عرض مصدر تكامل متعدد

{{تفاضل وتكامل}}
[[ملف:Areabetweentwographs.svg|تصغير|يسار|التكامل كمساحة بين منحنيين.]]
[[ملف:Volume under surface.png|يسار|تصغير|التكامل الثنائي كحجم تحت سطح <math>z=x^2-y^2</math>. منطقة المستطيل الواقع أسفل الجسم هو مجال التكامل بينما السطح هو بياني الدالة ذات متغيرين التي يتم تكاملها.]]

'''التكامل المتعدد''' هو أحد أنواع التكامل المحدد الموسع ليشمل الدوال المعرفة في أكثر من متغير مثل <math>f(x,y)\,</math> أو<math>f(x,y,z)\,</math>. تسمى تكاملات دالة لمتغيرين على منطقة في R<sup>2</sup> '''تكاملات ثنائية'''،<ref name="Dict">{{استشهاد بكتاب|عنوان=Dictionaire des termes scientifiques (Anglais/Français/Arabe): قاموس المصطلحات العلمية - انكليزي/فرنسي/عربي|مسار= https://books.google.dz/books?id=mE9uDwAAQBAJ&pg=PA1&dq=Termes+scientifiques&hl=fr&sa=X&ved=0ahUKEwj1l4CcoIvnAhUJ1BoKHUilD9wQ6AEIJzAA#v=onepage&q=%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%85%D9%84%20%D8%AB%D9%86%D8%A7%D8%A6%D9%8A&f=false|ناشر=Dar Al Kotob Al Ilmiyah دار الكتب العلمية|تاريخ=2007-01-01|ISBN=978-2-7451-5445-3|لغة=ar|مؤلف1=ميشال إبراهيم ورامي أبو سليمان وفادي|مسار أرشيف= https://web.archive.org/web/20200220221721/https://books.google.dz/books?id=mE9uDwAAQBAJ&pg=PA1&dq=Termes+scientifiques&hl=fr&sa=X&ved=0ahUKEwj1l4CcoIvnAhUJ1BoKHUilD9wQ6AEIJzAA#v=onepage&q=%D8%AA%D9%83%D8%A7%D9%85%D9%84%20%D8%AB%D9%86%D8%A7%D8%A6%D9%8A&f=false|تاريخ أرشيف=2020-02-20}}</ref> وتسمى تكاملات دالة ذات ثلاثة متغيرات على منطقة R<sup>3</sup> '''تكاملات ثلاثية'''.<ref name="Dict"/>

== مقدمة ==

كما هو الحال في التكامل المحدد لدالة موجبة في متغير واحد الذي يمثل [[مساحة]] المنطقة الواقعة بين منحنى الدالة والمحور السيني، كذلك فإن التكامل الثنائي لدالة موجبة في متغيرين يمثل [[حجم]] المنطقة الفاصلة بين السطح المعرف بالدالة (في [[نظام إحداثي ديكارتي|النظام الديكارتي]] ثلاثي الأبعاد حيث <math>f=(x,y)\,</math> والمستوى المحتوي [[المجال|لمجاله]]. (لاحظ أن نفس الحجم يمكن التوصل إليه باستخدام التكامل الثلاثي - تكامل دالة في ثلاث متغيرات- للدالة الثابتة ''<math>f(x,y,z)=1\,</math>'' فوق المنطقة المذكورة سابقا بين السطح والمستوى). إذا كان هناك عدد أكبر من المتغيرات فان التكامل المتعدد سيؤدي إلى احجام ضخمة من الدوال المتعددة الأبعاد.

التكامل المتعدد لدالة <math>f</math> المعرفة في <math>n</math> متغير: <math>f(x_1,x_2,\ldots,x_n)\,</math> على مجال <math>D</math> يتم في الغالب تمثيله بتداخل عدة إشارات تكامل بالترتيب متعاكس في الحساب (الإشارة إلى أقصى اليسار تحسب آخراً التي تسبقها لليمين تحسب قبلها وهكذا) يتم إجراءها على الدالة وتعريفات المكاملات بترتيب مناسب (التعريف في أقصى اليمين يحسب آخراً وهكذا). مجال هذا التكامل يتم تمثيله إما رمزيا لكل مكامل على إشارة تكامل، أو غالبا يتم اختصاره بمتغير في أقصى يمين الإشارة التكاملية:<ref>{{استشهاد بكتاب|الأخير1=Larson |الأخير2=Edwards |تاريخ=2014 |عنوان=Multivariable Calculus |إصدار=10th |ناشر=Cengage Learning |isbn= 978-1-285-08575-3}}</ref>

:<math> \int \cdots \int_\mathbf{D}\, f(x_1,x_2,\ldots,x_n) \,dx_1 \!\cdots dx_n </math>

وبما أنه من المستحيل حساب [[مشتق عكسي|المشتق العكسي]] لدالة في أكثر من متغير، فإن التكامل المتعدد الغير محدد لا وجود له. لذلك فإن كل التكاملات المتعددة هي تكاملات محددة.

== التعريف الرياضي ==
افترض ان <math>n</math> [[عدد صحيح]] أكبر من 1. افترض مستطيلا نصف مفتوح في <math>n</math> بعداً (من الآن فصاعداً سنسميه ببساطة مستطيلا). بالنسبة لل[[مستو (رياضيات)|مستوى]]: <math>n=2</math>, والتكامل المتعدد هو مجرد تكامل ثنائي.
<math>T=(a_1,b_1)\times (a_2,b_2)\times\cdots \times (a_n,b_n)\subset \mathbb R^n</math>

قم بتقسيم كل فترة <math>(a_i;b_i)</math> إلى عدد من الفترات الجزئية غير المتداخلة بحيث تكون كل منها مغلقة عند النهاية اليسرى ومفتوحة عند النهاية اليمنى. بالكتابة، يرمز لكل فترة جزيئة بالرمز<math>l_i</math> .عائلة المستطيلات الجرئية الناتجة ذات الصيغة:
<math>C=I_1 \times I_2 \times \cdots \times I_n</math>

هي جزئية من <math>T</math> بمعنى أن المستطيلات الجزئية <math>C</math> هي مستطيلات غير متداخلة واتحادها يعطينا <math>T</math>.
بعد أي من المستطيلات الجزئية <math>C</math> هو-من التعريف- الطول الأكبر من الفترات التي حعلتنا نتحصل على <math>C</math>، وكذلك فإن بعد أي مجموعة معطاة جزئية من <math>T</math> معرف كأكبر بعد من أبعاد المستطيلات الجزئية في تلك المجموعة الجزئية.

