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2

nd

  

 

 

A

d

Clas

M

 

Adva

s

Uni

 

Electro

 

 

Mult

anc

iversity of
omechani

Energy 

 

 

tipl

ed 

f Technolo

cal Depar

Branch

le In

Ma

ogy

tment

nteg

athe

gra

ema

 

al

atic

 

2

st

  Le

 

cs

cture


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

 
 
 

Advance Mathematic

Multiple Integral

2    Class Electromechanical Engineer

nd

Dr.Eng.Muhammad.A.R.Yass

by

 multiple Integral

1 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Multiple Integral

Double Integral

Iterated Integrals

Double Integral Over General Regions

Double Integral in Polar Coordinates

Triple Integrals

Triple Integral inCylindrical Coordinates

Triple Integrals in Sperical coordinates

Change of Variables

Surface Area

Area and Volume Revisited

 multiple Integral

2 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Double Integrals 

definition of a definite integrals for functions of single variables

 

( )

b

a

f x dx

 

b

x

a

≤ ≤

 

 

 

( )

( )

*

1

lim

n

b

i

a

n

i

f x dx

f x

x

→∞ =

=

Double Integrals

The

and

also

We will start out by assuming that the region in 

2

¡

 is a rectangle which we will denote as 

follows, 

 

[ ] [ ]

,

,

R

a b

c d

=

×

 

 
This means that the ranges for x and y are 

a

x

b

≤ ≤

 and 

c

y

d

≤ ≤

 

Also, we will initially assume that 

( )

,

0

f x y

 although this doesn’t really have to be the case.  

 multiple Integral

3 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Here is the official definition of a double integral of a function of two variables over a rectangular 
region R as well as the notation that we’ll use for it. 

 

( )

(

)

*

*

,

1

1

,

lim

,

n

m

i

j

n m

i

j

R

f x y dA

f x y

A

→∞

=

=

=

∑∑

∫∫

 

 

 

Iterated Integrals 

 
The following theorem tells us how to compute a double integral over a rectangle. 
 
Fubini’s Theorem 

If 

( )

,

f x y

 is continuous on 

[ ] [ ]

,

,

R

a b

c d

=

×

 then, 

 

( )

( )

( )

,

,

,

R

b

d

d

b

c

a

a

c

f x y dA

f x y dy dx

f x y dx dy

=

=

∫∫

 

These integrals are called iterated integrals
 

Example 1  

Compute each of the following double integrals over the indicated rectangles. 

(a) 

2

6

R

xy dA

∫∫

,  

[ ] [ ]

2, 4

1, 2

R

=

×

   

(b) 

3

2

4

R

x

y dA

∫∫

,  

[

] [ ]

5, 4

0,3

R

= −

×

   

(c) 

( )

( )

2

2

cos

sin

R

x y

x

y dA

π

π

+

+

∫∫

,  

[

] [ ]

2, 1

0,1

R

= − − ×

   

(d) 

(

)

2

1

2

3

R

dA

x

y

+

⌠⌠



⌡⌡

,  

[ ] [ ]

0,1

1, 2

R

=

×

   

(e) 

R

xy

x

dA

∫∫

e

,  

[

] [ ]

1, 2

0,1

R

= −

×

   

 multiple Integral

4 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Solution 

(a) 

2

6

R

xy dA

∫∫

,  

[ ] [ ]

2, 4

1, 2

R

=

×

 

 
Solution 1 
In this case we will integrate with respect to y first.  So, the iterated integral that we need to 
compute is, 

 

2

2

4

2

1

2

6

6

R

xy dA

xy dy dx

= ⌠

∫∫

 

 

 

( )

2

2

3

1

4

2

4

2

4

2

6

2

16

2

14

R

xy dA

xy

dx

x

x dx

x dx

=

=

=

∫∫


 

4

2

2

2

6

7

84

R

xy dA

x

=

=

∫∫

 

Solution 2 
In this case we’ll integrate with respect to x first and then y.  Here is the work for this solution. 

 

(

)

2

2

4

2

2

2

2

2

3

1

2

4

2

1

2

1

2

1

6

6

3

36

12

84

R

xy dA

xy dx dy

x y

dy

y dy

y

=

=

=

=
=

∫∫

 

 

(b) 

3

2

4

R

x

y dA

∫∫

,  

[

] [ ]

5, 4

0, 3

R

= −

×

 

 
For this integral we’ll integrate with respect to y first. 

 

(

)

3

3

3

4

0

4

3

0

5

4

5

4

5

2

4

2

4

2

6

81

R

x

y dA

x

y dy dx

xy

y

dx

x

dx

=

=

=

∫∫

 

(

)

4

2

5

3

81

756

x

x

=

= −

 multiple Integral

5 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

( )

2

2

2

2

1

3

2

2

2

1

3

0

1

1

2

0

1

0

1

0

cos

sin

cos

sin

1

1

sin

sin

3

7

sin

3

7

1

cos

9

7

2

9

R

x y

x

y dA

x y

x

y dx dy

x y

x

x

y

dy

y

y dy

y

y

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

=

= +


∫∫

 

 

 

(d) 

(

)

2

1

2

3

R

dA

x

y

+

⌠⌠



⌡⌡

,  

[ ] [ ]

0,1

1, 2

R

=

×

 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

1

1

0

2

1

2

1

0

1

2

1

2

1

2

3

2

3

1

2

3

2

1

1

1

2

2 3

3

1 1

1

ln 2 3

ln

2 3

3

1

ln 8 ln 2 ln 5

6

R

x

y

dA

x

y

dx dy

x

y

dy

dy

y

y

y

y

+

=

+

=

+

= −

+

= −

+

= −

∫∫

 

 

 

(e) 

R

xy

x

dA

∫∫

e

,  

[

] [ ]

1, 2

0,1

R

= −

×

 

 

(c) 

( )

( )

2

2

cos

sin

R

x y

x

y dA

π

π

+

+

∫∫

,  

[

] [ ]

2, 1

0,1

R

= − − ×

 

2

1

1 0

R

xy

xy

x

dA

x

dy dx

=

∫∫

∫ ∫

e

e

 

be done with the quick substitution, 

u

xy

du

x dy

=

=

 

2

1

0

1

2

1

R

xy

xy

x

x

dA

dx

dx

=

=

∫∫


e

e

e

(

)

(

)

1

2

1

2

1

2

1

2

1

3

x

x

=

= − −

+

= −

e

e

e

e

e

 

 multiple Integral

6 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 

1

2

0

1

R

xy

xy

x

dA

x

dx dy

=

∫∫

∫ ∫

e

e

 

 
In order to do this we would have to use integration by parts as follows, 

 

1

xy

xy

u

x

dv

dx

du

dx

v

y

=

=

=

=

e

e

 

The integral is then, 

 

