- •Часть 3
- •(Кафедра «высшей математики и физико-математического моделирования») методические указания
- •Часть 3
- •Введение
- •1. Числовые ряды
- •2. Функциональные ряды
- •1. Двойной интеграл
- •4. Тройные интегралы
- •5. Криволинейные интегралы
- •4. Поверхностные интегралы
- •Применения поверхностных интегралов механике
- •Поверхностные интегралы второго рода
- •7. Функция комплексного переменного
- •2. Преобразование Лапласа
- •Заключение
- •Библиографический список
- •1. Числовые ряды……….……………………………………1
- •Часть 3
- •Федотенко Галина Федоровна в авторской редакции
5. Криволинейные интегралы
Криволинейный интеграл первого рода, его вычисление, физический смысл и механические приложения
Пусть на плоскости хоу задана кривая АВ, в каждой точке которой определена непрерывная функция f(х, у) двух независимых переменных х и у.
Рассмотрим
криволинейный интеграл I
рода (по длине дуги) от этой функции по
кривой АВ.
Он обозначается
,
кривая АВ
называется кривой интегрирования, А
– начальной,
а В – конечной
точками интегрирования. Из определения
криволинейного интеграла первого рода
следует, что он не зависит от направления
кривой АВ,
т.е.:
.
Если
АВ – пространственная кривая, то
криволинейным интегралом первого рода,
распространенным на эту кривую называется
интеграл вида:
,где
функция f(х,
у, z)
– функция трех независимых переменных,
которая определена и непрерывна в каждой
точке кривой АВ.
Масса m материальной кривой, имеющей плотность (х, у, z) равна криволинейному интегралу первого рода от функции (х, у, z) по пространственной кривой АВ, т.е.:
.
В этом состоит физический (механический) смысл криволинейного интеграла первого рода.
Если
масса распределена непрерывно вдоль
дуги плоской кривой АВ
с плотностью функции
= (х,
у) в каждой
точке кривой, то статические моменты
Мх
и Му
дуги
относительно координатных осей ОХ
и ОУ
соответственно
определяются по формулам:
;
.
Моменты инерции этой дуги относительно координатных осей ОХ и ОУ соответственно равны:
;
.
Координаты центра тяжести дуги АВ вычисляются:
;
.
Если кривая однородна, то плотность функции (х, у) = const, поэтому формулы (3.4) и (3.5) примут вид:
,
где
- длина дуги АВ.
Если плоская гладкая кривая АВ задана параметрическими уравнениями вида х = х(t); у = у(t), причем, существуют непрерывные производные хt и уt, где параметр t применяется на дуги АВ в пределах t .
Тогда
и криволинейный интеграл выражается
через определенный по формуле:
.
Если кривая АВ задана уравнением у = у(х); где а х в, то
.
Рассмотрим теперь случай пространственной гладкой кривой АВ. Пусть ее параметрические уравнения имеют вид:
х = х(t); у = у(t); z = z(t); причем существуют непрерывные производные хt, уt и zt. Предположим, что параметр t изменяется в пределах t . Тогда справедлива формула:
.
Криволинейный интеграл от функции f(х, у) по дуге, заданной уравнением в полярных координатах r = r(), где , вычисляется с помощью формулы:
.
Пример
. Вычислить
,
где АВ
часть окружности х2
+ у2
= R2,
лежащая в
I
четверти.
Решение.
Выразим из
уравнения окружности явно ординату у
через абсциссу х,
получим
(в первой четверти у
0).
Найдем
и подставим в выражения
;
.
Получим:
.
Криволинейный интеграл второго рода и его вычисление
Пусть во всех точках дуги АВ плоской кривой определены и непрерывны функции двух независимых переменных Р(х, у) и Q(x, y), тогда можно рассмотреть криволинейные интегралы по координатам:
и
.
Сумму этих двух интегралов обозначают символами
и называют общим криволинейным интегралом второго рода (по координатам х и у).
Если
АВ
непрерывная гладкая кривая в пространстве,
а функция Р(х,
у, z),
Q(x,
y,
z)
и R(x,
y,
z)
непрерывные функции трех независимых
переменных, заданные по этой кривой,
тогда сумма трех интегралов
,
и
называется общим криволинейным интегралом
второго рода (по координатам) и обозначается
.
Если
Р(х, у, z),
Q(x,
y,
z)
и R(x,
y,
z)
– проекции силы
на координатные оси, то общий криволинейный
интеграл второго рода (3.11) выражает
работу этой силы при перемещении
материальной точки
М по кривой
АВ
из положения А
в положение В.