افترض أن <math>f : T \rightarrow R</math> هي دالة معرفة على المستطيل <math>T</math>. اعتبر التجزيئ التالي

<math> T=C_1\cup C_2 \cup \cdots \cup C_m</math>

من <math>T</math> المعرفة آنفاً. حيث <math>m</math> هي عدد صحيح موجب. '''مجموع ريمان''' هنا هو المجموع بالصورة:

<math> \sum_{k=1}^m f(P_k) m(C_k)</math>

حيث، لكل <math>k</math> فان النقطة <math>P_k</math> تقع في النفطة <math>m(C_k ;C_k)</math> هو ناتج الأطوال من الفترات التي [[جداء ديكارتي|جداءها الديكارتي]] هو <math>C_k</math>

في هذه الحالة تسمى دالة <math>f</math> '''متكاملة ريمان''' إذا كانت [[نهاية (رياضيات)|النهاية]]

<math>S=\lim_{\delta \to 0} \sum_{k=1}^m f(P_k) m(C_k)</math>

معرفة أو موجودة. حيث ان النهاية تحسب لكل جزئيات <math>T</math> ذات البعد <math>\delta</math>.<ref>{{استشهاد بكتاب |الأخير=Rudin |الأول=Walter |مؤلف-وصلة=Walter Rudin |عنوان=Principles of Mathematical Analysis |مسار=https://archive.org/details/principlesofmath00rudi |url-access=registration |سلسلة=Walter Rudin Student Series in Advanced Mathematics |إصدار=3rd |ناشر=McGraw–Hill |isbn=978-0-07-054235-8| مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20190325163125/https://archive.org/details/principlesofmath00rudi | تاريخ أرشيف = 25 مارس 2019 }}</ref> إذا امكن تكامل<math>f</math> بريمان فان <math>S</math> تسمى '''تكامل ريمان''' ل <math>f</math> على <math>T</math> ويكتب:

<math> \int_T \!f(x)\,dx. </math>

[[تكامل ريمان]] لدالة معرفة حول مجموعة ذات <math>n</math> بعدا يمكن تعريفها بتوسيع تلك الدالة إلى دالة معرفة على مستطيل نصف مفتوح قيمه تساوي الصفر خارج مجال الدالة الأصلية. إذن فان تكامل الدالة الأصلية على المجال الأصلي هي تكامل الدالة الموسعة على مجالها المستطيل، إذا وُجد.

ما يلي تكامل ريمان في <math>n</math> بعداً سوف يسمى '''تكاملا متعددا'''

=== الخصائص ===
التكامل المتعدد له العديد من الخصائص المشابة لخصائص تكامل الدوال في متغير واحد (الخطية، التبديلية، الرتابة، الخ). بالإضافة لذلك، وكما في المتغير الواحد، يمكن استخدام التكامل المتعدد لايجاد متوسط الدالة على مجموعة معطاة. أي انه لأي مجموعة معطاة <sup>''<math>D \subseteq R^n</math>''</sup> ودالة قابلة للتكامل <math>f</math> على <math>D</math>، القيمة المتوسطة لـ <math>f</math> على مجالها يعطى بـ:
<math>\bar{f} = \frac{1}{m(D)} \int_D f(x)\, dx,</math>

حيث ''<math>m(D)</math>'' هو [[قياس (رياضيات)|مقياس]] <math>D</math>

=== حالات خاصة ===
في حالة ''<sup><math>T \subseteq R^2</math></sup>''، فإن تكامل:
<math>\ell = \iint_T f(x,y)\, dx\, dy </math>

هو تكامل ثنائي ل <math>f</math> على <math>T</math>. وإذا كانت ''<sup><math>T \subseteq R^3</math></sup>'' فان تكامل:
:<math>\ell = \iiint_T f(x,y,z)\, dx\, dy\, dz</math>
يكون تكامل ثلاثي ل <math>f</math> على <math>T</math>.
لاحظ انه بالتحويل يكون هناك إشارتي تكامل للتكامل الثنائي وثلاث إشارات للتكامل الثلاثي، وهذا يعتبر مجرد تسهيل كتابي يكون عملي عندما نحسب التكامل المتعدد كتكامل متتابع iterated integral (كما سنبين لاحقاً في هذا المقال)

== طرق للتكامل ==
[[حل المشكلات]] باستخدام التكامل المتعدد غالباً ما يتم عن طريق إيجاد طريقة لاختزال التكامل المتعدد ليصبح في هيئة سلسلة من التكاملات في متغير واحد تحل كل منها بصورة مباشرة.

فيما يلي بعض طرق التكامل البسيطة:<ref name="Stewart">{{استشهاد بكتاب |مؤلف-وصلة=James Stewart (mathematician) |الأخير=Stewart |الأول=James |تاريخ=2008 |عنوان=Calculus: Early Transcendentals |إصدار=6th |ناشر=Brooks Cole Cengage Learning |isbn=978-0-495-01166-8 |url-access=registration |مسار=https://archive.org/details/calculusearlytra00stew_1 | مسار أرشيف = https://web.archive.org/web/20191215230106/https://archive.org/details/calculusearlytra00stew_1 | تاريخ أرشيف = 15 ديسمبر 2019 }}</ref>

=== الحل المباشر ===
أحياناً يمكن الحصول على نتيجة التكامل بدون حاجة للتعديل

==== الدوال الثابتة ====
في حالة [[دالة ثابتة|الدالة الثابتة]] فإن النتيجة مباشرة، ببساطة نقوم بضرب المقياس بالدالة الثابتة <math>c</math> . إذا كانت <math>c=1</math> وكانت متداخلة مع منطقة جزئية من '''R'''<sup>2</sup> فإن الناتج هو مساحة المنطقة، في حين يكون الناتج هو حجم المنطقة في حالة '''R'''<sup>3</sup>
* مثلاً:
::<math>D = \{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 \ : \ 2 \le x \le 4 \ ; \ 3 \le y \le 6 \}</math> and <math>f(x,y) = 2\,\!</math>

