Калькулятор тройного интеграла

О Калькулятор тройного интеграла

Добро пожаловать в Калькулятор тройного интеграла — комплексный инструмент для вычисления тройных интегралов с подробными пошаговыми решениями и 3D-визуализацией. Независимо от того, изучаете ли вы многомерный анализ, решаете физические задачи или работаете над инженерными приложениями, этот калькулятор обеспечивает точные символьные вычисления как для определенных, так и для неопределенных тройных интегралов.

Что такое тройной интеграл?

Тройной интеграл расширяет понятие интегрирования на три измерения. Он вычисляет интеграл функции $f(x, y, z)$ по трехмерной области, записываемый как:

Тройные интегралы являются фундаментальными в многомерном анализе и имеют многочисленные применения в физике, технике и прикладной математике.

Как работает тройное интегрирование

Повторное интегрирование

Тройной интеграл по прямоугольной области вычисляется путем выполнения трех последовательных однократных интегрирований:

1. Внутренний интеграл: Интегрирование по самой внутренней переменной (например, $z$), при этом $x$ и $y$ рассматриваются как константы.
2. Средний интеграл: Интегрирование результата по средней переменной (например, $y$), при этом $x$ рассматривается как константа.
3. Внешний интеграл: Интегрирование по самой внешней переменной (например, $x$).

Теорема Фубини

Для непрерывных функций по прямоугольным областям с постоянными пределами порядок интегрирования может быть изменен без влияния на результат. Это известно как теорема Фубини. Однако для непрямоугольных областей необходимо уделять пристальное внимание порядку интегрирования и пределам.

Как пользоваться этим калькулятором

1. Введите функцию: Введите функцию $f(x, y, z)$ для интегрирования. Используйте стандартную нотацию, например x*y*z, sin(x)*cos(y) или exp(-x^2-y^2-z^2).
2. Укажите переменные: Определите три переменные интегрирования. Внешний интеграл использует первую переменную, средний — вторую, а внутренний — третью.
3. Установите пределы (необязательно): Введите нижнюю и верхнюю границы для каждой переменной. Оставьте пустыми для неопределенных интегралов. Поддерживаются выражения типа pi, pi/2 или числовые значения.
4. Вычислите: Нажмите «Вычислить тройной интеграл», чтобы увидеть пошаговое решение и визуализацию.

Поддерживаемые функции и нотация

• Арифметика: +, -, *, /, ^ (степень)
• Тригонометрия: sin, cos, tan, sinh, cosh
• Экспоненциальные/Логарифмические: exp, ln
• Константы: pi, e
• Неявное умножение: 2x интерпретируется как 2*x

Применения тройных интегралов

Системы координат

Декартовы координаты

Система по умолчанию, использующая координаты $(x, y, z)$. Лучше всего подходит для прямоугольных областей и функций без явной симметрии.

Цилиндрические координаты

Используются $(r, \theta, z)$, где $x = r\cos\theta$, $y = r\sin\theta$. Элемент объема становится $dV = r \, dr \, d\theta \, dz$. Идеально подходит для задач с круговой или цилиндрической симметрией.

Сферические координаты

Используются $(\rho, \phi, \theta)$, где $x = \rho\sin\phi\cos\theta$, $y = \rho\sin\phi\sin\theta$, $z = \rho\cos\phi$. Элемент объема равен $dV = \rho^2 \sin\phi \, d\rho \, d\phi \, d\theta$. Лучше всего подходит для сферических областей.

Часто задаваемые вопросы

Что такое тройной интеграл?

Тройной интеграл расширяет интегрирование на три измерения, вычисляя интеграл функции $f(x,y,z)$ по трехмерной области. Он записывается как $\iiint f(x,y,z) \, dV$ и используется для вычисления объемов, масс, центров масс и других свойств трехмерных объектов.

Как вычислить тройной интеграл?

Тройной интеграл вычисляется путем выполнения трех последовательных однократных интегрирований, начиная с самого внутреннего интеграла и продвигаясь наружу. Для прямоугольных областей интегрируйте по одной переменной, считая остальные константами, затем повторите для оставшихся переменных.

Каков порядок интегрирования в тройных интегралах?

Порядок интегрирования относится к тому, по какой переменной вы интегрируете в первую очередь. Распространенные порядки включают $dz \, dy \, dx, dy \, dz \, dx$ и т. д. Для прямоугольных областей с постоянными пределами порядок не влияет на конечный результат (теорема Фубини), но для непрямоугольных областей изменение порядка может упростить вычисления.

Когда следует использовать тройные интегралы?

Тройные интегралы используются при расчете свойств трехмерных объектов: объемов твердых тел, массы объектов с переменной плотностью, центра масс, моментов инерции, распределения электрических зарядов и средних значений функций по 3D-областям.

В чем разница между определенным и неопределенным тройным интегралом?

Определенный тройной интеграл имеет конкретные пределы для всех трех переменных и дает числовое значение. Неопределенный тройной интеграл не имеет пределов и дает функцию (первообразную) плюс константы интегрирования. Определенные интегралы чаще встречаются в приложениях.

Можно ли перевести тройные интегралы в другие системы координат?

Да, тройные интегралы можно перевести в цилиндрические координаты $(r, \theta, z)$ или сферические координаты $(\rho, \phi, \theta)$, когда область или подынтегральное выражение обладают соответствующей симметрией. Это часто значительно упрощает расчет. При смене координат необходимо включать определитель Якоби.

Дополнительные ресурсы

• Кратный интеграл — Википедия
• Многомерный анализ — Академия Хана

Другие сопутствующие инструменты:

Математический анализ:

• Калькулятор свертки
• Калькулятор производных
• Калькулятор Направленных Производных
• Калькулятор двойных интегралов
• Калькулятор неявной производной
• Калькулятор интегралов
• Калькулятор Обратного Преобразования Лапласа
• Калькулятор преобразования Лапласа
• Калькулятор пределов
• Калькулятор частных производных
• Калькулятор Производной Одной Переменной
• Калькулятор ряда Тейлора
• Калькулятор тройного интеграла