Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Ми10 крив и пов

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
09.05.2015
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

Теорема 2.2. (Теорема существования поверхностного интеграла второго рода)

Если функция Z(x, y, z) непрерывна вдоль кусочно-гладкой поверхности Q ,

то поверхностный интеграл второго рода существует.

(Доказательство теоремы смотрите, например,[1]). Аналогично можно показать, что

 

 

n

n

 

 

∫∫Y(x, y, z)dxdz =limd→0 ∑Y(xi , yi , zi )∆xi∆zi

=limd→0 ∑Y(Mi )cosβi∆qi

=∫∫Y(x, y, z)cosβdq;

Q

 

i=1

i=1

Q

 

 

 

n

n

 

 

∫∫X(x, y, z)dydz =limd→0

∑X(xi , yi , zi )∆yi∆zi

=limd→0 ∑X(Mi )cosαi∆qi

=∫∫X(x, y, z)cosαdq.

Q

 

i=1

i=1

Q

 

Следовательно, имеем:

 

 

 

JG

G

= ∫∫(X (x, y, z)cosα +Y(x, y, z)cos β +Z(x, y, z)cosγ)dq =

∫∫(F(M ) n(M ))dq

Q

 

Q

 

 

 

 

= ∫∫X (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy.

(2.23)

 

Q

 

 

 

 

Интеграл ∫∫X (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy называют

Q

обычно составным поверхностным интегралом второго рода. Формула (2.23) устанавливает связь между поверхностными

интегралами первого и второго рода.

 

 

Замечание 1. Если задано векторное поле

G

G

JJJJJJG

G

 

F(M ) = X (x, y, z) i

+Y(x, y, z) j

+Z(x, y, z) k ,

где X = X (x, y, z); Y =Y(x, y, z); Z = Z(x, y, z) –

непрерывные функции, то

поверхностный интеграл второго рода

 

 

∫∫X (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy определяет поток

Q

векторного поля через поверхность Q .

Замечание 2. В ситуации, когда поверхностный интеграл вычисляется по замкнутой поверхности Q , для него часто используют специальное

обозначение ∫∫wX (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy.

Q

2.3.3. Свойства поверхностного интеграла второго рода

Сформулируем свойства поверхностного интеграла второго рода на примере одного его слагаемого, соответствующего функции Z(x, y, z) .

1)При изменении стороны поверхности интеграл меняет знак.

2)Свойства линейности:

∫∫(c1Z1(x, y,z) ±c2Z2(x, y,z))dxdy =c1∫∫Z1(x, y,z)dxdy±c2 ∫∫Z2 (x, y,z)dxdy, c1,c2 \.

Q Q Q

3) Свойство аддитивности: если поверхность Q разбита на конечное

81

число частей Qk Q, k =1,2,..., N, не имеющих общих внутренних

 

N

точек, то ∫∫Z(x, y, z)dxdy = ∑∫∫Z(x, y, z)dxdy.

Q

k =1 Q

 

k

4) Интеграл ∫∫Z(x, y, z)dxdy по любой цилиндрической поверхности

Q

Q с образующими, параллельными оси Oz , равен нулю (рис. 2.18).

Первые три свойства, очевидно, следуют из определения поверхностного интеграла, как предела интегральных сумм (2.22*) G Докажем четвертое свойство. Так как единичный вектор нормалиGn(M ) к

поверхности Q параллелен плоскости xOy , т.е. угол между n(M ) и положительным направлением оси Oz прямой (рис.2.3.5), имеем cosγ = 0.

Следовательно, по формуле (2.23*) получаем

∫∫Z(x, y, z)dxdy = ∫∫Z(x, y, z)cosγdq = 0.

Q Q

2.3.4. Вычисление поверхностного интеграла второго рода

Если гладкая поверхность Q задана уравнением z = z(x, y) ,

(x, y) Sxy xOy , и выбрана ее верхняя сторона, т.е. единичный вектор

G

n(M ) нормали определен равенством (2.8), в котором радикалы взяты со

знаком плюс, то есть cosα =

−zx'

 

, cosβ =

 

 

−z'y

 

+ 1+(zx' )2

+(z'y ))2

+

1 +(zx' )2

+(z'y )2

cosγ =

 

 

1

 

 

.