لنكامل <math>f</math>على ''D'' بالنسبة ل ''x'' أولا:
::<math>\int_3^6 \int_2^4 \ 2 \ dx\, dy = \mbox{area}(D) \cdot 2 = (2 \cdot 3) \cdot 2 = 12.</math>

==== الحل باستخدام التماثل ====
إذا وُجد في المجال تماثلٌ حول واحد من المحاور على الأقل، وكانت الدالة لها زوجية parity واحدة على الأقل بالنسبة لمتغير معين. في هذه الحالة تكون قيمة التكامل صفرا (مجموع القيم المتساوية والمتضادة صفر).
 
من الكافي –في الدوال على '''R'''<sup>''n''</sup> – ان يكون المتغير التابع فردي مع محور التماثل.

* مثال (1):
: خذ ''f''(''x'',&nbsp;''y'') = 2&nbsp;sin&nbsp; ''x''&nbsp;−&nbsp;3''y''<sup>3</sup>&nbsp;+&nbsp;5
و''T'' = ''x''<sup>2</sup>&nbsp;+&nbsp;''y''<sup>2</sup>&nbsp;≤&nbsp;1 مساحة التكامل (قرص ذو [[نصف القطر|نصف قطر]]&nbsp;1 يتركز عند نقطة أصل المحور شاملاً [[محيط|المحيط]]).

مستخدما خاصية الخطية يمكن تفكيك التكامل إلى ثلاثة أجزاء:

::<math>\iint_T (2\sin x - 3y^3 + 5) \, dx \, dy = \iint_T 2 \sin x \, dx \, dy - \iint_T 3y^3 \, dx \, dy + \iint_T 5 \, dx \, dy</math>

:2 &nbsp;sin&nbsp; ''x' و 3''y''<sup>3</sup> كلاهما [[دوال زوجية وفردية|دالتين فرديتين]] ومن الواضح كذلك ان قرص ''T'' متماثل حول محور ''x'' وكذلك محور ''y''؛ لذلك فان القيمة الوحيدة التي سنحصل عليها في الإجابة النهائية لتكامل الدوال الثلاث هي حل الدالة الثابتة 5 لأن الدالتين الأخرتين تساوي صفرا.

* مثال (2):
خد الدالة (''f''(''x'',&nbsp;''y'',&nbsp;''z'') = ''x''&nbsp;exp(''y''<sup>2</sup>&nbsp;+&nbsp;''z''<sup>2</sup>
ومنطقة التكامل هي كرة ذات نصف قطر 2 متركزة في نقطة أصل المحور ''T'' = ''x''<sup>2</sup>&nbsp;+&nbsp;''y''<sup>2</sup>&nbsp;+&nbsp;''z''<sup>2</sup>&nbsp;≤&nbsp;4.
الكرة متماثلة حول جميع المحاور الثلاثة، لكن يكفي ان نكاملها باعتبار محور ''x'' فقط لنجد أن التكامل يساوي صفرا؛ ذلك لأن الدالة فردية بالنسبة لذلك المتغير ''x''.

=== صيغ الاختزال ===
صيغ الاختزال تعتمد على مبدأ المجال البسيط للتمكين من تفكيك التكامل المتعدد إلى عدة تكاملات في متغير واحد (وهي نفس عملية حسبان [[مشتق جزئي|الاشتقاق الجزئي]]).

==== المجالات البسيطة على R<sup>2</sup> ====
===== محور x =====
إذا كان ''D'' مجال مقيس عمودي على محور ''x'' و<math> f: D \longrightarrow \mathbb{R} </math>هي [[دالة مستمرة]]؛ فإن (α(''x'' و (β(''x'' (بالتعريف في الفترة [''a'',&nbsp;''b'']) هما دالتين اللتين تحددان ''D''. إذن:
:<math>\iint_T f(x,y)\ dx\, dy = \int_a^b dx \int_{ \alpha (x)}^{ \beta (x)} f(x,y)\, dy.</math>

===== محور y =====
إذا كان ''D'' مجال مقيس عمودي على محور ''y'' و<math> f: D \longrightarrow \mathbb{R} </math>هي دالة مستمرة؛ فإن (α(''y'' و (β(''y'' (بالتعريف في الفترة [''a'',&nbsp;''b'']) هما دالتين اللتين تحددان ''D''. إذن:
:<math>\iint_T f(x,y)\ dx\, dy = \int_a^b dy \int_{ \alpha (y)}^{ \beta (y)} f(x,y)\, dx.</math>

===== مثال =====
[[ملف:Esempio-formulediriduzione-r2.svg|تصغير|160px|يسار|مثال: D هي منطقة التكامل بصيغ الاختزال]]
اعتبر أن المنطقة <math>D = \{ (x,y) \ : \ x \ge 0, y \le 1, y \ge x^2 \}</math>(انظر الشكل المقابل). احسب:
<math>\iint_D (x+y) \, dx \, dy.</math>
: هذا المجال عمودي على كلا المحورين ''x''و ''y''. لتطبيق صيغ الاختزال عليك ان تجد الدوال التي تحدد المجال وفترة تعريفه.
: في هذه الحالدة الدالتين هما:
::<math>\alpha (x) = x^2\text{ and }\beta (x) = 1\,\!</math>
: بينما الفترة معطاة من تقاطع الدوال مع ''x''&nbsp;=&nbsp;0، عليه فان الفترة هي [''a'',&nbsp;''b''] = [0,&nbsp;1](جعلنا الوضع الأساسي باعتبار محور ''x'' لسهولة فهمها من الشكل المقابل). من الممكن الآن تطبيق الصيغة:
::<math>\iint_D (x+y) \, dx \, dy = \int_0^1 dx \int_{x^2}^1 (x+y) \, dy = \int_0^1 dx \ \left[xy \ + \ \frac{y^2}{2} \ \right]^1_{x^2}</math>