1

2

1

0

1

2

2

1

0

1

2

2

0

2

2

1

1

2

1

1

1

R

xy

xy

xy

xy

xy

y

y

y

y

x

x

dA

dx

dy

y

y

x

dy

y

y

dy

y

y

y

y

=

=

 

=

− −

 

 



∫∫

e

e

e

e

e

e

e

e

e

 

If we change the order from dydx to dxdy the solution will be more difficult see that

difficult to continue

 
Fact 

If 

( )

( ) ( )

,

f x y

g x h y

=

 and we are integrating over the rectangle 

[ ] [ ]

,

,

R

a b

c d

=

×

 then, 

 

( )

( ) ( )

( )

(

)

( )

(

)

,

R

R

b

d

a

c

f x y dA

g x h y dA

g x dx

h y dy

=

=

∫∫

∫∫

 

Example 2  

Evaluate 

( )

2

cos

R

x

y dA

∫∫

[

]

2, 3

0,

2

R

π

= −

× 

Solution 
Since the integrand is a function of x times a function of y we can use the fact. 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

2

2

3

2

2

2

0

3

2

2

0

2

0

cos

cos

1

1

1 cos 2

2

2

5

1

1

sin 2

2

2

2

5

R

x

y dA

x dx

y dy

x

y dy

y

y

π

π

π

π

=

=

+

 

 

=

+

 

 

=

∫∫

  

8

 multiple Integral

7 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Double Integrals Over General Regions 

In the previous section we looked at double integrals over rectangular regions.  The problem with 
this is that most of the regions are not rectangular so we need to now look at the following double 
integral, 

 

( )

,

D

f x y dA

∫∫

 

where D is any region. 
 

There are two types of regions that we need to look at.  Here is a sketch of both of them. 
 

      

 

Case 1 

( )

( )

( )

{

}

1

2

,

|

,

D

x y

a

x

b g x

y

g

x

=

≤ ≤

≤ ≤

 

Case 2. 

 

( ) ( )

( )

{

}

1

2

,

|

,

D

x y

h y

x

h

y c

y

d

=

≤ ≤

≤ ≤

 

 

In Case 1 where 

( )

( )

( )

{

}

1

2

,

|

,

D

x y

a

x

b g x

y

g

x

=

≤ ≤

≤ ≤

 the integral is defined to be, 

 

( )

( )

( )

( )

2

1

,

,

D

b

g

x

g

x

a

f x y dA

f x y dy dx

= ⌠

∫∫

 

 

In Case 2 where 

( ) ( )

( )

{

}

1

2

,

|

,

D

x y

h y

x

h

y c

y

d

=

≤ ≤

≤ ≤

 the integral is defined to be, 

 

( )

( )

( )

( )

2

1

,

,

D

d

h

y

h y

c

f x y dA

f x y dx dy

= ⌠

∫∫

 

 

P

ropert

i

es 

 

1. 

( ) ( )

( )

( )

,

,

,

,

D

D

D

f x y

g x y dA

f x y dA

g x y dA

+

=

+

∫∫

∫∫

∫∫

 

 

2. 

( )

( )

,

,

D

D

cf x y dA

c

f x y dA

=

∫∫

∫∫

, where c is any constant. 

 

3. 

If the region D can be split into two separate regions D

1

 and D

2

 then the integral can be written 

as 

( )

( )

( )

1

2

,

,

,

D

D

D

f x y dA

f x y dA

f x y dA

=

+

∫∫

∫∫

∫∫

 

 

 multiple Integral

8 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 1  

Evaluate each of the following integrals over the given region D

(a) 

x

y

D

dA

⌠⌠

⌡⌡

e

,  

( )

{

}

3

,

|1

2,

D

x y

y

y

x

y

=

≤ ≤

≤ ≤

   

(b) 

3

4

D

xy

y dA

∫∫

,  D is the region bounded by 

y

x

=

 and 

3

y

x

=

.   

(c) 

2

6

40

D

x

y dA

∫∫

,  D is the triangle with vertices 

( )

0, 3

( )

1,1

, and 

( )

5, 3

.    

   

Solution 

(a)  

x

y

D

dA

⌠⌠

⌡⌡

e

,  

( )

{

}

3

,

|1

2,

D

x y

y

y

x

y

=

≤ ≤

≤ ≤

 

Okay, this first one is set up to just use the formula above so let’s do that. 

 

3

3

2

2

2

2

1

1

2

1

1

2

2 1

4

1

1

1

1

1

2

2

2

2

y

x

x

x

y

y

y

D

y

y

y

y

y

dA

dx dy

y

dy

y

y dy

y

=

=

=

=

=

⌠⌠

⌡⌡

e

e

e

e

e

e

e

e

e

 

(b) 

3

4

D

xy

y dA

∫∫

,  D is the region bounded by 

y

x

=

 and 

3

y

x

=

. 

 

 

So, from the sketch we can see that that two inequalities are, 

 

3

0

1

x

x

y

x

≤ ≤

≤ ≤

 

 
We can now do the integral, 

3

3

1

3

3

0

1

2

4

0

4

4

1

2

4

D

x

x

x

x

xy

y dA

xy

y dy dx

xy

y

dx

=

=

∫∫

1

2

7

12

0

1

3

8

13

0

7

1

2

4

4

7

1

1

55

12

4

52

156

x

x

x dx

x

x

x

=

+

=

+

=

 

(c) 

2

6

40

D

x

y dA

∫∫

,  D is the triangle with vertices 

( )

0, 3

( )

1,1

, and 

( )

5,3

. 

Projection for (dy dx)

Projection fo (dx dy)

 multiple Integral

9 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

( )

{

}

( )

1

2

,

| 0

1,

2

3

3

1

1

,

|1

5,

3

2

2

D

x y

x

x

y

D

x y

x

x

y

=

≤ ≤ −

+ ≤ ≤

=

≤ ≤

+ ≤ ≤

 

 
To avoid this we could turn things around and solve the two equations for x to get, 

 

1

3

2

3

2

2

1

1

2

1

2

2

y

x

x

y

y

x

x

y

= − +

= −

+

=

+

=

 

 

( )

1

3

,

|

2

1, 1

3

2

2

D

x y

y

x

y

y

=

+ ≤ ≤

≤ ≤

 

 

 
 

Projection for (dy dx)

(Two)

Projection fo (dx dy)

(one)

Solution 1 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

1

2

2

2

2

5

1

3

3

2

2

1

1

2

3

0

1

2

2

5

1

3

3

2

2

2

2

1

1

2

3

0

1

2

2

1

5

2

2

3

3

2

1

1

2

2

0

1

6

40

6

40

6

40

6

40

6

40

6

20

6

20

12

180

20 3 2

3

15

180

20

D

D

D

x

x

x

x

x

y dA

x

y dA

x

y dA

x

y dy dx

x

y dy dx

x y

y

dx

x y

y

dx

x

x

dx

x

x

x

dx

− +

+

− +

+

=

+

=

+

=

+

=

+

+ −

+

+

+

∫∫

∫∫

∫∫

5

1

 

4

10

3

3

180

3

x

x

=

(

)

(

)

(

)

(

)

3

3

4

3

3

40

1

1

4

3

2

2

0

1

2

5

180

935

3

x

x

x

x

x

+ −

+

+

+

= −

 

Solution 2 
This solution will be a lot less work since we are only going to do a single integral. 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

3

2

1

2

2

1

3

1

2

2

3

2

1

3

1

3

1

2

2

3

3

3

2

3

1
2

2

1

3

4

4

2

3

100

3

1

1

3

4

2

2

1

6

40

6

40

2

40

100

100

2 2

1

2

50

2

1

935

3

y

y

D

y

y

x

y dA

x

y dx dy

x

xy

dy

y

y

y

y

dy

y

y

y

y

+

+

=

=

=

+

− −

+

=

+

+ −

+

= −


∫∫

 

 multiple Integral

10 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Example 2  

Evaluate the following integrals by first reversing the order of integration. 

