MAT1052 · 13. hafta · Double Integrals Over Rectangular and General Regions
Çift katlı integraller: dikdörtgen ve genel bölgeler
Dikdörtgen bölgede ardışık (iterated) integrali hesaplamayı, genel bölgeleri tip I / tip II olarak yazıp sınırları kurmayı, integrasyon sırasını değiştirmeyi ve çift katlı integralle hacim, alan ve ortalama değer hesaplamayı öğrenirsin.
double integraliterated integralFubini's theoremrectangular regiontype I regiontype II regionreversing the order of integrationvolumeareaaverage value
Tek değişkenli integral bir eğrinin altındaki alanı veriyordu. Çift katlı integral (double integral) ise bir yüzeyin altındaki hacmi verir: z=f(x,y) yüzeyi ile xy-düzlemindeki bir D bölgesi arasındaki katı. Hesap tekniği şaşırtıcı derecede basit: iki tane tek değişkenli integrali iç içe alırsın. Asıl zorluk integrali hesaplamak değil, sınırları doğru kurmak. Sınavda bu konudan genelde bir “evaluate”, bir “sketch the region and reverse the order” ve bir hacim ya da alan sorusu gelir.
Altın kurallar:
İç integralde dış değişken sabit gibi davranır. İçten dışa çalış.
Dış integralin sınırları her zaman sayıdır. İç integralin sınırları dış değişkene bağlı olabilir.
Genel bölgede önce bölgeyi çiz. Eğrilerin kesişimlerini bul, hangisinin altta hangisinin üstte olduğunu belirle.
İç integral alınamıyorsa (antitürev yok) integrasyon sırasını değiştir.
Dikdörtgen bölge ve Fubini teoremi
R=[a,b]×[c,d] olsun. Çift katlı integral, Riemann toplamlarının limiti olarak tanımlanır: R‘yi küçük dikdörtgenlere böl, her birinde f‘nin bir değerini alanla çarp, topla, parçaları küçült. f≥0 ise sonuç yüzeyin altındaki hacimdir.
Dikdörtgende sıra serbest. Hangisi kolaysa onu seç.
Sezgi.∫cdf(x,y)dy, sabit bir x değerinde katıyı x= sabit düzlemiyle kestiğinde oluşan dilimin alanıdır. Bu alanları x boyunca toplarsan (integralini alırsan) hacmi bulursun. Ekmeği dilimleyip dilimlerin alanlarını toplamak gibi.
Örnek 1.∫03∫12x2ydydx.
iç (y'ye göre, x sabit): ∫_1^2 x²y dy = x² [y²/2]_1^2 = x² (2 - 1/2) = (3/2) x²dış: ∫_0^3 (3/2) x² dx = (3/2)(9) = 27/2
Integrand g(x)h(y) biçiminde olduğu için kısa yol: (∫03x2dx)(∫12ydy)=9⋅23=227.
Örnek 2 (sıra seçimi).∬Rysin(xy)dA, R=[0,π]×[0,1]. Önce y‘ye göre alırsan kısmi integrasyon gerekir. Önce x‘e göre al: ∫0πysin(xy)dx=[−cos(xy)]0π=1−cos(πy). Sonra ∫01(1−cosπy)dy=1−0=1.
İPUCU · iç değişkeni seç. İç integralde integrandın yanında iç değişkene göre türevi duran bir çarpan varsa (ysin(xy)‘de x‘e göre integral alırken y, iç fonksiyonun türevi) o sıra kolaydır. Örnek 2 ve Q3 bu fikre dayanıyor.
Genel bölgeler
Bölge dikdörtgen değilse sınırları bir eğri olur. İki standart biçim var:
Tip I (dikey şeritler).D={a≤x≤b,g1(x)≤y≤g2(x)}:
∬DfdA=∫ab∫g1(x)g2(x)f(x,y)dydx.
Tip II (yatay şeritler).D={c≤y≤d,h1(y)≤x≤h2(y)}:
∬DfdA=∫cd∫h1(y)h2(y)f(x,y)dxdy.
Sınır kurma şablonu
1) Bölgeyi ÇİZ. Sınır eğrilerinin kesişimlerini hesapla.2) Tip I için: bölgenin içine dikey bir ok çiz (aşağıdan yukarı). ok nereden giriyor → alt sınır g1(x); nereden çıkıyor → üst sınır g2(x) x'in aldığı en küçük ve en büyük değer → dış sınırlar a, b3) Tip II için: yatay ok (soldan sağa). Giriş h1(y), çıkış h2(y). y'nin en küçük ve en büyük değeri → c, d4) Ok bölge içinde sınır değiştiriyorsa (giriş/çıkış eğrisi değişiyorsa) integrali ikiye böl ya da diğer tipi dene.
