Теоретические и методические аспекты изучения темы "Интегральное исчисление функции нескольких переменных"

Реформа российского математического образования высшей школы заключается в том, что к традиционно изучаемым курсам в математике добавляются новые. Это ведет к сокращению аудиторных часов, предназначенных для изучения базовых дисциплин математического блока – в том числе математического анализа.

Потребности современного образования ставят перед методикой преподавания математики новые задач

и. Особенно остро встает вопрос о методике изучения математического анализа в вузе. Тройной интеграл является одной из важнейших и объемнейших тем математического анализа. Поэтому необходимо, чтобы материал был хорошо усвоен студентами. Теоретические и практические исследования по данной теме являются актуальными и обусловлены потребностями педагогических вузов.

Итак, объектом исследования темы является процесс организации учебной деятельности при изучении дисциплины «Математический анализ» в педагогическом вузе.

В качестве предмета исследования выступает методика изучения раздела математического анализа «Тройные интегралы» в вузах педагогической направленности.

Научная проблема исследования состоит в поиске наиболее оптимальных закономерностей при изучении этого вопроса.

Цель данной работы - формирование методического аппарата по изучению темы “Тройные интегралы”.

Реализация поставленной цели потребовала решения ряда задач, а именно:

1. Обосновать и разработать содержание и методику изучения темы «Тройные интегралы» в педагогическом вузе с учетом возрастных особенностей студентов;

2. Создать обучающее-контролирующую программу по данной теме для студентов второго курса физико-математических факультетов педагогических вузов.

В соответствии с этим гипотеза исследования заключается в том, что разработанная методика изучения раздела математического анализа «Тройные интегралы» с использованием новых педагогических и информационных технологий будет способствовать более успешному формированию знаний, умений и навыков у студентов педагогических вузов по дисциплине «Математический анализ».

Для достижения цели и поставленных задач были привлечены следующие методы исследования:

1. Теоретический анализ проблемы, определение основных положений исследования;

2. Анализ психолого-педагогической, математической, методической литературы, учебных пособий, работ по истории математики, учебных программ;

3. Ознакомление с методическим опытом преподавателей СГПИ.

Практическая значимость исследования квалификационной работы определена тем, что ее материалы будут полезны:

- преподавателям физико-математических факультетов педагогических вузов при подготовке и проведении лекционных и практических занятий по дисциплине “Математический анализ”, а также при организации самостоятельной работы студентов.

- студентам при подготовке к практическим занятиям, коллоквиумам, экзаменам, при написании курсовых и выпускных работ.

Задача о вычислении массы тела

Пусть дано некоторое тело (V), заполненное массами, и в каждой его точке M(x, y, z) известна плотность распределение ρ = ρ(M)=ρ(x, y, z) этих масс. Требуется определить всю массу m тела [2].

Для решения этой задачи разложим тело (V) на ряд частей: (V1), (V2), … , (Vn) и выберем в пределах каждой из них по точке .

Примем приближенно, что в пределах части (Vi) плотность постоянна и равна как раз плотности в выбранной точке. Тогда масса этой части приближенно выразится так:

,

масса же всего тела будет

.

Если диаметры всех частей стремятся к нулю, то в пределе это приближенное равенство становиться точным, так что

, (1)

и задача решена.

Видно, что решение задачи и здесь привело к рассмотрению предела своеобразной суммы - типа интегральных сумм различного вида.

Подобного рода интегральные суммы приходится часто рассматривать в механике и в физике; они получили название тройных интегралов. В принятых обозначениях полученный выше результат запишется так:

(2)

Тройной интеграл и условия его существования

При построении общего определения нового интегрального образования тройного интеграла - основную роль играет понятие объема тела [1].

С понятием объема уже знакомы. Условие существования объема для данного тела заключается в том, чтобы ограничивающая его поверхность имела объем 0 . Только такие поверхности будем рассматривать, так, что существование объемов во всех нужных нам случаях тем самым обеспечивается. В частности, в состав указанного класса поверхностей входят кусочно-гладкие поверхности.

Пусть теперь в некоторой пространственной области (V) задана функция f(x, y, z). Разобьем эту область с помощью сети поверхностей на конечное число частей (V1), (V2), … , (Vn), имеющих соответственно объемы V1, V2, … ,Vn. В пределах i-го элемента возьмем произвольную точку , значение функции в этой точке умножим на объем Vi и составим интегральную сумму

Vi.

Конечный предел I этой суммы, при стремлении к нулю наибольшего из диаметров всех областей (Vi) и называется тройным интегралом функции f(x, y, z) в области (V). Он обозначается символом

.

Конечный предел подобного вида может существовать только для ограниченной функции. Для такой функции вводятся, кроме интегральной суммы σ, еще суммы Дарбу:

, ,

где , .

Обычным путем устанавливается, что для существования интеграла необходимо и достаточно условие

или ,

где есть колебание функции f в области . Заметим, что при существовании интеграла обе суммы s, S также имеют его своим пределом.

Отсюда непосредственно следует, что всякая непрерывная функция f интегрируема.

Можно несколько расширить эти условия, а именно: интегрируема всякая ограниченная функция, все разрывы которой лежат на конечном числе поверхностей с объемом 0 [3].