:(في البداية التكامل الثاني تم حسابه باعتبار ان ''x'' ثابت). كل ما يتبقى هو تطبيق عمليات تكاملية بسيطة::<math>\int_0^1 \left[xy \ + \ \frac{y^2}{2} \ \right]^1_{x^2} \, dx = \int_0^1 \left(x + \frac{1}{2} - x^3 - \frac{x^4}{2} \right) dx = \cdots = \frac{13}{20}.</math>

: إذا أردنا جعل الوضع الأساسي باعتبار لمحور ''y''نقوم بالآتي:
::<math>\int_0^1 dy \int_0^{\sqrt{y}} (x+y) \, dx.</math>

: وسنحصل على نفس النتيجة

[[ملف:Dominio-normalità r3 esempio.svg|تصغير|160px|يسار|مثال لمجال بسيط في R3 (مستوى-''xy'']]

==== المجالات البسيطة على R<sup>3</sup> ====
امتداد هذه الصيغ إلى التكاملات الثلاثية مشابه نوعاً ما:
''T'' هو مجال عمودي على المستوى ''xy'' باعتبار الدوال (α (''x'',''y'' و (β(''x'',''y''، إذن:

:<math>\iiint_T f(x,y,z) \ dx\, dy\, dz = \iint_D dx\, dy \int_{\alpha (x,y)}^{\beta (x,y)} f(x,y,z) \, dz</math>

=== تغيير المتغيرات ===
حدود التكامل غير سهلة التغيير عادة، (بدون normality أو مع صيغ معقدة للمكاملة)، نقوم بـ«تغيير المتغيرات» لنعيد صياغة التكامل في منطقة أسهل في التعامل، والتي يمكن وصفها بصيغ مماثلة. لعمل ذلك يجب جعل الدالة تتماشى مع الإحداثيات الجديدة.

:'''مثال (1-أ)'''
:: الدالة هي <math>f(x, y) = (x-1)^2 +\sqrt y</math>;
:: إذا تبنينا هذا البديل <math>x' = x-1, \ y'= y \, \!</math> لذلك <math>x = x' + 1, \ y=y' \,\!</math>
:: نحصل على الدالة الجديدة <math>f_2(x,y) = (x')^2 +\sqrt y</math>.
* وبصورة مشابة للمجال لأنه لم يعد محدودا بالمتغيرات الاصلية التي تم تحويلها (''x'' ,''y'' في المثال).
* التفاضلات (d(''x''و (d(''y'' يتم تحويلها عبر محددة [[مصفوفة ياكوبية|المصفوفة الجاكوبية]]
المحتوية على الاشتقاقات الجزئية من التحويل والمتعلقة بالمتغير الجديد (على سبيل المثال التحويل التفاضلي في الإحداثيات القطبية).

توجد ثلاثة أنواع من تغيير المتغيرات (واحد في '''R'''<sup>2</sup> واثنان في '''R'''<sup>3</sup>)؛ لكن البديل المناسب يمكن إيجاده باستخدام نفس المبدأ بصورة أكثر عمومية.

==== الإحداثيات القطبية ====
[[ملف:Passaggio in coordinate polari.svg|تصغير|270px|يسار|التحويل من إحداثيات ديكارتية إلى إحداثيات قطبية]]
في '''R'''<sup>2</sup> إذا كان المجال له تماثل دائري وتوفرت في الدالة مواصفات «معينة» يمكننا حينها التحويل إلى احداثيات قطبية (انظر للمثال المقابل) مما يعني أن النقاط المبدئية (''P(x,y'' في [[نظام إحداثي ديكارتي|النظام الديكارتي]] تتحول إلى النقاط التي تمثلها في [[نظام إحداثي قطبي|النظام القطبي]] مما يسمح بتغيير صورة المجال وتبسيط العملية.

: العلاقة الأساسية لعمل التحويل هي التالية:
::<math>f(x,y) \rightarrow f(\rho \ \cos \phi,\rho \ \sin \phi).</math>

:'''مثال (2-أ):'''
: الدالة هي <math>f(x,y) = x + y\,\!</math>
: وبتطبيق التحويل نحصل على:
::<math>f(\rho, \phi) = \rho \cos \phi + \rho \sin \phi = \rho \ (\cos \phi + \sin \phi).</math>

:'''مثال (2-ب):'''
: الدالة هي <math>f(x,y) = x^2 + y^2\,\!</math>
: في هذه الحالة لدينا:
::<math>f(\rho, \phi) = \rho^2 (\cos^2 \phi + \sin^2 \phi) = \rho^2\,\!</math>

: باستخدام [[مبرهنة فيثاغورس|مبرهنة فيثاغورث]] يتم تحويل المجال بايجاد طول نصف القطر ومدى الزاوية المركزية لتعريف فترات ρو φ ابتداءً من ''x'' و''y''

[[ملف:Esempio trasformazione dominio da cartesiano polare.svg|تصغير|230px|يسار|مثال لتحويل مجال من ديكارتي إلى قطبي.]]

:'''مثال (2-ج):'''
: المجال هو <math>D = x^2 + y^2 \le 4\,\!</math> وهو محيط ذو نصف قطر 2؛ من الواضح أن الزاوية المغطاة هي زاوية دائرة، إذن φ تتراوح بين 0 و 2π, بينما يتراوح نصف القطر من 0 إلى 2

:'''مثال (2-د):'''
: المجال هو <math>D = \{ x^2 + y^2 \le 9, \ x^2 + y^2 \ge 4, \ y \ge 0 \}</math> وهو القوس الدائري الواقع في الجزء الموجب من محور ''y'' (أنظر الشكل)، لاحظ ان φ تصف زاوية مستوى، بينما ρ تتراوح بين 2 و3. لذلك التحويل الناتج يكون المستطيل التالي:

::<math>T = \{ 2 \le \rho \le 3, \ 0 \le \phi \le \pi \}. \, </math>

المحددة الجاكوبية لهذا التحويل هي:
:<math>\frac{\partial (x,y)}{\partial (\rho, \phi)} =
\begin{vmatrix}
\cos \phi & - \rho \sin \phi \\
\sin \phi & \rho \cos \phi
\end{vmatrix} = \rho
</math>

والتي تم التحصل عليها بادخال المشتقات الجزئية ل (''x'' == ρ cos(φ و (''y'' == ρ sin(φ في العمود الأول باعتبار ρ، وفي العمود الثاني باعتبار φ، لذا فإن التفاضلات ''dx&nbsp;dy'' في هذا التحويل تصبح ρ ''d''ρ ''d''φ.