(a) 

3

2

3

9

3

0

y

x

x

dy dx

e

 

(b) 

3

8

2

4

0

1

y

x

dx dy

+

   

 Solution 

(a)  

3

2

3

9

3

0

y

x

x

dy dx

e

 

 

2

0

3

9

x

x

y

≤ ≤

≤ ≤

 

 

 

0

0

9

x

y

y

≤ ≤

≤ ≤

 

that mean  x=0, x=3

that mean  y=9, y=x

2

from this value we draw the graph as shown

so the limits for dxdy

 
The integral, with the order reversed, is now, 

 

3

3

2

9

3

9

3

3

0

0

0

y

y

y

x

x

dy dx

x

dx dy

= ⌠

e

e

 

 

 

 

   

 

 

 

 

3

3

3

3

3

2

9

3

9

3

3

0

0

0

9

4

0

0

9

2

0

9

0

1

4

1

4

1

12

y

y

y

y

y

y

y

x

x

dy dx

x

dx dy

x

dy

y

dy

=

=

=

=



e

e

e

e

e

 

(

)

729

1

1

12

=

e

 

(b) 

3

8

2

4

0

1

y

x

dx dy

+

 

 

 

 

 

3

2

0

8

y

x

y

≤ ≤

≤ ≤

 

That mean x =    y    ,x=2

 

 

3

That mean y=0 , y= 8

so the graph will be

 multiple Integral

11 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Calculus III 

 

 

 

So, if we reverse the order of integration we get the following limits. 
 

 

3

0

2

0

x

y

x

≤ ≤

≤ ≤

 

The integral is then, 

 

3

3

3

2

8

2

4

4

0

0

0

2

4

0

0

3

2

3

4

2

0

1

1

1

1

1

17

1

6

x

x

y

x

dx dy

x

dy dx

y x

dx

x

x

dx

+

=

+

=

+

=

+

=


 

 

The volume of the solid that lies below the surface given by 

( )

,

z

f x y

=

 and above the region D 

in the xy-plane is given by, 

 

( )

,

D

V

f x y dA

=

∫∫

 

The Volume of Solid

 

Example 3  

Find the volume of the solid that lies below the surface given by 

16

200

z

xy

=

+

 

and lies above the region in the xy-plane bounded by 

2

y

x

=

 and 

2

8

y

x

= −

.  

 
Solution 
Here is the graph of the surface and we’ve tried to show the region in the xy-plane below the 
surface. 

   

Here is a sketch of the region in the xy-plane by itself. 

 multiple Integral

12 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 
By setting the two bounding equations equal we can see that they will intersect at 

2

x

=

 and 

2

x

= −

.  So, the inequalities that will define the region D in the xy-plane are, 

 

2

2

2

2

8

x

x

y

x

− ≤ ≤

≤ ≤ −

 

 
The volume is then given by, 

 

(

)

2

2

2

2

2

8

2

2

8

2

2

2

3

2

2

2

4

3

2

2

16

200

16

200

8

200

128

400

512

1600

400

12800

32

256

1600

3

3

D

x

x

x

x

V

xy

dA

xy

dy dx

xy

y

dx

x

x

x

dx

x

x

x

x

=

+

=

+

=

+

=

+

+

= −

+

+

=


∫∫

 

 

Example 4  

Find the volume of the solid enclosed by the planes 

4

2

10

x

y

z

+

+ =

3

y

x

=

0

z

=

0

x

=

 
Solution 

 
The first plane, 

4

2

10

x

y

z

+

+ =

10 4

2

z

x

y

= −

 

.  The second plane, 

3

y

x

=

 

So

0 4

2

10

2

5

2

5

x

y

x

y

y

x

+

+

=

+ =

= − +

 

o, here is a sketch the region D

projection for (dydx)

projection for (dxdy)

(not possible)

 multiple Integral

13 of 39

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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

     

 

0

1

3

2

5

x

x

y

x

≤ ≤

≤ ≤ − +

 

(

)

1

0

1

2

5

2

3

0

1

2

0

1

3

2

0

2

5

3

10 4

2

10 4

2

10

4

25

50

25

25

25

25

25

3

3

D

x

x

x

x

V

x

y dA

x

y dy dx

y

xy

y

dx

x

x

dx

x

x

x

− +

− +

=

=

=

=

+

=

+

=

∫∫
∫ ∫

 

 multiple Integral

14 of 39

<<2013-2014>>


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26 

 

Double Integral in Polar Coordinates

  a general region in terms of polar coordinates and see what we can do with that

.  Here is a sketch of some region using polar coordinates. 

 

 

 
So, our general region will be defined by inequalities, 

 

( )

( )

1

2

h

r

h

α θ β

θ

θ

≤ ≤
≤ ≤

 

 
Now, to find dA let’s redo the figure above as follows, 
 

 

dA

r dr d

θ

=

 

2

2

2

cos

sin

x

r

y

r

r

x

y

θ

θ

=

=

=

+

 

 

( )

(

)

( )

( )

2

1

,

cos , sin

h

h

D

f x y dA

f r

r

r dr d

β

θ

θ

α

θ

θ

θ

= ⌠

∫∫

 

Example 1  

Evaluate the following integrals by converting them into polar coordinates. 

(a) 

2

D

x y dA

∫∫

D is the portion of the region between the circles of radius 2       

      and radius 5 centered at the origin that lies in the first quadrant.   

 

(b) 

2

2

D

x

y

dA

+

∫∫

e

D is the unit circle centered at the origin.   

 

Solution 

(a) 

2

D

x y dA

∫∫

D is the portion of the region between the circles of radius 2 and radius 5 

centered at the origin that lies in the first quadrant. 
 