Örnek 3.D: y=x2 ve y=2x arası. Kesişim x2=2x, x=0 ve x=2. [0,2]‘de 2x≥x2 (dene: x=1‘de 2>1). ∬DxdA:
Tip I:∫02∫x22xxdydx=∫02x(2x−x2)dx=316−4=34.
Aynı bölge tip II olarak: y, 0‘dan 4‘e; y=2x⇒x=y/2 (sol), y=x2⇒x=y (sağ). ∫04∫y/2yxdxdy de 34 verir.
İntegrasyon sırasını değiştirme
Bazı integrandların bir değişkene göre antitürevi yoktur: ey2, sin(y3), cos(x2), ysiny. Böyle bir integral o değişken içte olacak şekilde verilmişse sırayı değiştirirsin. İş, bölgeyi diğer tipte yeniden yazmaktır.
Örnek 4.∫01∫y1cos(x2)dxdy. cos(x2)‘nin x‘e göre antitürevi yok.
Verilen: 0 ≤ y ≤ 1, y ≤ x ≤ 1 → (0,0), (1,0), (1,1) köşeli üçgenÇiz. Dikey şeritle (Tip I): 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ x∫_0^1 ∫_0^x cos(x²) dy dx = ∫_0^1 x cos(x²) dx = [sin(x²)/2]_0^1 = sin(1)/2
Yeni iç integral ∫0xdy=x çarpanını üretti ve bu çarpan tam olarak u=x2 dönüşümünün ihtiyaç duyduğu şey. Sıra değiştirme sorularında bu “sihir” neredeyse her zaman olur; olmuyorsa sınırları yanlış kurmuşsundur.
TUZAK · sınırları sadece yer değiştirmek.∫01∫y1…dxdy‘yi ∫y1∫01…dydx yapmak anlamsız: dış integralin sınırında değişken kalır. Sıra değiştirmek her zaman bölgeyi çizip yeniden tanımlamak demektir.
Alan, hacim ve ortalama değer
Ne istiyorsun?
Formül
D‘nin alanı
∬D1dA
z=f(x,y)≥0 altında, D üstünde hacim
∬DfdA
İki yüzey arası hacim
∬D(fu¨st−falt)dA
Ortalama değer
Alan(D)1∬DfdA
Örnek 5.z=4−x2−y2 paraboloitinin altında, [0,1]×[0,1] karesinin üstünde kalan hacim: ∫01∫01(4−x2−y2)dydx=4−31−31=310.
Hacim sorusunda bölge açıkça verilmemişse yüzeyin xy-düzlemini kestiği eğri (ya da iki yüzeyin kesişiminin izdüşümü) bölgenin sınırıdır. Q9’da düzlem z=0‘da 2x+3y=6 doğrusunu verir, taban üçgen.
Sık yapılan hatalar
Yanlış
Doğrusu
Dış sınıra değişken koymak
Dış sınırlar sabit; iç sınırlar değişebilir
Alt ve üst eğriyi karıştırmak
Aradan bir x değeri seçip kontrol et
Kesişim noktalarını hesaplamamak
Sınırlar kesişimlerden gelir
Sırayı değiştirirken sadece sınırları yer değiştirmek
Bölgeyi çiz, diğer tipte yeniden yaz
dydx sırasını yanlış okumak
İçteki diferansiyel (dy) iç integral
İç integralde dış değişkeni sabit almamak
∫x2ydy=x22y2
Hacimde alt yüzeyi çıkarmamak
∬(u¨st−alt)dA
Ortalamada alana bölmemek
A1∬fdA
Kendini test et
Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.
Soru 1kolay
Evaluate ∫02∫01(x+2y)dydx.
Cevabı göster
4
İç integral (y'ye göre, x sabit): [xy+y2]01=x+1. Dış: ∫02(x+1)dx=[2x2+x]02=2+2=4.
Soru 2kolay
Evaluate ∬Rxy2dA where R=[0,2]×[1,3].
Cevabı göster
52/3
Dikdörtgen ve integrand çarpım biçiminde: integral ayrılır.(∫02xdx)(∫13y2dy)=2⋅327−1=352.
Soru 3orta
Evaluate ∬RxexydA where R=[0,1]×[0,1].
Cevabı göster
e−2
Önce y'ye göre integral almak kolay: ∫01xexydy=[exy]01=ex−1. Dış: ∫01(ex−1)dx=e−1−1=e−2. Önce x'e göre alsaydın kısmi integrasyon gerekirdi.
Soru 4kolay
Use a double integral to find the area of the region between y=x2 and y=x.
Cevabı göster
1/6
Kesişim: x2=x, x=0,1. [0,1]'de x≥x2, yani üst sınır y=x.∫01∫x2xdydx=∫01(x−x2)dx=21−31=61.
