- •Глава 2. Дифференциальная геометрия 15
- •1.1. Интеграл Римана на n-мерном промежутке
- •Кратный интеграл.
- •Теорема 1. Необходимое условие интегрируемости по Риману
- •Мера Лебега
- •Линейность
- •2. Аддитивность
- •3. Оценка интеграла
- •Критерий Дарбу интегрируемости функции по Риману. Верхние и нижние суммы Дарбу.
- •Лекция 2
- •1.2. Интеграл по множеству. Допустимые множества
- •Общие свойства интеграла
- •Лекция 3 Сведение кратного интеграла к повторному. Теорема Фубини
- •Замена переменных в кратном интеграле. Формула Грина.
- •Лекция 4 Геометрический смысл модуля якобиана отображения
- •1.3. Приложения кратных интегралов
- •Лекция 5
- •1.4. Несобственные кратные интегралы
- •Несобственные кратные интегралы от неотрицательных функций
- •Касательная к кривой
- •Длина кривой. Спрямляемая кривая. Натуральная параметризация
- •Основной трёхгранник кривой. Формулы Френе
- •Формулы Френе.
- •Геометрический смысл величин k и æ
- •Вид кривой вблизи произвольной точки
- •2.2. Поверхность в Евклидовом пространстве
- •Ориентация поверхности.
- •Край поверхности и его ориентация.
- •Согласование ориентации поверхности и её края
- •Касательное пространство к поверхности
- •Касательная к поверхности в
- •Площадь поверхности в Евклидовом пространстве
- •Алгебра кососимметрических форм
- •3.2. Дифференциальные формы
- •Координатная запись дифференциальной формы
- •3.3. Дифференциальные операторы векторного анализа. Их связь с дифференциальными формами
- •Перенос форм при отображениях
- •Координатная запись форм, возникающих при переносе.
- •Глава 4. Криволинейные и поверхностные интегралы.
- •4.1. Интегралы от формы работы, потока. Форма объёма
- •4.2. Интегралы I и II рода.
- •Общая формула Стокса
- •Глава 5. Элементы векторного анализа
- •5.1. Дифференциальные операции векторного анализа
- •5.2. Потенциальные поля
- •Замкнутые и точные формы
- •5.3. Соленоидальные поля
Общая формула Стокса
Если: - ориентированная кусочно-гладкая -мерная компактная поверхность с краем ,
в
задана гладкая
-форма
,
ориентация
согласована с ориентацией
,
То:
Док-во:
Проверим, что для
формула
действительно имеет место.
Поскольку на
(
-1)-форма
имеет вид
(суммирование
по
с
пропуском дифференциала
),
то достаточно доказать для каждого
слагаемого в отдельности. Пусть
Тогда
.
Теперь проведем выкладку:
Здесь
такой
же, только
-мерный
промежуток в
,
как и
в
;
кроме того, мы здесь переобозначили
переменные
Отображения
суть
параметризации соответственно верхней
и
нижней
граней
промежутка
,
ортогональных оси
.
Эти координаты на обеих гранях задают
один и тот же ориентирующий грань репер
отличающийся
от репера
пространства
отсутствием
вектора
.
Вектор
на
грани
является
внешней по отношению к
нормалью, как и вектор -
для
грани
.
Репер
переходит
в репер
пространства
после
перестановки
соседних векторов, т.е. совпадение или
несовпадение ориентации этих реперов
определяется знаком числа
(т.е.
не менять при нечетном
и менять при четном
).
Аналогичные рассуждения показывают,
что для грани
придется
взять поправочный коэффициент
к
ориентации, заданной предъявленной
параметризацией грани
.
Итак, последние два интеграла (вместе со стоящими при них коэффициентами) можно интерпретировать соответственно как интегралы от формы по граням и промежутка .
Теперь заметим, что на каждой из оставшихся
граней промежутка
постоянна
одна из координат
Значит, соответствующий ей дифференциал
тождественно равен нулю на такой грани.
Таким образом, форма
тождественно нулевая и интеграл от нее
равен нулю по всем граням, отличным от
,
.
Значит найденную выше сумму интегралов
по этим двум граням можно интерпретировать
как интеграл от формы
,
взятый по всему краю
промежутка
,
ориентированному согласованно с
ориентацией самого промежутка
.
Формула
,
а вместе с ней и формула
доказаны.
Замечание:
Если поверхность является кусочно-гладкой, т.е. состоит из гладких кусков размерности не выше , причём ориентация кусков согласована, то общая их часть проходится в разных направлениях, и таким образом интеграл по общей части =0.
Лекция 18
Глава 5. Элементы векторного анализа
5.1. Дифференциальные операции векторного анализа
1. Скалярные и векторные поля.
Опр.:
1)
- скалярное поле
2)
- векторное поле
3)
- поле форм
2. Связь между векторными полями и формами в
Утв.:
Если:
- ориентированное евклидово пространство,
- векторные поля,
То: полю
соответствует линейная (билинейная)
форма.
Док-во:
Утв.:
Задание в области
ориентированного евклидова пространства
дифференциальной формы эквивалентно
заданию в этой области векторных полей
и
.
Док-во:
Замечание: в случае скалярного поля:
3. Дифференциальные операторы градиент, ротор и дифергенция.
Опр.:
Внешнему дифференцированию 0,1,2 – форм в ориентированном евклидовом пространстве отвечают операции нахождения градиента скалярного поля и нахождения ротора и дивергенции векторных полей, определённых соотношениями:
Запись в декартовых координатах
1.
2.
3.
Формула Ньютона-Лейбница
Если:
То:
Формула Стокса
Если:
- векторное поле
- замкнутый контур
То:
где
Циркуляция векторного поля вдоль замкнутого контура равна потоку ротора этого векторного поля через поверхность, натянутую на данный контур.
Формула Остроградского-Гаусса
Если:
- компактная ориентированная область
ориентированного евклидова пространства
,
- край
,
- гладкое поле в
То:
Поток векторного поля через границу области равен интегралу от дивергенции этого поля по самой области.
Геометрическая интерпретация ротора и дивергенции
Дивергенция:
Если: - область задания поля
- диаметр
То:
а)
б)
в)
Физический смысл: дивергенция поля - средняя плотность распределения источников в области .
Ротор:
Если: - гладкое векторное поле,
- круг с центром в точке
,
- диаметр круга,
- единичная нормаль к плоскости круга.
То:
Физический смысл: ротор определяет мгновенную ось вращения угловую скорость и направление вращения.
Лекция 19