 

 

+

1 + (zx' (x, y))2 +(z'y (x, y))2

 

 

Поэтому, используя представление (2.16), для верхней стороны поверхности получим

∫∫Z(x, y, z)dxdy = ∫∫Z(x, y, z)cosγdq =

Q Q

 

= ∫∫Z(x, y, z(x, y))cosγ

1 +(zx' (x, y))2

+(z'y (x, y))2 dxdy =

 

 

 

Sxy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

'

 

2

'

 

2

 

= ∫∫Z(x, y, z(x, y))

 

 

 

 

 

 

 

1 +(zx

(x, y))

 

+(zy

(x, y))

 

dxdy =

 

(x, y))

2

'

(x, y))

2

 

 

 

 

'

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sxy

 

1 +(fx

 

+(fy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫∫Z(x, y, z(x, y))dxdy.

 

 

 

(2.24)

 

 

 

Sxy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для нижней стороны поверхности знак cosγ обратный, и поэтому в правой части (2.24) перед интегралом следует поставить знак минус:

82

∫∫Z(x, y, z)dxdy = −∫∫Z(x, y, z(x, y))dxdy.

(2.25)

Q

Sxy

 

Аналогично можно вычислить два остальных интеграла

(2.23), если

гладкая поверхность Q

задана уравнением x = x( y, z) , ( y, z) Syz yOz ,

или y = y(x, z) , (x, z) Sxz xOz .

Пример 2.5. Вычислить поверхностный интеграл второго рода ∫∫ydxdz

Q

по внешней стороне части Q параболоида z = x2 + y2 , заключенной между плоскостями z = 0 и z = 2 (рис. 2.3.6, а).

Рис. 2.3.6

Решение. Разобьем поверхность Q координатной плоскостью xOz на две части Q1 и Q2 , расположенные по разные стороны от этой плоскости.

Поверхности Q

и Q представляют собой графики функций y = z − x2

и

1

2

 

y = − z − x2 .

Эти функции имеют общую область определения Sxz

–

проекцию поверхности Q на плоскость xOz , которая описывается неравенствами 0 ≤ z ≤ 2, z ≥ x2 (рис. 2.3.6, б). В соответствии со

свойством аддитивности поверхностного интеграла второго рода запишем

∫∫ydxdz = ∫∫ydxdz + ∫∫ydxdz.

Q

Q1

Q2

Выбор внешней стороны поверхности Q означает выбор правой стороны

Q ( угол между единичным вектором нормали n(M ) и осью Oy острый) и

1

G

левой стороны Q2 ( угол между единичным вектором

нормали n(M ) и

осью Oy тупой ). Так как мы проектируем поверхность

Q в плоскость

xOz , то определяем угол между единичным вектором нормали и осью Oy . Для поверхности Q1 с выбранной стороной имеем

∫∫ydxdz = ∫∫ z − x2 dxdz ,

Q1 Sxz

83

где левая часть равенства – это поверхностный интеграл, а правая часть – двойной. Для поверхности Q2 с выбранной стороной (левой) имеем

 

 

∫∫ydxdz = −∫∫−

z − x2 dxdz = ∫∫

 

 

 

z − x2 dxdz.

 

 

 

 

Q2

 

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫ydxdz = ∫∫ydxdz + ∫∫ydxdz = 2∫∫

 

 

z − x2 dxdz.

 

 

 

Q

 

 

 

 

Q1

 

 

 

 

Q2

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим двойной интеграл:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫

z − x2 dxdz = ∫2

dx∫2

z − x2 dz =

 

2

 

∫2

(z − x2 )3/ 2

 

2x2 dx = =

2

 

∫2

(2 − x2 )3/ 2 dx =

 

3

 

Sxz

 

− 2

x2

 

 

 

 

 

 

− 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

− 2

 

 

 

x =

 

 

2 sin t

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

=

dx =

 

2 cos tdt

=

2

∫2

4cos4 tdt =

2

 

∫2

(1 + cos 2t)2 dt =

 

3

 

 

 

t1 = −

π

, t2

=

π

 

−

π

 

 

 

 

 

 

3

 

−

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

π

 

 

 

 

π

 

 

 

 

1

 

π

 

1

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

=

 

t

2π +sin 2t

2π

+

 

t

2π

+

sin 4t

2π

=π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

−

2

 

 

 

− 2

 

 

2

 

− 2

8

 

 

 

 

 

 

 

− 2

 

 

 

Таким образом ∫∫ydxdz = 2π .