ما ان تحول الدالة وتقيم المجال يصبح من الممكن أن تعرف الصيغة لتغيير المتغيرات في الإحداثيات القطبية:<math>\iint_D f(x,y) \ dx\, dy = \iint_T f(\rho \cos \phi, \rho \sin \phi) \rho \, d \rho\, d \phi.</math>

لاحظ أن φ صالحة في الفترة [0, 2π] بينما ρ والتي تمثل مقياس الطول لابد أن تكون موجبة القيمة.

:'''مثال (2-هـ):'''
الدالة هي ''ƒ''(''x'',&nbsp;''y'') = ''x'' والمجال هو نفس مجال المثال (2-د).
: من التحليل السابق ل ''D'' نعلم فترة ρ (بين 2 و 3) وفترة φ (بين 0 و 2π).إذن لنقم بتغيير الدالة:

::<math>f(x,y) = x \longrightarrow f(\rho,\phi) = \rho \ \cos \phi.\,</math>

: أخيراً، لنطبق صيغ التكامل:

::<math>\iint_D x \, dx\, dy = \iint_T \rho \cos \phi \ \rho \, d\rho\, d\phi.</math>

: بتعريف الفترة يصبح لدينا:

::<math>\int_0^\pi \int_2^3 \rho^2 \cos \phi \ d \rho \ d \phi = \int_0^\pi \cos \phi \ d \phi \left[ \frac{\rho^3}{3} \right]_2^3 = \left[ \sin \phi \right]_0^\pi \ \left(9 - \frac{8}{3} \right) = 0.</math>

==== الإحداثيات الأسطوانية ====
[[ملف:Cylindrical Coordinates.svg|تصغير|يسار|190px|الإحداثيات الأسطوانية.]]
في '''R'''<sup>3</sup> التكامل على مجالات ذات قواعد دائرية يمكن ان يتم عن طريق التمرير في [[نظام إحداثي أسطواني|الإحداثيات الأسطوانية]]؛ تحويل الدالة يتم من خلال العلاقة التالية:
<div style="text-align: center;"><math>f(x,y,z) \rightarrow f(\rho \ \cos \phi,\rho \ \sin \phi, z)</math> </div>

يمكن تحويل المجال بيانياً لأن الاختلاف الوحيد يكون في شكل القاعدة، بينما الارتفاع يتبع شكل منطقة البداية.

'''مثال (3-أ):'''
: المنطقة هي <math>D = \{ x^2 + y^2 \le 9, \ x^2 + y^2 \ge 4, \ 0 \le z \le 5 \}</math> (وهي الأنبوب الذي قاعدته هي الدائرة في مثال (2-د) والتي ارتفاعها 5)؛ إذا طُبق التحويل نتحصل على المنطقة: <math>T = \{ 2 \le \rho \le 3, \ 0 \le \phi \le \pi, \ 0 \le z \le 5 \}</math> (وهو متوازي المستطيلات الذي قاعدته المستطيل في مثال (2-د) ذو الارتفاع 5).

ولأن العنصر ''z'' لا يتغير خلال التحويل فإن المشتقات ''dx dy dz'' تتفاوت كما في التمرير في الإحداثيات القطبية؛ لذلك يصبحون ''ρ dρ dφ dz''.

أخيراً من الممكن تطبيق الصيغة النهائية للإحداثيات الأسطوانية:

:<math>\iiint_D f(x,y,z) \, dx\, dy\, dz = \iiint_T f(\rho \cos \phi, \rho \sin \phi, z) \rho \, d\rho\, d\phi\, dz.</math>

هذه الطريقة سهلة ومناسبة للمجالات الأسطوانية والمخروطية أو في المناطق التي يسهل فيها افراد فترة ''z''، وحتى تحوبل القاعدة الدائرية والدالة.

'''مثال (3-ب):'''
: الدالة هي <math>f(x,y,z) = x^2 + y^2 + z\,\!</math>، ومجال التكامل هو هذه [[أسطوانة (هندسة)|الأسطوانة]]: <math>D = \{ x^2 + y^2 \le 9, \ -5 \le z \le 5 \}</math>

: تحويل ''D'' في إحداثيات أسطوانية هو الآتي:

::<math>T = \{ 0 \le \rho \le 3, \ 0 \le \phi \le 2 \pi, \ -5 \le z \le 5 \}.</math>

: بينما تصبح الدالة::<math>f(\rho \ \cos \phi,\rho \ \sin \phi, z) = \rho^2 + z\,\!</math>

: أخيراً، نطبق صيغة التكامل::<math>\iiint_D (x^2 + y^2 +z) \, dx\, dy\, dz = \iiint_T (\rho^2 + z) \rho \, d\rho\, d\phi\, dz;</math>

: بتعديل الصيغة نحصل على::<math>\int_{-5}^5 dz \int_0^{2 \pi} d\phi \int_0^3 (\rho^3 + \rho z)\, d\rho = 2 \pi \int_{-5}^5 \left[ \frac{\rho^4}{4} + \frac{\rho^2 z}{2} \right]_0^3 \, dz</math>

::<math>= 2 \pi \int_{-5}^5 \left(\frac{81}{4} + \frac{9}{2} z\right)\, dz = \cdots = 405 \pi.</math>

==== الإحداثيات الكروية ====
[[ملف:Spherical Coordinates (Colatitude, Longitude).svg|تصغير|يسار|190px|الإحداثيات الكروية.]]
بعض المجالات في '''R'''<sup>3</sup> لها تماثل دائري، لذلك فمن الممكن تحديد احداثيات كل نقاط منطقة التكامل بزاويتين ومسافة واحدة لذلك نستخدم ''التمرير في [[نظام إحداثي كروي|إحداثيات كروية]] ''، ويتم تحويل الدالة بالعلاقة:

<div style="text-align: center;"> <math>f(x,y,z) \longrightarrow f(\rho \cos \theta \sin \phi, \rho \sin \theta \sin \phi, \rho \cos \phi)\,\!</math> </div>

لاحظ أن النقاط الموجودة على محور ''x'' لا تمتلك مواصفات دقيقة في الإحداثيات الكروية، لذلك فقد تتراوح ''<math>\phi</math>'' بين 0 وπ.