First let’s get D in terms of polar coordinates.  The circle of radius 2 is given by 

2

r

=

 and the 

circle of radius 5 is given by 

5

r

=

.  We want the region between them so we will have the 

following inequality for r

2

5

r

≤ ≤

 

 
Also

since

 

we

 

only

 

want

 

the

 

portion

 

that

 

is

 

in

 

the

 

first

 

quadrant

 

we

 

get

 

the

 

following

 

range

 

of 

θ

’s. 

 multiple Integral

15 of 39

<<2013-2014>>


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0

2

π

θ

≤ ≤

 

 
Now that we’ve got these we can do the integral. 

 

(

)(

)

5

2

2

0

2

2

cos

sin

D

x y dA

r

r

r dr d

π

θ

θ

θ

= ⌠

∫∫

 

 
Don’t forget to do the conversions and to add in the extra r.  Now, let’s simplify and make use of 
the double angle formula for sine to make the integral a little easier. 

( )

( )

( )

5

2

3

2

0

5

2

4

2

0

2

0

2

sin 2

1

sin 2

4

609

sin 2

4

D

x y dA

r

dr d

r

d

d

π

π

π

θ

θ

θ

θ

θ θ

=

=

=

∫∫

 

( )

2

0

609

cos 2

8

π

θ

= −

609

4

=

(b) 

2

2

D

x

y

dA

+

∫∫

e

D is the unit circle centered at the origin. 

 
In this case we can’t do this integral in terms of Cartesian coordinates.  We will however be able 
to do it in polar coordinates.  First, the region D is defined by, 

 

0

2

0

1

r

θ

π

≤ ≤

≤ ≤

 

 
In terms of polar coordinates the integral is then, 

 

2

2

2

2

1

0

0

D

x

y

r

dA

r

dr d

π

θ

+

= ⌠

∫∫

e

e

 

 
Notice that the addition of the r gives us an integral that we can now do.  Here is the work for this 
integral. 

2

2

2

2

1

0

0

D

x

y

r

dA

r

dr d

π

θ

+

= ⌠

∫∫

e

e

(

)

(

)

2

2

1

0

0

2

0

1

2

1

1

2

1

r

d

d

π

π

θ

θ

π

=

=

=


e

e

e

 

 multiple Integral

16 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 2  

Determine the area of the region that lies inside 

3 2sin

r

θ

= +

 and outside 

2

r

=

 
Solution 
Here is a sketch of the region, D, that we want to determine the area of. 
 

 

 by setting the two equations and solving. 

 

 

3 2 sin

2

1

7

11

sin

,

2

6

6

θ

π

π

θ

θ

+

=

= −

=

 

 
Here is a sketch of the figure with these angles added. 

 

So, here are the ranges that will define the region. 

 

7

6

6

2

3 2 sin

r

π

π

θ

θ

− ≤ ≤

≤ ≤ +

 

( )

7

6

3 2sin

6

2

7

6

3 2sin

2

2

6

7

6

2

6

7

6

6

1

2

5

6 sin

2 sin

2

7

6 sin

cos 2

2

D

A

dA

r drd

r

d

d

d

π

θ

π

π

θ

π

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ θ

θ

θ θ

+

+

=

=

=

=

+

+

=

+

∫∫
∫ ∫

 multiple Integral

17 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

( )

7

6

6

7

1

6 cos

sin 2

2

2

11 3

14

24.187

2

3

π

π

θ

θ

θ

π

=

=

+

=

 

Example 3  

Determine the volume of the region that lies under the sphere 

2

2

2

9

x

y

z

+

+

=

above the plane 

0

z

=

 and inside the cylinder 

2

2

5

x

y

+

=

 
Solution 
We know that the formula for finding the volume of a region is, 

 

( )

,

D

V

f x y dA

=

∫∫

 

Here is the function. 

2

2

9

z

x

y

=

− −

 

( )

,

f x y

As we know that z=

0

2

0

5

r

θ

π

≤ ≤
≤ ≤

 

(

)

2

2

2

9

9

z

x

y

r

=

+

=

 

(

)

2

2

2

5

2

0

0

2

5

3

2

2

0

0

9

9

1

9

3

D

V

x

y dA

r

r dr d

r

d

π

π

θ

θ

=

− −

=

=


∫∫

 

2

0

19

3

38

3

d

π

θ

π

=

=

 multiple Integral

18 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

( )

,

D

V

f x y dA

=

∫∫

 

Example 4  

Find the volume of the region that lies inside 

2

2

z

x

y

=

+

 and  below the plane 

16

z

=

 
Solution 
Let’s start this example off with a quick sketch of the region. 

( )

,

D

f x y

=

∫∫

upper

-

( )

,

f x y

Lower

dA  

{

}

2

2

16

D

V

x

y

dA

=

+

∫∫

so

(

)

{

(

) }

2

0

2

0

4

16

r

z

r

θ

π

≤ ≤

≤ ≤

= −

 

me is then, 

(

)

(

)

2

2

2

4

2

0

0

4

2

2

4

0

0

16

16

1

8

4

D

V

x

y

dA

r

r

dr d

r

r

d

π

π

θ

θ

=

+

=

=

∫∫

 

2

0

64

128

d

π

θ

π

=
=

 

Example 5  

Evaluate the following integral by first converting to polar coordinates. 

 

(

)

2

1

1

2

2

0

0

cos

y

x

y

dx dy

+

 

Solution 

2

0

1

0

1

y

x

y

≤ ≤

≤ ≤

 

2

1

x

y

=

 

 multiple Integral

19 of 39

<<2013-2014>>


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Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
 

 

0

2

0

1

r

π

θ

≤ ≤

≤ ≤

 

 

dx dy

dA

r dr d

θ

=

=

 

 and so the integral becomes, 

 

(

)

( )

2

1

1

1

2

2

2

2

0

0

0

0

cos

cos

y

x

y

dx dy

r

r

dr d

π

θ

+

=

∫ ∫

 

 
Note that this is an integral that we can do.  So, here is the rest of the work for this integral. 

 

(

)

( )

( )

( )

2

1

1

2

1

2

2

2

0

0

0

0

2

0

1

cos

sin

2

1

sin 1

2

sin 1

4

y

x

y

dx dy

r

d

d

π

π

θ

θ

π

+

=

=

=

 

 multiple Integral

20 of 39

<<2013-2014>>


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 The notation for the general triple integrals is, 

 

(

)

, ,

E

f x y z dV

∫∫∫

 

 
Let’s start simple by integrating over the box, 

 

[ ] [ ] [ ]

,

,

,

B

a b

c d

r s

=

×

×

 

Note that when using this notation we list the x’s first, the y’s second and the z’s third. 
 
The triple integral in this case is, 

 

(

)

(

)

, ,

, ,

B

s

d

b

r

c

a

f x y z dV

f x y z dx dy dz

=

∫∫∫

∫ ∫ ∫

 

 

Example 1  

Evaluate the following integral. 

 

8

B

xyz dV

∫∫∫

,    

[ ] [ ] [ ]

2, 3

1, 2

0,1

B

=

×

×

 

Solution 
Just to make the point that order doesn’t matter let’s use a different order from that listed above.  
We’ll do the integral in the following order. 