Q

JJJJJG

G

G

G

 

Пример 2.6. Вычислить поток векторного поля F(M ) = −x2 z i

+ y j +2

k

через поверхность Q – внешнюю сторону части эллипсоида 4x2 + y2 + 4z2 = 4 , расположенную в первом октанте (Рис.2.3.7).

Решение. Поток векторного поля определяется поверхностным интегралом второго рода (замечание 1.)

PQ = ∫∫−x2 zdydz + ydxdz + 2dxdy.

Q

Представим данный поверхностный интеграл в виде суммы трех интегралов:

84

Рис.2.3.7

PQ = ∫∫−x2 zdydz + ydxdz + 2dxdy = ∫∫−x2 zdydz + ∫∫ydxdz + ∫∫2dxdy.

Q Q Q Q

Преобразуем каждый из них в двойной интеграл:

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫−x zdydz=+∫∫−x zdydz=

x

=1−

 

 

 

 

 

−z

 

=+∫∫− 1−

 

 

−z

 

zdydz=+∫∫ z

 

+

 

 

 

 

 

−1 zdydz,

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где знак плюс передGинтегралом означает, что угол между единичным

 

 

 

 

 

вектором нормали n к поверхности Q и осью Ox острый, Syz

 

–

 

проекция

 

поверхности Q на плоскость yOz , т.е. часть BOC эллипса

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 + 4z2

≤ 4, y ≥ 0, z ≥ 0 (рис.2.3.7);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫ydxdz = +∫∫ydxdz =

y = +2

 

1− x2 − z2

= + 2∫∫

 

1− x2 − z2 dxdz, где Sxz

–

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

проекция поверхности Q на плоскость xOz , т.е. часть AOC круга

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4x2 + 4z2 ≤ 4, x ≥ 0, z ≥ 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫2dxdy = +2∫∫dxdy , где Sxy

 

– часть AOB эллипса 4x2 + y2

≤ 4, x ≥ 0, y ≥ 0 .

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sxy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 1−z2

 

 

 

 

 

 

 

 

y

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

4

−

4z

2

 

 

 

 

 

y

2

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−(1− z2 ) y

 

 

 

−

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫ z2

+

 

−1 zdydz = ∫zdz

 

∫

 

 

z2 +

 

−1 dy

=∫zdz

02

1

z

 

+

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

yz

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y3

 

2

 

 

1−z2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

zdz

 

 

 

 

2

 

 

2 1−z2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3/ 2

 

 

 

 

2

 

 

3/ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

−(1− z

 

) y

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

−2(1− z

 

)

 

 

 

+

 

 

 

(1

− z

 

)

 

 

 

zdz =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −

4 1

(1 − z

2

)

3/ 2

zdz = −

4

 

 

−

1

1

(1− z

2

)

3/ 2

d(1− z

2

) =

 

 

4

 

(1− z

2

)

5/ 2

 

1

 

= −

 

 

4

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 ∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

2

∫0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

85

 

 

 

 

 

 

 

x = ρ cosϕ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = ρsinϕ

 

 

 

 

π / 2

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2∫∫

1 − x2 − z2 dxdz =

 

dxdz = ρdρdϕ

 

 

 

 

= 2 ∫ dϕ∫ 1− ρ2 ρdρ =

 

 

 

 

Sxz

 

 

 

 

0 ≤ϕ ≤ π , 0

 

≤ ρ ≤1

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π / 2

 

 

 

(1 − ρ2 )3/ 2

 

1

2

π / 2

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= − ∫

dϕ

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

∫ dϕ =

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 / 2

 

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

4−4 x2

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = cost

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫dxdy = ∫dx

∫

dy = 2∫ 1 − x2 dx =

dx = −sin tdt

= −2 ∫ sin2 tdt =

 