من الواضح ان أفضل مجال تكاملي لهذا التمرير هو الكرة.

'''مثال (4-أ):'''
خذ المجال <math>D = x^2 + y^2 + z^2 \le 16</math> (دائرة نصف قطرها 4 ومركزها نقطة الأصل)؛ بتطبيق التحويل نحصل على المنطقة: <math>T = \{ 0 \le \rho \le 4, \ 0 \le \phi \le \pi, \ 0 \le \theta \le 2 \pi \}.</math>

محددة الجاكوبي لهذا التحويل هي التالية:

::<math>\frac{\partial (x,y,z)}{\partial (\rho, \theta, \phi)} =
\begin{vmatrix}
\cos \theta \sin \phi & - \rho \sin \theta \sin \phi & \rho \cos \theta \cos \phi \\
\sin \theta \sin \phi & \rho \cos \theta \sin \phi & \rho \sin \theta \cos \phi \\
\cos \phi & 0 & - \rho \sin \phi
\end{vmatrix} = \rho^2 \sin \phi
</math>

: المشتقات ''dx dy dz'' تتحول إلى ρ<sup>2</sup> sin(φ) ''d''ρ ''d''θ ''d''φ.

: أخيراً، نتحصل على صيغة التكامل النهائية:

::<math>\iiint_D f(x,y,z) \, dx\, dy\, dz = \iiint_T f(\rho \sin \phi \cos \theta, \rho \sin \phi \sin \theta, \rho \cos \phi) \rho^2 \sin \phi \, d\rho\, d\theta\, d\phi.</math>

: يُفضل استعمال هذه الطريقة في حالة المجالات الدائرية '''و كذلك''' في حالة الدوال التي يمكن تبسيطها بسهولة -باستخدام العلاقة المثلثية الأساسية الأولى - موسع في '''R'''<sup>3</sup> (الرجاء انظر مثال (4-ب))؛ يفضل في بعض الحالات الأخرى استخدام الإحداثيات الإسطوانية (انظر مثال 4-جـ).

'''مثال (4-ب):'''
:''D'' هي نفس المنطقة في مثال (4-أ) و<math>f(x,y,z) = x^2 + y^2 + z^2\,\!</math> هي الدالة التي نرغب في مكاملتها.

: تحويلها سهل جدا:

::<math>f(\rho \sin \phi \cos \theta, \rho \sin \phi \sin \theta, \rho \cos \phi) = \rho^2,\,</math>

: بينمانعرف فترة المنطقة ''T'' الناتجة عن تحويل ''D'':

::<math>(0 \le \rho \le 4, \ 0 \le \phi \le  \pi, \ 0 \le \theta \le 2 \pi).\,</math>

: نبدأ إذن بتطبيق صيغة التكامل:

::<math>\iiint_D (x^2 + y^2 +z^2) \, dx\, dy\, dz = \iiint_T \rho^2 \ \rho^2 \sin \theta \, d\rho\, d\theta\, d\phi,</math>

: وبالتبسيط نحصل على:

::<math>\iiint_T \rho^4 \sin \theta \, d\rho\, d\theta\, d\phi = \int_0^{\pi} \sin \phi \,d\phi \int_0^4 \rho^4 d \rho \int_0^{2 \pi} d\theta = 2 \pi \int_0^{\pi} \sin \phi \left[ \frac{\rho^5}{5} \right]_0^4 \, d \phi</math>

::<math>= 2 \pi \left[ \frac{\rho^5}{5} \right]_0^4 \left[- \cos \phi \right]_0^{\pi} = 4 \pi \cdot \frac{1024}{5} = \frac{4096 \pi}{5}.</math>

'''مثال (4-جـ):'''
: المجال هو الكرة التي مركزها نقطة الأصل ونصف قطرها ''3a'' (<math>D = x^2 + y^2 + z^2 \le 9a^2 \,\!</math>) و<math>f(x,y,z) = x^2 + y^2\,\!</math> هي دالة المراد مكاملتها.

: بالنظر للمجال يبدو أنه من المناسب القيام بالتمرير إلى إحداثيات كروية، في الحقيقة، من الواضح أن فترات المتغيرات التي تحدد المنطقة الجديدة ''T'' هي:

::<math>0 \le \rho \le 3a, \ 0 \le \phi \le 2 \pi, \ 0 \le \theta \le \pi.\,</math>

: ولكن، بتطبيق التحويل نحصل على:

::<math>f(x,y,z) = x^2 + y^2 \longrightarrow \rho^2 \sin^2 \theta \cos^2 \phi + \rho^2 \sin^2 \theta \sin^2 \phi = \rho^2 \sin^2 \theta</math>.

: بتطبيق صيغة التكامل نحصل على:

::<math>\iiint_T \rho^2 \sin^2 \theta \rho^2 \sin \theta \, d\rho\, d\theta\, d\phi = \iiint_T \rho^4 \sin^3 \theta \, d\rho\, d\theta\, d\phi</math>

: والذي يصعب حله، هذه المسألة يتم حلها بالتمرير إلى احداثيات أسطوانية، وتصبح فترات ''T'' الجديدة هي:

::<math>0 \le \rho \le 3a, \ 0 \le \phi \le 2 \pi, \ - \sqrt{9a^2 - \rho^2} \le z \le \sqrt{9a^2 - \rho^2};</math>

: تم التحصل على الفترة ''z'' بشق الكرة إلى نصفين ببساطة عن طريق حل المتباينة في صيغة ''D'' (وبعدها مباشرة تحويل ''x<sup>2</sup> + y<sup>2</sup>'' إلى ''ρ<sup>2</sup>''). الدالة الجديدة تصبح أذن ''ρ<sup>2</sup>''. بتطبيق صيغة التكامل:

::<math>\iiint_T \rho^2 \rho \ d \rho d \phi dz</math>.