Soru 5orta
Evaluate ∬D(x+y)dA where D is bounded by y=x2 and y=2x.
Cevabı göster
52/15
Kesişim x=0,2; arada 2x≥x2. Tip I: ∫02∫x22x(x+y)dydx. İç: [xy+2y2]x22x=2x2+2x2−x3−2x4=4x2−x3−2x4. Dış: 332−4−1032=15160−60−48=1552.
Soru 6zor
Evaluate ∫01∫x1ey2dydx by reversing the order of integration.
Cevabı göster
2e−1
ey2'nin antitürevi yok, sırayı değiştir. Bölge: 0≤x≤1, x≤y≤1, yani köşeleri (0,0), (0,1), (1,1) olan üçgen. Tip II: 0≤y≤1, 0≤x≤y. ∫01∫0yey2dxdy=∫01yey2dy=[21ey2]01=2e−1.
Soru 7zor
Evaluate ∫04∫x2sin(y3)dydx.
Cevabı göster
31−cos8≈0.3818
Bölge: 0≤x≤4, x≤y≤2. y=x⟺x=y2. Tip II: 0≤y≤2, 0≤x≤y2.∫02∫0y2sin(y3)dxdy=∫02y2sin(y3)dy. u=y3: 31[−cosu]08=31−cos8.
Soru 8orta
Reverse the order of integration: ∫02∫0x2f(x,y)dydx.
Cevabı göster
∫04∫y2f(x,y)dxdy
Bölge: 0≤x≤2, 0≤y≤x2. Parabolün altında, x=2 doğrusunun solunda.y aralığı 0'dan 4'e. Sabit bir y için x, parabolden (x=y) x=2 doğrusuna kadar.
Soru 9orta
Find the volume of the solid in the first octant bounded by the coordinate planes and the plane 2x+3y+z=6.
Cevabı göster
6
z=6−2x−3y, taban xy-düzleminde 2x+3y≤6 üçgeni: 0≤x≤3, 0≤y≤36−2x.∫03∫0(6−2x)/3(6−2x−3y)dydx. İç: 6(6−2x)2. Dış: 61∫03(6−2x)2dx=61⋅36=6. Kontrol: dört yüzlü hacmi 61⋅3⋅2⋅6=6.
Soru 10kolay
Find the average value of f(x,y)=xy over the rectangle [0,2]×[0,4].
Cevabı göster
2
favg=Alan1∬RfdA. İntegral (∫02xdx)(∫04ydy)=2⋅8=16, alan 8. Ortalama 816=2.
Soru 11zor
Evaluate ∫0π∫xπysinydydx.
Cevabı göster
2
ysiny'nin temel antitürevi yok. Bölge: 0≤x≤y≤π. Tip II: 0≤y≤π, 0≤x≤y.∫0π∫0yysinydxdy=∫0πysiny⋅ydy=∫0πsinydy=2.
Soru 12orta
Evaluate ∬DydA, where D is the quarter disk x2+y2≤1, x≥0, y≥0, using Cartesian coordinates.
Cevabı göster
1/3
Tip I: 0≤x≤1, 0≤y≤1−x2. İç: [2y2]01−x2=21−x2. Dış: 21(1−31)=31. (Gelecek hafta aynı integrali kutupsal koordinatla yapacağız.)
Doğrulama: Bütün çift katlı integraller node'da iç içe Simpson kuralıyla sayısal olarak hesaplandı; sıra değiştirme sorularında iki sıranın da aynı değeri verdiği ayrıca kontrol edildi (verify/MAT1052/13.mjs).
Deftere not kartı
∬_R f dA = ∫∫ f dy dx = ∫∫ f dx dy (Fubini, dikdörtgen)
İÇTEN DIŞA: iç integralde diğer değişken SABİT
Ayrılabilir: R dikdörtgen ve f = g(x)h(y) → (∫g dx)(∫h dy)
TİP I: a≤x≤b, g1(x)≤y≤g2(x) → ∫_a^b ∫_{g1}^{g2} f dy dx (dikey şerit)
TİP II: c≤y≤d, h1(y)≤x≤h2(y) → ∫_c^d ∫_{h1}^{h2} f dx dy (yatay şerit)
İç sınırlar dış değişkene bağlı olabilir; DIŞ sınırlar hep SABİT
Sınır kur: ÇİZ, kesişimleri bul, alt/üst (sol/sağ) eğriyi belirle
Sıra değiştirme: bölgeyi çiz → diğer tipte yeniden yaz
Ne zaman? e^(y²), sin(y³), sin y / y gibi antitürevi olmayanlar
Alan = ∬_D 1 dA. Hacim = ∬_D (üst - alt) dA
Ortalama = (1/Alan) ∬ f dA