 

 

 

Sxy

0

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

t

[π / 2;0]

 

 

π / 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= π∫/ 2

(1 −cos 2t)dt = t

 

π0

/ 2 −

1

sin 2t

 

π0

/ 2

= π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

G

 

G

 

 

 

 

Следовательно, поток векторного поля

 

 

JJJJJG

 

 

+2

 

 

 

 

 

 

F(M ) = −x2 z

i

+ y j

k через

 

 

 

поверхность Q равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PQ =∫∫−x2zdydz+ydxdz+2dxdy =∫∫−x2zdydz+∫∫ydxdz+∫∫2dxdy =−

4

 

+π

+π =

4π

−

 

4

.

15

 

 

Q

 

 

 

 

 

Q

 

 

Q

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

3

3

 

15

2.3.5. Формула Остроградского – Гаусса. Дивергенция векторного поля

Формула Остроградского-Гаусса связывает поверхностный интеграл по замкнутой поверхности с тройным интегралом по телу, ограниченному данной поверхностью.

Пространственная область G является односвязной, если для любой замкнутой поверхности, лежащей в G , ограничиваемая этой поверхностью область также целиком лежит в G (то есть пространственная область G не содержит полостей).

Рассмотрим замкнутую пространственную область Ω , которая снизу и сверху ограничена поверхностямиz = g2 (x, y) и z = g1 (x, y) , где

g2 (x, y) ≤ g1 (x, y), (x, y) Sxy и боковой цилиндрической поверхностью с образующими, параллельными оси Oz . Здесь Sxy – замкнутая область,

являющаяся проекцией пространственной области Ω на плоскость xOy

(рис. 2.3.8). Всякую замкнутую область описанного вида назовем

правильной областью в направлении оси Oz . Любая вертикальная прямая,

проходящая через внутреннюю точку такой области, пересекает ее границу только в двух точках.

Предположим, что замкнутая пространственная область Ω может быть разделена на конечное число областей, правильных в направлении оси Ox .

86

Пусть аналогичное свойство выполняется и в отношении двух других осей Oy и Oz . Такую область мы будем называть простой областью.

Рис.2.3.8

Теорема 2.3. (Формула Остроградского – Гаусса)

Если функции X (x, y, z), Y(x, y, z), Z(x, y, z) непрерывно дифференцируемы

в односвязной пространственной области G , то для любой простой замкнутой области Ω G , ограниченной кусочно-гладкой замкнутой поверхностью Q , верна формула Остроградского-Гаусса

∫∫wX (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy =

Q+

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∫∫∫Ω

 

∂X (x, y, z)

+

∂Y(x, y, z)

+

∂Z(x, y, z)

 

(2.26)

 

dxdydz,

 

 

∂x

 

∂y

 

∂z

 

 

где Q+ – внешняя сторона поверхности Q .

Доказательство. Формула Остроградского-Гаусса распадается на три равенства, соответствующие трем подынтегральным функциям X (x, y, z) ,

Y(x, y, z) и Z(x, y, z) . Эти три равенства доказываются схожим образом, и

мы остановимся на одном из них, например на равенстве

 

∫∫wZ(x, y, z)dxdy = ∫∫∫

∂Z(x, y, z)

dxdydz.

(2.27)

∂z

Q+

Ω

 

 

 

Рассматриваемое равенство обладает свойством аддитивности. Это означает, что если замкнутая область Ω разбита на частичные области Ωk , k =1,2,..., m, ограниченные кусочно-гладкими поверхностями Qk , и для

этих замкнутых областей доказываемое равенство установлено, то это равенство будет выполняться и для самой области Ω.Так как замкнутая область Ω является простой, ее можно разбить на частичные области Ωk , k =1,2,..., m, являющиеся правильными в направлении оси Oz. Таким

образом, равенство (2.27) достаточно доказать для случая замкнутой области, правильной в направлении оси Oz .