: نحصل بعدها على:

::<math>\int_0^{2 \pi} d\phi \int_0^{3a} \rho^3 d\rho \int_{- \sqrt{9a^2 - \rho^2} }^{\sqrt{9 a^2 - \rho^2} }\, dz = 2 \pi \int_0^{3a} 2 \rho^3 \sqrt{9 a^2 - \rho^2} \, d\rho.</math>

: الآن نطبق التحويل:

::<math>9 a^2 - \rho^2 = t\,\! \longrightarrow dt = -2 \rho\, d\rho \longrightarrow d\rho = \frac{d t}{- 2 \rho}\,\!</math>

:(الفترات الجديدة تصبح <math>0, 3a \longrightarrow 9 a^2, 0</math>). نحصل على:

::<math>- 2 \pi \int_{9 a^2}^{0} \rho^2 \sqrt{t}\, dt</math>

: ولأن <math>\rho^2 = 9 a^2 - t\,\!</math>، نحصل على:

::<math>-2 \pi \int_{9 a^2}^0 (9 a^2 - t) \sqrt{t}\, dt,</math>

: بعد قلب حدود التكامل وضرب الأطراف داخل القوسين، يمكن تفكيك التكامل إلى جزئين يُحلان مباشرة.

::<math>2 \pi \left[ \int 0^{9 a^2} 9 a^2 \sqrt{t} \, dt - \int 0^{9 a^2} t \sqrt{t} \, dt\right] = 2 \pi \left[9 a^2 \frac{2}{3} t^{ \frac{3}{2} } - \frac{2}{5} t^{ \frac{5}{2}} \right]_0^{9 a^2}</math>

::<math>= 2 \cdot 27 \pi a^5 (6 - \frac{2}{5}) = 54 \pi \frac{28}{5} a^5 = \frac{1512 \pi}{5} a^5.</math>

: الفضل في إمكانية اختزال التكامل الثلاثي لآخر أسهل في متغير واحد يعود لطريقة التمرير إلى إحداثيات أسطوانية

== أمثلة ==
=== التكامل الثنائي ===
لنفترض أننا نرغب في مكاملة دالة في عدة متغيرات ''f'' خلال منطقة ''A'' :
::<math>A = \{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 \ : \ 11 \le x \le 14 \ ; \ 7 \le y \le 10 \}</math> و<math>f(x,y) = x^2 + 4y\,\!</math>

لهذه الحالة نكون التكامل الثنائي::<math>\int_7^{10} \int_{11}^{14} \ (x^2 + 4y) \ dx\, dy </math>

يتوجه النظر إلى التكامل الداخلي أولاً والذي نكامله باعتبار ''x''، يجب إجراء هذا التكامل قبل مكاملة الدالة بالنسبة ل''y''. لاحظ أننا في البدء نعتبر ''y'' ثابتاً حيث أنها ليست [[متغير التكامل]].

::<math>
\begin{align}
 \int_{11}^{14} \ (x^2 \ + \ 4y) \ dx  & = \left (\frac{1}{3}x^3 \ + \ 4yx \right)\Big |_{x=11}^{x=14} \\
                                                                  & = \frac{1}{3}(14)^3 \ + \ 4y(14) \ - \ \frac{1}{3}(11)^3 \ - \ 4y(11) \\
                                                                  &= 471 \ + \ 12y \\
\end{align}
</math>

بعد ذلك نكامل بالنسبة ل ''y''

::<math>
\begin{align}
 \int_{7}^{10} \ (471 \ + \ 12y) \ dy  & = (471y\ + \ 6y^2)\big |_{y=7}^{y=10} \\
                                                                  & = 471(10) \ + \ 6(10)^2 \ - \ 471(7) \ - \ 6(7)^2 \\
                                                                  &= 1719 \\
\end{align}
</math>

=== الحجوم ===
حجم [[متوازي مستطيلات|متوازي المستطيلات]] ذو الأضلاع 4×6×5 نتحصل عليه بطريقتين:
* التكامل الثنائي:: <math>\iint_D 5 \ dx\, dy</math>
: للدالة 5=(''f''(''x,''y'' محسوبة في المنطقة ''D'' من مستوى ''xy'' الذي يمثل قاعدة متوازي المستطيلات::<math>\iiint_\mathrm{parallelepiped} 1 \, dx\, dy\, dz</math>

* التكامل الثلاثي::<math>\iiint_\mathrm{parallelepiped} 1 \, dx\, dy\, dz</math>
: للدالة الثابتة 1 محسوبةً على متوازي المستطيلات نفسه.

=== حساب الحجوم ===
بفضل الطرق المفصلة أعلاه يمكن تبيين قيمة الحجم لبعض الأجسام:
* '''[[أسطوانة (هندسة)|الأسطوانة]]:''' اعتبر أن المجال هو القاعدة الدائرية ذات نصف قطر ''R''، والدالة ثابتة بالارتفاع ''h''. يمكن كتابة ذلك في إحداثيات قطبية كالآتي:
::<math>\mathrm{Volume} = \int_0^{2 \pi } d \phi \int_0^R h \rho \ d \rho = h 2 \pi \left[\frac{\rho^2}{2 }\right]_0^R = \pi R^2 h</math>

:''التحقق:'' الحجم = مساحة القاعدة* الارتفاع= <math>\pi R^2 \cdot h</math>
* '''[[كرة|الكرة]]:''' وهو توضيح جاهز لتطبيق التمرير في احداثيات كروية للدالة الثابتة المُكامَلة ''1'' في الكرة ذات نفس نصف القطر ''R'':
::<math>\mathrm{Volume} = \int_0^{2 \pi }\, d \phi \int_0^{ \pi } \sin \theta\, d \theta \int_0^R \rho^2\, d \rho = 2 \pi \int_0^{ \pi } \sin \theta \frac{R^3}{3 }\, d \theta = \frac{2}{3 } \pi R^3 [- \cos \theta]_0^{ \pi } = \frac{4}{3 } \pi R^3.</math>
* '''[[رباعي سطوح|رباعي السطوح]]'''([[هرم]] مثلثي ذو 4 وجوه): حجم رباعي سطوح ذو رأس عند نقطة الأصل يمكن حسابهعن طريق صيغ الاختزال آخذين بالاعتبار، كمثال، ال normality على المستوى ''xy'' ولمحور ''x'' ومثل الدالة الثابتة ''1''.