 

2

3

1

1

2

0

2

3

1

2

0

1

2

2

3

1

2

2

3

2

2

1

2

1

8

8

4

4

2

10

15

B

xyz dV

xyz dz dx dy

xyz

dx dy

xy dx dy

x y dy

y dy

=

=

=

=

=

=

∫∫∫

∫ ∫ ∫
∫ ∫

∫ ∫

 

Triple Integrals

Fact 
The volume of the three-dimensional region E is given by the integral, 

 

E

V

dV

=

∫∫∫

 

 

Let’s now move on the more general three-dimensional regions.  We have three different 
possibilities for a general region.  Here is a sketch of the first possibility. 

 multiple Integral

21 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 
Solution 

In this case we will evaluate the triple integral as follows, 

(

)

(

)

( )

( )

2

1

,

,

, ,

, ,

E

D

u x y

u x y

f x y z dV

f x y z dz dA

=

⌠⌠



⌡⌡

∫∫∫

 

Example 2  

Evaluate 

2

E

x dV

∫∫∫

 where E is the region under the plane 

2

3

6

x

y

z

+

+ =

 that lies 

in the first octant. 

.  So D will be the triangle with vertices at 

( )

0, 0

( )

3, 0

, and 

( )

0, 2

.  Here is a 

sketch of  D

 

 

0

6 2

3

z

x

y

≤ ≤ −

 

 
We can integrate the double integral over D using either of the following two sets of inequalit

 

0

3

3

0

3

2

2

0

2

0

2

3

x

x

y

y

x

y

≤ ≤

≤ ≤ −

+

≤ ≤ −

+

≤ ≤

 

(

)

(

)

6 2

3

0

6 2

3

0

2

3

2

3

0

0

2

3

2

2

2

3

0

0

3

3

2

0

2

2

2

2

6 2

3

12

4

3

4

8

12

3

x

y

E

D

x

y

D

x

x

x dV

x dz dA

xz

dA

x

x

y dy dx

xy

x y

xy

dx

x

x

x dx

− −

− −

+

− +

=

=

=

=

=

+

⌠⌠



⌡⌡



∫∫∫

∫∫

 

3

4

3

2

0

1

8

6

3

3

9

x

x

x

=

+

=

 multiple Integral

22 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Solution 

 

       

 

 
Here are the limits for each of the variables. 

 

0

4

3

3

4

2

0

8

y

y

z

y

x

y

z

≤ ≤

≤ ≤

≤ ≤ − −

 

 

Example 3  

Determine the volume of the region that lies behind the plane 

8

x

y

z

+ + =

 and in 

front of the region in the yz-plane that is bounded by 

3
2

z

y

=

 and 

3
4

z

y

=

8

0

4

3

2

3

4

0

4

3

2

2

3

4

0

8

1

8

2

y z

E

D

y

y

y

y

V

dV

dx dA

y

z dz dy

z

yz

z

dy

− −

=

=

=

− −

=

− −

⌠⌠



⌡⌡


∫∫∫

 

4

1

3

2

2

2

0

4

3

5

2

3

2

2

0

57

3

33

12

8

2

32

57

3

11

49

8

16

5

32

5

y

y

y

y dy

y

y

y

y

=

+

=

+

=

 multiple Integral

23 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 4  

Evaluate 

2

2

3

3

E

x

z dV

+

∫∫∫

 where E is the solid bounded by 

2

2

2

2

y

x

z

=

+

 and 

the plane 

8

y

=

 

Solution 

Here is a sketch of the solid E

 

2

2

2

2

2

2

8

4

x

z

x

z

+

=

+

=

 

cos

sin

x

r

z

r

θ

θ

=

=

 

2

2

2

x

z

r

+

=

 

2

2

2

2

8

0

2

0

2

x

z

y

r

θ

π

+

≤ ≤

≤ ≤

≤ ≤

 

(

)

(

) (

)

(

)

2

2

2

2

8

2

2

2

2

8

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

3

8

2

2

E

D

x

z

D

D

x

z

x

z dV

x

z dy dA

y

x

z

dA

x

z

x

z

dA

+

+

+

=

+

=

+

=

+

+

⌠⌠



⌡⌡

⌠⌠



⌡⌡

∫∫∫

∫∫

 

(

) (

)

(

)

(

)

(

)

(

)

2

2

2

2

2

2

2

3

3

8

2

2

3

8 2

3

8 2

3 8

2

x

z

x

z

r

r

r

r

r

r

+

+

=

=

=

 

(

)

(

)

2

2

3

2

2

3

0

0

2

2

3

5

0

0

2

0

3

3

3 8

2

3

8

2

8

2

3

3

5

128

3

15

E

D

x

z dV

r

r

dA

r

r

r dr d

r

r

d

d

π

π

π

θ

θ

θ

+

=

=

=

=



∫∫∫

∫∫

 

256 3

15

π

=

 multiple Integral

24 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Triple Integrals in Cylindrical Coordinates 

 

The following are the conversion formulas for cylindrical coordinates. 

 

 

cos

sin

x

r

y

r

z

z

θ

θ

=

=

=

 

dV

r dz dr d

θ

=

 

 
In terms of cylindrical coordinates a triple integral is, 

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

( )

2

2

1

1

cos , sin

cos , sin

, ,

cos , sin ,

E

h

u r

r

h

u r

r

f x y z dV

r f r

r

z dz dr d

β

θ

θ

θ

α

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

∫∫∫

∫ ∫ ∫

 

 

Example 1  

Evaluate 

E

y dV

∫∫∫

 where E is the region that lies below the plane 

2

z

x

= +

 above 

the xy-plane and between the cylinders 

2

2

1

x

y

+

=

 and 

2

2

4

x

y

+

=

 
Solution 

 

0

2

0

cos

2

z

x

z

r

θ

≤ ≤ +

≤ ≤

+

 

Remember that we are above the xy-plane and so we are above the plane 

0

z

=

 

 

Next, the region D is the region between the two circles 

2

2

1

x

y

+

=

 and 

2

2

4

x

y

+

=

 in the xy-

plane and so the ranges for it are, 

 

0

2

1

2

r

θ

π

≤ ≤

≤ ≤

 

(

)

(

)

( )

( )

2

2

0

1

0

2

2

2

0

1

2

2

3

2

0

1

2

2

4

3

1

0

cos

2

sin

sin

cos

2

1

sin 2

2

sin

2

1

2

sin 2

sin

8

3

E

r

y dV

r

r dz dr d

r

r

dr d

r

r

dr d

r

r

d

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+

=

=

+

=

+

=

+

∫∫∫

∫ ∫ ∫
∫ ∫
∫ ∫

 

( )

( )

2

0

2

0

15

14

sin 2

sin

8

3

15

14

cos 2

cos

16

3

0

d

π

π

θ

θ θ

θ

θ

=

+

= −

=

 

Example 2  

Convert 

2

2

2

2

2

1

1

1

0

y

x

y

x

y

xyz dz dx dy

+

+

∫ ∫

 into an integral in cylindrical coordinates. 