В этом состоит
физический смысл криволинейного
интеграла второго рода. В отличие от
криволинейного интеграла первого рода
криволинейный интеграл второго рода
меняет свой знак на противоположный
при изменении направления обхода кривой
АВ,
то есть
.
Вычисление криволинейного интеграла второго рода сводится к вычислению определенного интеграла.
Если гладкая пространственная кривая АВ задание параметрическими уравнениями x = x(t), y = y(t), z = z(t) причем изменению t от до соответствует движение точки по кривой от А к В (не обязательно, чтобы было меньше ). Тогда
Если кривая АВ – расположена, например, в плоскости ХОУ, то формуле примет вид:
.
Если же плоская гладкая кривая задана уравнением у = у(х), где а х b, у(х) – непрерывно дифференцируемая функция, то криволинейный интеграл второго рода вычисляется по формуле:
Пример
. Вычислить
,
где АВ –
первая четверть окружности х2
+ у2
= R2,
пробегаемая
против часовой стрелки.
Решение. Из уравнения окружности выразим у через х.
Получим
,
так как в первой четверти у
0, то
;
.
Учитывая, что интегрирование ведется против часовой стрелки х изменяется от R до 0.
Получим:
Условия независимости криволинейного интеграла от пути интегрирования
Если
функции Р(х,у)
и Q(x,y)
определены и непрерывны вместе со своими
частными производными
и
в замкнутой ограниченной односвязью
области D,
то для того, чтобы в криволинейный
интеграл
не зависел от формы пути интегрирования, необходимо и достаточно, чтобы во всех точках этой области выполнялось условие
= .
Но
условие является необходимым и
достаточным для того, чтобы выражение
Р(х,у)dx
+ Q(x,y)dy,
являлось
полным дифференциалом некоторой функции,
то
криволинейный интеграл
(х,у)dx
+ Q(x,y)dy,
взятый по
любому замкнутому контуру L
целиком
лежащему в односвязной ограниченной
замкнутой области D
равен 0.
Если путь, по которому вычисляется криволинейный интеграл, безразличен, то употребляется обозначение:
где (х0, у0) и (х1, у1) – координаты начала и конца пути интегрирования.
Пример . Выяснить, будет ли криволинейный интеграл зависеть от формы пути интегрирования:
.
Решение. Здесь Р(х, у) = 6ху + 4у2 + 5у,
а функция Q(x,y) = 3x2 + 8xy + 5x. Интеграл не будет зависеть от пути интегрирования, если выполнено условия
;
,
Следовательно,
,
и криволинейный интеграл зависит от
формы пути интегрирования.
Формула Грина. Вычисление площадей с помощью
криволинейного интеграла второго ряда
Криволинейный интеграл по простому замкнутому гладкому контуру L, ограничивающему односвязную область D может быть преобразован в некоторый двойной интеграл по области D, ограниченной этим контуром. Это преобразование выполняется по формуле Грина, которая имеет вид:
.
Предполагается,
что функции Р(х,
у) и Q(x,
y),
а также их
частные производные
непрерывны в области D
и на контуре L,
который ее ограничивает, причем, контур
L,
пробегается в положительном направлении,
т.е. так, что область D
остается слева.
Если формулу Грина прочесть справа налево, то можно сказать, что она сводит вычисление двойного интеграла по области D к вычислению криволинейного интеграла взятого по контуру L, ограничивающему эту область.
Формула справедлива не только для области D указанного вида, но и для более сложных областей, ограниченных несколькими простыми гладкими контурами. В случае:
,
следует рассматривать как сумму
интегралов по составляющим контурам,
причем, интегрирование по этим контурам
должно вестись в таком направлении,
чтобы область D
оставалась слева.
Многие криволинейные интегралы, взятые по замкнутому контуру, удобно вычислять, сводя их к двойному.
Пример .
Вычислить, применяя формулу Грина, интеграл.
,
где L
– окружность х2
+ у2
= а2,
пробегаемая в положительном направлении.
Решение. Здесь Р(х, у) = - х2 у; Q(х, у) = - х у2;
;
.
Подставляя эти значения в формулу Грина , получим:
,
где D – круг, ограниченный окружностью х2 + у2 = а2. Вычисление полученного интеграла удобно провести в полярных координатах, при этом элемент площади dxdy = rdrd, а
х2 + у2 = r2. Получим
.