:: <math>\mathrm{Volume} = \int_0^\ell dx \int_0^{\ell-x }\, dy \int_0^{\ell-x-y }\, dz = \int_0^\ell dx \int_0^{\ell-x } (\ell - x - y)\, dy</math>

:: <math>= \int_0^\ell (\ell^2 - 2\ell x + x^2 - \frac{ (\ell-x)^2 }{2 })\, dx = \ell^3 - \ell \ell^2 + \frac{\ell^3}{3 } - \left[\frac{\ell^2}{2 } - \ell x + \frac{x^2}{2 }\right]_0^\ell = </math>

:: <math> = \frac{\ell^3}{3 } - \frac{\ell^3}{6 } = \frac{\ell^3}{6}</math>

:''التحقق:'' الحجم = مساحة القاعدة * الارتفاع /3 = <math>\frac{\ell^2}{2 } \cdot \ell/3 = \frac{\ell^3}{6}.</math>

[[ملف:Dominio improprio.svg|تصغير|يسار|140px|مثال لمجال معتل.]]

== التكامل المعتل المتعدد ==
في حالة المجالات غير المحدودة أو الدوال غير المحدودة بالقرب من حدود المجال، نقوم باستعمال '''[[تكامل معتل|التكامل المعتل]] الثنائي''' أو '''التكامل المعتل الثلاثي'''.

== التكامل المعتل المتعدد والتكامل المتتابع ==

حسب مبرهنة فوبيني Fubini's theorm :
:<math>\int_{A\times B} |f(x,y)|\,d(x,y)<\infty,</math>
هذا يعني أنه إذا كان التكامل محدد مطلقاً فان نفس النتيجة التي نحصل عليها بالتكامل المتعدد يمكن الحصول عليها بالتكامل المتتابع،:<math>\int_{A\times B} f(x,y)\,d(x,y)=\int_A\left(\int_B f(x,y)\,dy\right)\,dx=\int_B\left(\int_A f(x,y)\,dx\right)\,dy.</math>

يحدث ذلك تحديدا عندما تكون |(f(x,y| [[دالة محددة]]، و''A'' و''B'' [[مجموعة محددة|مجموعتان محددتان]].
إذا لم يكن التكامل متقارب مطلقاً يجب العناية وعدم خلط مبادئ التكامل المتعدد والتكامل المتتابع، خاصة أن كلاهما يكتب بنفس الرموز. الرمز:

:<math>\int_0^1\int_0^1 f(x,y)\,dy\,dx</math>

يعني في بعض الحالات تكاملاً متتابعاً وليس تكاملاً ثنائياً حقيقياً. التكامل الخارجي في التكامل المتتابع:<math>\int_0^1 \cdots \, dx</math>

هو تكامل باعتبار ''x'' لدالة ''x'' التالية:<math>g(x)=\int_0^1 f(x,y)\,dy.</math>

من ناحية أخرى، التكامل الثنائي يعرف باعتبار المساحة في المستوى ''xy''. إذا وُجد تكامل ثنائي فانه يكون مساوياً لكل من التكاملين المتتابعين على حدا (إما "''dy&nbsp;dx''" أو"''dx&nbsp;dy''") ويتم حسابه عادة بحساب أحد التكاملين المتتابعين. ولكن أحياناً يوجد التكاملين المتتابعين [[إذا وفقط إذا]] لم يكن هناك تكامل ثنائي، ويكونان في هذه الجالة ذوي قيم متغايرة عن بعضهما كما في المثال:

:<math>\int_0^1\int_0^1 f(x,y)\,dy\,dx \neq \int_0^1\int_0^1 f(x,y)\,dx\,dy.</math>

وهو إعادة ترتيب افتراضي للتكامل المتقارب شرطياً. نكتب:<math>\int_{[0,1]\times[0,1]} f(x,y)\,dx\,dy</math>

الذي يمكن استعماله للتأكد من أننا حسبنا التكامل المتعدد وليس المتتابع
== بعض التطبيقات العملية ==
تستخدم هذه التكاملات في العديد من التطبيقات [[فيزياء|الفيزيائية]]

في [[ميكانيكا|الميكانيكا]]، يحسب [[عزم القصور الذاتي]] كتكامل حجم (تكامل ثلاثي) لل[[كثافة]] الموزونة مع مربع المسافة من المحور:

:<math>I_z = \iiint_V \rho r^2\, dV.</math>

في [[كهرومغناطيسية|الكهرومغناطيسية]]، يمكن كتابة [[معادلات ماكسويل]] في صورة تكامل ثلاثي لحساب المجالات الكهربية والمغناطيسية الكلية

فس المثال التالي حصلنا على المجال الكهربي [[شحنة كهربائية|بتوزيع للشحنات]] تم الحصول عليه عن طريق تكامل ثلاثي لدالة متجهة:<math>\vec E = \frac {1}{4 \pi \epsilon_0} \iiint \frac {\vec r - \vec r'}{\left \| \vec r - \vec r' \right \|^3} \rho (\vec r')\, \operatorname{d}^3 r'.</math>

== انظر أيضًا ==
* مبرهنات [[تحليل حقيقي|التحليل]] الرئيسية المرتبطة بالتكامل المتعدد:
** [[مبرهنة التباعد]]
** [[مبرهنة ستوكس]]
** [[مبرهنة غرين]]

== مراجع ==
{{مراجع}}

* Robert A. Adams - Calculus: A Complete Course (5th Edition) ISBN 0-201-79131-5.

{{مواضيع حسابات التفاضل والتكامل}}
{{شريط بوابات|تحليل رياضي}}
{{ضبط استنادي}}

[[تصنيف:تفاضل متعدد المتحولات]]
[[تصنيف:حساب تكاملي]]