 Solution 

Here are the ranges of the variables from this iterated integral. 

 

2

2

2

2

2

1

1

0

1

y

x

y

x

y

z

x

y

− ≤ ≤

≤ ≤

+

≤ ≤

+

 

2

1

x

y

=

 and 

0

x

=

 

from Integral Limits

equalize the limit of x

 multiple Integral

25 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

1

1

y

− ≤ ≤

2

2

0

1

r

π

π

θ

− ≤ ≤

≤ ≤

 

 

   

 

2

r

z

r

≤ ≤

 

(

)(

)

2

2

2

2

2

2

2

1

1

2

1

1

0

2

0

2

1

3

2

0

cos

sin

cos sin

r

r

y

x

y

x

y

r

r

xyz dz dx dy

r r

r

z dz dr d

zr

dz dr d

π

π

π

π

θ

θ

θ

θ

θ

θ

+

+

=

=

∫ ∫

∫ ∫ ∫
∫ ∫ ∫

 

Limits of y

then

 multiple Integral

26 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

The following sketch shows the relationship between the Cartesian and spherical coordinate systems. 

 

 

Here are the conversion formulas for spherical coordinates. 

 

 

2

2

2

2

sin

cos

sin sin

cos

x

y

z

x

y

z

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

ρ

=

=

=

+

+

=

 

 
We also have the following restrictions on the coordinates. 

 

0

0

ρ

ϕ π

≤ ≤

 

 

For our integrals we are going to restrict E down to a spherical wedge.  This will mean that we 
are going to take ranges for the variables as follows, 
 

 

a

b

ρ

α θ β

δ ϕ γ

≤ ≤

≤ ≤

≤ ≤

 

 
Here is a quick sketch of a spherical wedge in which the lower limit for both 

ρ

 and 

ϕ

 are zero 

for reference purposes.  Most of the wedges we’ll be working with will fit into this pattern. 
 

Triple Integrals in Spherical coordinates

 multiple Integral

27 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

2

sin

dV

d d d

ρ

ϕ ρ θ ϕ

=

 

 
Therefore the integral will become, 

(

)

(

)

2

, ,

sin

sin cos , sin sin , cos

E

b

a

f x y z dV

f

d d d

β γ

α

δ

ρ

ϕ

ρ

ϕ

θ ρ

ϕ

θ ρ

ϕ ρ θ ϕ

=

∫∫∫

∫ ∫ ∫

 

  The integral is then, 

also

 

Example 1  

Evaluate 

16

E

z dV

∫∫∫

 where E is the upper half of the sphere 

2

2

2

1

x

y

z

+

+

=

Solution 
Since we are taking the upper half of the sphere the limits for the variables are, 

 

0

1

0

2

0

2

ρ

θ

π

π

ϕ

≤ ≤
≤ ≤

≤ ≤

 

(

)

( )

( )

( )

2

2

3

2

2

2

0

0

0

2

1

0

0

0

2

0

0

0

16

sin

16 cos

8

sin 2

2sin 2

4 sin 2

E

z dV

d

d d

d

d d

d d

d

π

π

π

π

π

π

ρ

ϕ

ρ

ϕ ρ θ ϕ

ρ

ϕ ρ θ ϕ

ϕ θ ϕ

π

ϕ ϕ

=

=

=

=

∫∫∫

∫ ∫ ∫

∫ ∫ ∫
∫ ∫

 

2

1

π

( )

2

0

2 cos 2

4

π

π

ϕ

π

= −
=

 

Example 2  

Convert 

2

2

2

2

2

3

9

2

2

2

0

0

18

y

x

y

x

y

x

y

z dz dx dy

+

+

+

∫ ∫

 into spherical coordinates. 

Solution 
Let’s first write down the limits for the variables. 

 

2

2

2

2

2

0

3

0

9

18

y

x

y

x

y

z

x

y

≤ ≤

≤ ≤

+

≤ ≤

− −

 

(since this is the angle around the z-axis). 

 

0

2

π

θ

≤ ≤

 

 The lower bound, 

2

2

z

x

y

=

+

.  

 

 

 

 

2

2

18

z

x

y

=

− −

 

The upper bound, 

upper half of the sphere, 

2

2

2

18

x

y

z

+

+

=

 

and so from this we now have the following range for 

ρ

 

 

0

18

3 2

ρ

≤ ≤

=

 

 
Now all that we need is the range for 

ϕ

.  There are two ways to get this.  One is from where the 

cone and the sphere intersect.  Plugging in the equation for the cone into the sphere gives, 

(

)

2

2

2

2

2

2

2

18

18

9

3

x

y

z

z

z

z

z

+

+

=

+

=
=
=

 

 multiple Integral

28 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 we  know that 

3 2

ρ

=

 since we are intersecting on the sphere.  This gives, 

 

cos

3

3 2 cos

3

1

2

cos

2

4

2

ρ

ϕ
ϕ

π

ϕ

ϕ

=
=

=

=

=

 

 
The other way to get this range is from the cone by itself.  By first converting the equation into 
cylindrical coordinates and then into spherical coordinates we get the following, 

 

cos

sin

1

tan

4

z

r

ρ

ϕ ρ

ϕ

π

ϕ

ϕ

=
=

=

=

 

 

So, recalling that 

2

2

2

2

x

y

z

ρ

=

+

+

, the integral is then, 

 

2

2

2

2

2

3

9

4

2

3 2

2

2

2

4

0

0

0

0

0

18

sin

y

x

y

x

y

x

y

z dz dx dy

d d d

π

π

ρ

ϕ ρ θ ϕ

+

+

+

=

∫ ∫

∫ ∫ ∫

 

 
 

 
So, it looks like we have the following range, 

 

0

4

π

ϕ

≤ ≤

 

 multiple Integral

29 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

substitution rule that told us that, 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

where   

b

d

a

c

f g x

g x dx

f u du

u

g x

=

=

 

 

Change of Variables

 
First we need a little notation out of the way.  We call the equations that define the change of 
variables a transformation.  Also we will typically start out with a region, R, in xy-coordinates 
and transform it into a region in uv-coordinates. 

Example 1  

Determine the new region that we get by applying the given transformation to the 

region R

(a) R is the ellipse 

2

2

1

36

y

x

+

=

 and the transformation is 

2

u

x

=

3

y

v

=

.   

(b) R is the region bounded by 

4

y

x

= − +

1

y

x

= +

, and 

4

3

3

x

y

= −

 and the  

                  transformation is 

(

)

1

2

x

u

v

=

+

(

)

1

2

y

u

v

=

.   

 

Solution 

(a) R is the ellipse 

2

2

1

36

y

x

+

=

 and the transformation is 

2

u

x

=

3

y

v

=

. 