87

Итак,

пусть

замкнутая

область Ω G

является правильной

в

направлении оси Oz . Это значит, что область

Ω

ограничена сверху и

снизу

поверхностями

Q1 : z = g1 (x, y) ;

Q2 : z = g2 (x, y) ,

где

g2 (x, y) ≤ g1 (x, y), (x, y) Sxy ,

Sxy

– проекция пространственной области Ω

на плоскость

xOy ; сбоку

–

цилиндрической

поверхностью Q3

с

образующей, параллельной оси Oz , и направляющей – кусочно-гладкой границей замкнутой ограниченной области Sxy (рис.2.3.8). Тогда

Q = Q1 Q2 Q3 представляет собой замкнутую поверхность, внешнюю сторону которой обозначим через Q+ .

Из свойства аддитивности поверхностного интеграла второго рода имеем:

∫∫wZ(x, y, z)dxdy =∫∫wZ(x, y, z)dxdy + ∫∫wZ(x, y, z)dxdy + ∫∫wZ(x, y, z)dxdy.

Q+

Q1+

Q2+

Q3+

Интеграл ∫∫wZ(x, y, z)dxdy =∫∫Z(x, y, z)cosγdq = 0

(формула (2.23)), так как

 

Q3+

Q3+

 

угол γ между единичным вектором нормали n к поверхности Q3 и осью

Oz равен

π (рис. 2.3.8);

 

 

 

 

2

 

 

 

∫∫wZ(x, y, z)dxdy = + ∫∫Z(x, y, g1 (x, y))dxdy

( формула

(2.24)),

знак плюс

Q1+

Sxy

 

 

 

перед двойным интегралом означает, что угол γ

между

единичным

вектором G

 

 

 

нормали

n к поверхности Q1+ и осью Oz острый;

 

 

∫∫wZ(x, y, z)dxdy = − ∫∫Z(x, y, g2 (x, y))dxdy ,

знак минус перед двойным

Q2+

Sxy

 

 

 

интегралом означает, что угол γ между единичным вектором нормали n к поверхности Q2+ и осью Oz тупой (рис. 2.3.8). Следовательно,

∫∫wZ(x, y, z)dxdy =∫∫Z(x, y, g1 (x, y))dxdy − ∫∫Z(x, y, g2 (x, y))dxdy =

Q+

Sxy

Sxy

 

 

= ∫∫(Z(x, y, g1 (x, y)) − Z(x, y, g2 (x, y)))dxdy.

(2.28)

 

Sxy

 

 

С другой стороны,

∫∫∫∂Z(x, y, z) dxdydz = ∫∫

Ω

∂z

Sxy

 

z=g1 ( x, y)

∂Z(x, y, z)

 

 

z=g1 ( x, y)

 

dxdy ∫

dz =∫∫dxdy Z(x, y, z)

 

=

∂z

 

z=g2 ( x, y)

 

 

z=g2 ( x, y)

Sxy

 

 

 

 

 

 

 

= ∫∫(Z(x, y, g1 (x, y)) − Z(x, y, g2 (x, y))dxdy.

(2.29)

Sxy

 

Сравнивая выражения для поверхностного интеграла (2.28) и для тройного интеграла (2.29) получаем требуемую формулу (2.27).

88

Замечание 1. Формулу Остроградского-Гаусса можно распространить на произвольную ограниченную пространственную область Ω, граница Q

которой состоит из конечного числа замкнутых кусочно-гладких поверхностей (область Ω в этом случае имеет полости). При этом в левой части формулы Остроградского-Гаусса поверхностный интеграл следует брать вдоль границы области Ω, т.е. необходимо суммировать поверхностные интегралы по всем поверхностям, составляющим границу, причем для внешней поверхности выбирается внешняя сторона, а для внутренних — внутренняя. Чтобы доказать такое обобщение формулы Остроградского-Гаусса, достаточно соединить произвольными гладкими поверхностями внешнюю часть границы области Ω с внутренними.

