy phép đổi biến trên xác định một song ánh từ $D'$ lên $D$.

Ta có $J=\dfrac{D[x,y]}{D[u,v]} =\left|\begin{array}{cc} {\frac{1}{2} } & {\frac{1}{2} } \\ {\frac{1}{2} } & {-\frac{1}{2} } \end{array}\right|=-\dfrac{1}{2} \ne 0$.

Vậy, $$\iint\limits_{D}[x+y][x-y]{2} dxdy =\iint\limits_{D'}u.v{2} |J|dudv =\dfrac{1}{2} \int\limits_{1}{3}udu \int\limits_{0}{1}v^{2} dv =\dfrac{2}{3}.$$

Chú ý. Nếu ta thực hiện phép đổi biến $\left\{\begin{array}{l} {u=x+y} \\ {v=x-y} \end{array}\right..$

Ta vẫn có miền $D'=\left\{[u,v]\in {\rm R}^{2} |1\le u\le 3;0\le v\le 1\right\}$.

Dễ thấy phép đổi biến trên vẫn xác định một song ánh từ $D'$ lên $D$.

Và $\dfrac{1}{J} =\dfrac{D[u,v]}{D[x,y]} =\left|\begin{array}{cc} {1} & {1} \\ {1} & {-1} \end{array}\right|=-2\ne 0$.

Vậy, $$\iint\limits_{D}[x+y][x-y]{2} dxdy =\iint\limits_{D'}u.v{2} |J|dudv =\dfrac{1}{2} \int\limits_{1}{3}udu \int\limits_{0}{1}v^{2} dv =\dfrac{2}{3}.$$

Định nghĩa. Trong mặt phẳng chọn một điểm $O$ cố định gọi là cực và trục $Ox$ gọi là trục cực.

Hệ tọa độ xác định bởi cực và trục cực được gọi là hệ tọa độ cực.

Vị trí của một điểm $M$ trong mặt phẳng được hoàn toàn xác định bởi 2 số:

$r=\overrightarrow{OM}$ được gọi là bán kính vector hay bán kính cực.

$\varphi =[Ox,\overrightarrow{OM}]$ được gọi là góc cực, là góc định hướng [có chiều quay dương [khi quay trục $Ox$ lên trùng với $\overrightarrow{OM}$] là chiều ngược chiều kim đồng hồ]

Cặp số có thứ tự $[r,\varphi ]$ được gọi là các tọa độ cực của điểm $M [r\ge 0;{\rm \; }\varphi \in {\rm [}0,2\pi {\rm ]}].$

Mối quan hệ giữa điểm $[x,y]$ trong hệ tọa độ Đề Các và hệ tọa độ cực

Công thức tính.

Để tìm mối liên hệ giữa các tọa độ Đề các $[x,y]$ và các tọa độ cực $[r,\varphi ]$ của cùng một điểm $M$, ta dựng hệ trục tọa độ Đề các có gốc tại cực, trục hoành trùng trục cực.

Theo định lý về phép chiếu vuông góc ta có $\left\{\begin{array}{l} {x=r\cos \varphi } \\ {y=r\sin \varphi } \end{array}\right. $ [**]

Nếu $r>0;{\rm \; }\varphi \in {\rm [}0,2\pi {\rm ]}$ thì [**] xác định một song ánh giữa các tọa độ Đề các và các tọa độ cực [riêng điểm $O[0,0]$ có $r=0;{\rm \; }\varphi $ tùy ý]

Do đó ta có thể xem [**] như một phép đổi biến.

Ta có $J=\dfrac{D[x,y]}{D[r,\varphi ]} =\left|\begin{array}{cc} {\cos \varphi } & {-r\sin \varphi } \\ {\sin \varphi } & {r\cos \varphi } \end{array}\right|=r\ne 0$ [trừ điểm $O[0,0]$]

Do đó, ta có công thức tính tích phân bội 2 trong hệ tọa độ cực:

$$\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy =\iint\limits_{D'}f[r\cos \varphi ,r\sin \varphi ]rd\varphi dr.\label{3.1.9}\tag{8}$$

Chú ý.

  1. Công thức \eqref{3.1.9} vẫn đúng trong trường hợp chứa gốc $O[0,0]$.
  2. Nếu $D$ được giới hạn bởi $\left\{\begin{array}{l} {r_{1} [\varphi ]\le r\le r_{2} [\varphi ]} \\ {\varphi _{1} \le \varphi \le \varphi _{2} } \end{array}\right.$ thì ta có công thức tính tích phân bội 2 trong hệ tọa độ cực: $$\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy =\int _{\varphi _{1} }{\varphi _{2} }d\varphi \int _{r_{1} [\varphi ]}{r_{2} [\varphi ]}f[r\cos \varphi ,r\sin \varphi ]rdr\label{3.1.10}\tag{9}.$$
  3. Nếu $D$ là hình tròn tâm trùng cực, bán kính $R$ thì ta có công thức tính tích phân bội 2 trong hệ tọa độ cực: $$\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy =\int _{0}{2\pi }d\varphi \int _{0}{R}f[r\cos \varphi ,r\sin \varphi ]rdr\label{3.1.11}\tag{10}.$$
  4. Nếu $D$ được giới hạn bởi $\left\{\begin{array}{l} {r_{1} \le r\le r_{2} } \\ {\varphi _{1} \le \varphi \le \varphi _{2} } \end{array}\right. $ và $f[r\cos \varphi ,r\sin \varphi ]=f_{1} [\varphi ].f_{2} [r]$ thì ta có công thức tính tích phân bội 2 trong hệ tọa độ cực như sau: $$\iint\limits_{D}f[x,y]dxdy =\int _{\varphi _{1} }{\varphi _{2} }f_{1} [\varphi ]d\varphi \int _{r_{1} }{r_{2} }f_{2} [r]rdr\label{3.1.12}\tag{11}.$$

Ví dụ 6.

Tính tích phân $\iint\limits_{D}[x^{2} +y^{2} ]dxdy $ với $D$ là hình tròn $[O,2]$.

Hướng dẫn.

Chuyển sang tọa độ cực, ta có $$\iint\limits_{D}[x^{2} +y^{2} ]dxdy =\int _{0}{2\pi }d\varphi \int _{0}{2}r^{2} rdr =8\pi.$$

Chủ Đề