 
There really isn’t too much to do with this one other than to plug the transformation into the 
equation for the ellipse and see what we get. 

 

( )

2

2

2

2

2

2

3

1

2

36

9

1

4

36

4

v

u

u

v

u

v

  +

=

 

 

+

=

+ =

 

So, we started out with an ellipse and after the transformation we had a disk of radius 2. 

 

(b) R is the region bounded by 

4

y

x

= − +

1

y

x

= +

, and 

4

3

3

x

y

= −

 and the 

transformation is 

(

)

1

2

x

u

v

=

+

(

)

1

2

y

u

v

=

. 

 
Let’s do 

4

y

x

= − +

 first.  Plugging in the transformation gives

 

(

)

(

)

1

1

4

2

2

8

2

8

4

u v

u

v

u

v

u

v

u

u

− = −

+ +

− = − − +

=
=

 

 multiple Integral

30 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Now let’s take a look at 

1

y

x

= +

 

(

)

(

)

1

1

1

2

2

2

2

2

1

u

v

u

v

u

v

u

v

v

v

− =

+ +

− = + =

− =

= −

 

Finally, let’s transform 

4

3

3

x

y

= −

 

(

)

(

)

1

1 1

4

2

3 2

3

3

3

8

4

2

8

2

2

u

v

u

v

u

v

u

v

v

u

u

v

− =

+

− = + −

=

+

= +

 

Definition 

The Jacobian of the transformation 

( )

,

x

g u v

=

( )

,

y

h u v

=

 is 

 

( )

( )

,

,

x

x

x y

u

v

y

y

u v

u

v

=

 

 
The Jacobian is defined as a determinant of a 2x2 matrix, if you are unfamiliar with this that is 
okay.  Here is how to compute the determinant. 

 

a

b

ad

bc

c

d

=

 

 
Therefore, another formula for the determinant is, 

 

( )

( )

,

,

x

x

x y

x y

x y

u

v

y

y

u v

u v

v u

u

v

∂ ∂

∂ ∂

=

=

∂ ∂

∂ ∂

 

 multiple Integral

31 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Change of Variables for a Double Integral 

Suppose that we want to integrate 

( )

,

f x y

 over the region R.  Under the transformation 

( )

,

x

g u v

=

( )

,

y

h u v

=

 the region becomes S and the integral becomes, 

 

( )

( ) ( )

(

)

( )

( )

,

,

,

,

,

,

D

S

x y

f x y dA

f g u v h u v

du dv

u v

=

⌠⌠



⌡⌡

∫∫

 

 
If we look just at the differentials in the above formula we can also say that 

 

( )

( )

,

,

x y

dA

du dv

u v

=

 

 

Example 2  

Show that when changing to polar coordinates we have 

dA

r dr d

θ

=

 

 
Solution 

 
The transformation here is the standard conversion formulas, 

 

cos

sin

x

r

y

r

θ

θ

=

=

 

 
The Jacobian for this transformation is, 

 

( )

( )

(

)

(

)

2

2

2

2

,

,

cos

sin

sin

cos

cos

sin

cos

sin

x

x

x y

r
y

y

r

r

r

r

r

r

r

r

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

θ

=

=

=

− −

=

+

=

 

 
We then get, 

 

( )

( )

,

,

x y

dA

dr d

r dr d

r dr d

r

θ

θ

θ

θ

=

=

=

 

Example 3  

Evaluate 

R

x

y dA

+

∫∫

 where R is the trapezoidal region with vertices given by 

( )

0, 0

( )

5, 0

( )

5

5

2

2

,

 and 

(

)

5

5

2

2

,

 using the transformation 

2

3

x

u

v

=

+

 and 

2

3

y

u

v

=

 
Solution 
First, let’s sketch the re ion R and determine e uations for each of the sides. 

 multiple Integral

32 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Next we’ll transform 

5

y

x

= − +

 

(

)

2

3

2

3

5

4

5

5

4

u

v

u

v

u

u

− = −

+

+

=

=

 

  Finally, let’s transform 

5

y

x

= −

 

2

3

2

3

5

6

5

5

6

u

v

u

v

v

v

− =

+ −

− = −

=

 

The region S is then a rectangle whose sides are given by 

0

u

=

0

v

=

5
4

u

=

 and 

5
6

v

=

 and s

the ranges of u and v are, 

 

5

5

0

0

4

6

u

v

≤ ≤

≤ ≤

 

 
Next, we need the Jacobian. 

 

( )

( )

2

3

,

6 6

12

2

3

,

x y

u v

=

= − − = −

 

 
Let’s use the transformation and see what we get.  We’ll do this by plugging the transformation 
into each of the equations above. 
 
Let’s start the process off with 

y

x

=

 

2

3

2

3

6

0

0

u

v

u

v

v

v

− =

+

=
=

 

 
Transforming 

y

x

= −

 is similar. 

 

(

)

2

3

2

3

4

0

0

u

v

u

v

u

u

− = −

+

=
=

 

(

) (

)

5

5

6

4

0

0

5

5

6

4

0

0

5

5

6

2 4

0

0

5

6

0

2

3

2

3

12

48

24

75

2

R

x

y dA

u

v

u

v

du dv

u du dv

u

dv

dv

+

=

+

+

=

=

=

∫∫

 

 
The integral is then, 

5

6

0

75

2

125

4

v

=

=

 multiple Integral

33 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Example 4  

Evaluate 

2

2

R

x

xy

y dA

− +

∫∫

 where R is the ellipse given by 

2

2

2

x

xy

y

+

=

 and 

using the transformation 

2
3

2

x

u

v

=

2
3

2

y

u

v

=

+

Solution 
The first thing to do is to plug the transformation into the equation for the ellipse to see what the 
region transforms into. 

 

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

4

2

2

4

2

2

2

2

3

3

3

3

3

2

2

x

xy

y

u

v

u

v

u

v

u

v

u

uv

v

u

v

u

uv

v

u

v

=

+

 



 

=

+

+

+

 



 

 



 

 



 

=

+

+

+

+

=

+

 

 

 

( )

( )

2

2

,

2

2

4

3

,

3

3

3

2

2

3

x y

u v

=

=

+

=

 

 
The integral is then, 

 

(

)

2

2

2

2

4

2

3

R

S

x

xy

y dA

u

v

du dv

− +

=

+

⌠⌠



⌡⌡

∫∫

 

Do not make the mistake of substituting 

 

   

     

.  

2

2

2

x

x

+

=

 or 

2

2

1

u

v

+ =

 in for the integrands.  

the integral out will convert to polar coordinates. 