Замечание 2. На основании формулы (2.23), формулу Остроградского – Гаусса можно записать и так:

 

∂X (x, y, z)

+

∂Y(x, y, z)

+

∂Z(x, y, z)

 

 

dxdydz =

∫∫∫Ω

∂x

 

∂y

 

∂z

 

= ∫∫w(X (x, y, z)cosα +Y(x, y, z)cos β + Z(x, y, z)cosγ)dq

Q+

Замечание 3. Пусть в пространственной области G, Ω G, задано

JJJJJJG G G G

векторное поле F(M ) = X (x, y, z) i +Y(x, y, z) j +Z(x, y, z) k , где X = X (x, y, z); Y =Y(x, y, z); Z = Z(x, y, z) – непрерывно

дифференцируемые в области G функции, тогда формула Остроградского-Гаусса запишется следующим образом (см.

формулу(2.23)):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JG

G

 

∂X (x, y, z)

 

∂Y(x, y, z)

 

∂Z(x, y, z)

 

 

 

∫∫(F(M ) n(M ))dq

= ∫∫∫

+

+

dxdydz.

(2.30)

Q+

 

Ω

∂x

 

∂y

 

∂z

 

 

 

Выражение ∂X (x, y, z) +

∂Y(x, y, z)

+

∂Z(x, y, z)

называют дивергенцией

 

∂x

 

∂y

 

∂z

 

 

 

 

 

 

 

JJJJJG

JG

=

∂X (x, y, z)

+

∂Y(x, y, z)

+

∂Z(x, y, z) .

векторного поля F(M ) : divF(M )

 

 

 

 

 

∂x

 

∂y

 

∂z

 

Формулу Остроградского-Гаусса, в терминах векторного поля, можно

сформулировать следующим образом.

JJJJJJG

Поток векторного поля F(M ) через внешнюю замкнутую поверхность Q+

JG

равен тройному интегралу от дивергенции векторного поля divF(M ) по

пространственной области Ω, ограниченной этой поверхностью:

 

JG

G

JG

 

∫∫(F(M ) n(M ))dq = ∫∫∫divF(M )dxdydz.

(2.31)

Q+

 

Ω

 

Пример 2.7. С помощью формулы Остроградского – Гаусса вычислить

JJJJJJG

G

+ y2

G

G

поток векторного поля F(M ) = x2

i

j + z2

k через внешнюю сторону

89

замкнутой

 

поверхности Q ,

составленной из верхней части сферы

x2 + y2 + z

2

= R2 , z ≥ 0

и круга x2 + y2 ≤ R2 , z = 0 (рис.2.3.9).

Решение. Здесь область Ω – верхняя половина шара

x2 + y2 + z

2 ≤ R2 , z ≥ 0

. Дивергенция векторного поля

JG

 

∂X (x, y, z) + ∂Y(x, y, z)

+ ∂Z(x, y, z) = 2x + 2 y + 2z.

divF(M ) =

 

 

∂x

∂y

∂z

Рис.2.3.9

Используя формулу Остроградского-Гаусса (2.31) , получим, что поток PQ

JJJJJG

векторного поля F(M ) через внешнюю поверхность Q+ определяется

равенством:

 

G

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

JG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PQ = ∫∫(F(M ), n(M ))dq = ∫∫X (x, y, z)dydz +Y(x, y, z)dxdz + Z(x, y, z)dxdy =

Q+

 

 

 

 

Q+

G

 

 

 

 

 

 

 

= ∫∫x2dydz + y2dxdz + z2dxdy = ∫∫∫divF(M)dxdydz = 2∫∫∫(x + y + z)dxdydz =

Q+

 

 

 

 

 

Ω

 

Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = ρ cosϕsinθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = ρsinϕsinθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

z = ρ cosθ

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dxdydz = ρ2 sinθdρdϕdθ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ [0;2π],θ [0;π / 2], ρ [0; R]

 

 

 

 

 

 

= 22∫π dϕπ∫/ 2 dθ∫R (cosϕsinθ +sinϕsinθ + cosθ)ρ3 sinθdρ =

 

0

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

= 22∫π dϕπ∫/ 2

(cosϕsinθ +sinϕsinθ + cosθ)sinθdθ

ρ4

 

 

R

=

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

4

 

 

0

 

=

R

 

(cosϕ

+sinϕ) ∫ sin2 θdθ +

 

 

 

 

 

 

∫dϕ

∫ cosθ sinθdθ =

 

 

4

2π

 

 

π / 2

π / 2

 

 

 

 

 

2

0

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

90