(

)

( )

2

2

2

2

2

1

2

0

0

2

1

4

0

0

2

0

4

2

3

8

3

8

1

4

3

8

1

4

3

4

3

R

S

x

xy

y dA

u

v

du dv

r

r dr d

r

d

d

π

π

π

θ

θ

θ

π

− +

=

+

=

=

=

=

⌠⌠



⌡⌡


∫∫

 

 multiple Integral

34 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 
Let’s now briefly look at triple integrals.  In this case we will again start with a region R and use 

the transformation 

(

)

, ,

x

g u v w

=

(

)

, ,

y

h u v w

=

, and 

(

)

, ,

z

k u v w

=

 to transform the region 

into the new region S.  To do the integral we will need a Jacobian, just as we did with double 
integrals.  Here is the definition of the Jacobian for this kind of transformation. 

 

(

)

(

)

, ,

, ,

x

x

x

u

v

w

x y z

y

y

y

u v w

u

v

w

z

z

z

u

v

w

=

 

 

 
The integral under this transformation is, 

 

(

)

(

) (

) (

)

(

)

(

)

(

)

, ,

, ,

, ,

,

, ,

,

, ,

, ,

R

S

x y z

f x y z dV

f g u v w h u v w k u v w

du dv dw

u v w

=

⌠⌠⌠



⌡⌡⌡

∫∫∫

 

 
As with double integrals we can look at just the differentials and note that we must have 

(

)

(

)

, ,

, ,

x y z

dV

du dv dw

u v w

=

 

 

Example 5  

Verify that 

2

sin

dV

d d d

ρ

ϕ ρ θ ϕ

=

 when using spherical coordinates. 

 
Solution 
Here the transformation is just the standard conversion formulas. 

 

sin

cos

sin sin

cos

x

y

z

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

=

=

=

 

 
The Jacobian is, 

(

)

(

)

sin cos

sin sin

cos cos

, ,

sin sin

sin cos

cos sin

, ,

cos

0

sin

z y z

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ ρ

ϕ

θ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

ρ θ ϕ

ϕ

ρ

ϕ

=

 

(

)

(

)

2

3

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

2

2

2

3

2

sin

cos

sin

cos

sin

0

sin

sin

0

sin

cos

cos

sin

cos

sin

sin cos

sin

cos

sin

sin

ρ

ϕ

θ ρ

ϕ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

ρ

ϕ

ϕ

θ

ρ

ϕ

θ

θ

ρ

ϕ

ϕ

θ

θ

ρ

ϕ ρ

= −

+

− −

= −

+

+

= −

(

)

2

2

2

2

2

cos

sin

sin

cos

sin

ϕ

ϕ

ρ

ϕ

ϕ

ϕ

ρ

ϕ

= −

+

= −

 

Finally, dV becomes, 

 

2

2

sin

sin

dV

d d d

d d d

ρ

ϕ ρ θ ϕ ρ

ϕ ρ θ ϕ

= −

=

 

 
Recall that we restricted 

ϕ

 to the range 

0

ϕ π

≤ ≤

 for spherical coordinates and so we know that 

sin

0

ϕ

 and so we don’t need the absolute value bars on the sine. 

 multiple Integral

35 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Here we want to find the surface area of the surface given by 

( )

,

z

f x y

=

 where 

( )

,

x y

 is a 

point from the region D in the xy-plane.  In this case the surface area is given by, 

 

[ ]

2

2

1

x

y

D

S

f

f

dA

 

=

+

+

 

⌠⌠

⌡⌡

 

Surface Area

 

Example 1  

Find the surface area of the part of the plane 

3

2

6

x

y

z

+

+ =

 that lies in the first 

octant. 

 

Solution 

( )

,

z

f x y

=

 

6 3

2

3

2

x

y

z

x

y

f

f

= − −

= −

= −

 

then

so

and

 
The limits defining D are, 

 

3

0

2

0

3

2

x

y

x

≤ ≤

≤ ≤ −

+

 

 
The surface area is then, 

 

[ ] [ ]

2

2

3

2

3

2

0

0

2

0

3

2

1

14

3

14

3

2

D

x

S

dA

dy dx

x

dx

+

=

+ −

+

=

=

+

∫∫

∫ ∫

 

2

2

0

3

14

3

4

3 14

x

x

=

+

=

 multiple Integral

36 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 2  

Determine the surface area of the part of 

z

xy

=

 that lies in the cylinder given by 

2

2

1

x

y

+

=

 

Here are the partial derivatives, 

 

x

y

f

y

f

x

=

=

 

Solution 

The integral for the surface area is, 

 

2

2

1

D

S

x

y

dA

=

+

+

∫∫

 

 
Given that D is a disk it makes sense to do this integral in polar coordinates. 

 

(

)

2

2

2

1

2

0

0

2

1

3

2

2

0

0

2

3

2

0

1

1

1 2

1

2 3

1

2

1

3

D

S

x

y

dA

r

r dr d

r

d

d

π

π

π

θ

θ

θ

=

+

+

=

+

 

=

+

 

 

=


∫∫
∫ ∫

 

3

2

2

2

1

3

π

=

 multiple Integral

37 of 39

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
We’ll first look at the area of a region.  The area of the region D is given by, 
 

Area of 

D

D

dA

=

∫∫

 

 
Now let’s give the two volume formulas.  First the volume of the region E is given by, 
 

Volume of 

E

E

dV

=

∫∫∫

 

Area and Volume Revisited

 

Finally, if the region E can be defined as the region under the function 

( )

,

z

f x y

=

 and above 

the region D in xy-plane then, 
 

( )

Volume of 

,

D

E

f x y dA

=

∫∫

 

 

Note as well that there are similar formulas for the other planes.  For instance, the volume of the 

region behind the function 

( )

,

y

f x z

=

 and in front of the region D in the xz-plane is given by, 

 

( )

Volume of 

,

D

E

f x z dA

=

∫∫

 

 

Likewise, the the volume of the region behind the function 

( )

,

x

f y z

=

 and in front of the 

region D in the yz-plane is given by, 
 

( )

Volume of 

,

D

E

f y z dA

=

∫∫

 

 

 multiple Integral

38 of 39

<<2013-2014>>


background image

 multiple Integral

39 of 39

<<2013-2014>>

(4)  Use  iterated  integration  to  compute  the  double  integral  of  the  rectangular  region 

over  the  rectangle 

 

(5)  Use  iterated  integration  to  compute  the  double  integral  of  the  rectangular  region 

over  the  rectangle 

 

(6)  

Use  iterated  integration  to  compute  the  double  integral  of  the  rectangular  region 

over  the  rectangle 

 

(7)  Use  iterated  integration  to  compute  the  double  integral  of  the  rectangular  region 

over  the  rectangle 

 

(8) Find  the volume  of the solid bounded  below  by the  rectangle 

in the 

-plane and above 

the graph of 

 

(9) Find  the volume  of the solid bounded  below  by the  rectangle 

in the 

-plane and above 

the graph of 

 


background image

<<2012-2013>>

 multiple Integral

39a   of   39

<<2012-2013>>

 Evaluate the iterated integral 

 

 Evaluate the iterated integral 

 

 Evaluate the iterated integral 

 

7

8

9




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