- •IV. Общая схема построения интегралов.
- •IV. А Двойные и тройные интегралы.
- •1. Построение и вычисление двойных интегралов в декартовых прямоугольных координатах.
- •Измельчая дробление, ищем предел для (1), т.Е.
- •2. Перемена порядка интегрирования.
- •3. Замена переменных в двойном интеграле. Вычисление двойных интегралов в полярных координатах.
- •Пример 16.
- •4. Приложения двойного интеграла
- •Пример 19.
- •Пример 26.
- •Пример 27.
- •1. Построение. Вычисление тройных интегралов в декартовых прямоугольных координатах.
- •Пример 1.
- •Пример 2.
- •2. Вычисление тройных интегралов в криволинейных координатах.
- •3. Приложения тройного интеграла.
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •IV. В Криволинейные и поверхностные интегралы.
- •1. Криволинейные интегралы первого рода (по длине дуги) – кипр.
- •2. Криволинейные интегралы второго рода (по координатам) – кивр.
- •3. Формула Грина и ее применение.
- •4. Условия независимости криволинейных интегралов от формы пути интегрирования ( условия нпи).
- •5. Приложения криволинейных интегралов.
- •1. Поверхностные интегралы первого рода (по площади поверхности).
- •2. Односторонние и двусторонние поверхности.
- •Связь между поверхностными интегралами первого и второго рода.
- •Вычисление пивр
- •3. Формула Остроградского – (Гаусса).
- •4. Формула Стокса.
- •Задачи для самостоятельного решения.
- •В задачах 115 117 вычислить заданный криволинейный интеграл.
2. Криволинейные интегралы второго рода (по координатам) – кивр.
Пусть в пространстве Oxyz задана непрерывная кривая АВ, в точках которой определена произвольная функция P(x, y, z).
Проделаем 5 операций:
Разобьем кривую АВ на n частей точками М0, М1,…,Мn, следующими друг за другом в направлении от А к В (здесь точки М0, Мn означают, соответственно, А и В). Координаты точек Мk (k = 1, 2, …, n) обозначим через xk, yk, zk, а наибольшую из длин дуг Мk-1 Мk обозначим через .
На каждой дуге Мk-1 Мk (k = 1, 2, …, n) выберем произвольным образом по точке Nk(
)
и вычислим в них значения функции
Р(x,
y, z), т.е. найдем числа Р(
).Вычислим произведения Р(
)
(k
= 1, 2, …, n), где
=
xk
– xk-1.Найдем сумму
Р(
)
,
которую называют интегральной
суммой для функции P(x, y, z) на дуге АВ по
переменной х,
отвечающей данному дроблению дуги АВ
на части и выбору точек Nk
(
).Измельчая дробление, ищем предел
( 8)
Р(
)
.
Если
существует конечный предел ( 8), не
зависящий ни от способа дробления кривой
АВ на части, ни от выбора точек Nk(
)
(k = 1, 2, …, n), то этот предел называют
криволинейным
интегралом по переменной х от функции
Р(x, y, z) по кривой АВ в направлении от А
к В и обозначают
символом:
( 9)
Если на кривой АВ заданы функции Q(x, y, z) и R(x, y, z), то аналогичным образом можно определить криволинейные интегралы по кривой АВ в направлении от А к В по переменным y и z, соответственно, от функций Q(x, y, z) и R(x, y, z):
( 10)
( 11)
Сумму криволинейных интегралов ( 9), ( 10), ( 11) называют криволинейным интегралом второго рода по кривой АВ в направлении от А к В и обозначают:
( 12)
Рассмотрим основные свойства криволинейных интегралов вида ( 9) (криволинейные интегралы вида ( 10), ( 11), ( 12) обладают аналогичными свойствами), предполагая существующими все ниже встречающиеся интегралы.
При изменении направления на кривой криволинейный интеграл второго рода меняет знак на обратный:
Постоянный множитель в подынтегральной функции можно выносить за знак криволинейного интеграла:
Криволинейный интеграл от суммы двух функций равен сумме интегралов от этих функций:
Если кривая АВ разбита точкой С на две части АС и СВ, то криволинейный интеграл по всей кривой АВ равен сумме интегралов по ее частям:
Криволинейный интеграл по замкнутой кривой L не зависит от выбора начальной точки, а зависит только от направления обхода кривой.
К
риволинейный
интеграл по замкнутой кривой L
иногда обозначают символом
.
Направление обхода контура L
задается дополнительно. Если L
– замкнутая плоская
кривая без точек самопересечения,
лежащая, например, в плоскости Oxy,
то положительным
направлением обхода контура L
называется
такое направление обхода, при котором
движение происходит против часовой
стрелки, т.е. так, что ограниченная
контуром L
часть плоскости остается слева ( рис.
2). Противоположное направление обхода
контура называют отрицательным.
При отсутствии дополнительных указаний о направлении обхода плоского контура L обычно принимают положительное направление.
В заключение общих положений приведем формулу, устанавливающую связь между криволинейными интегралами первого и второго рода.
Пусть АВ – направленная пространственная кривая с началом в точке А и с концом в точке В. Будем касательной, проведенной в любой точке кривой АВ, присваивать направление, совпадающее с направлением кривой АВ. Обозначим через , , углы, которые образует положительное направление касательной в любой точке АВ, соответственно, с осями Ox, Oy, Oz. В этом случае имеют место равенства:
( 13)
И тогда
Заметим, что если изменить направление кривой, то не только интеграл слева изменит знак, но и интеграл справа тоже изменит знак, т.к. изменение направления касательной изменит углы , , на +.
Вычисление криволинейных интегралов второго рода сводится к вычислению определенных интегралов.
Специфика вычисления определяется, как и ранее, способом задания кривой интегрирования.
Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями
x
(
14)
где (t), (t), (t) – непрерывно дифференцируемые функции параметра t. Предположим, что точке А соответствует значение параметра t =, точке В соответствует t = , причем, изменению t от до соответствует движение точки М[(t); (t); (t)] по кривой АВ в направлении от А к В. Тогда, если функции P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) непрерывны, имеет место формула:
( 15)
Таким образом, для вычисления криволинейного интеграла второго рода по кривой АВ в направлении от А к В следует: используя параметрические уравнения ( 14) кривой АВ, заменить под знаком интеграла переменные x, y, z, а также их дифференциалы dx, dy, dz через параметр t, а затем вычислить от полученного выражения определенный интеграл по переменной t в пределах от до.
Е
( 16)
x = (t), y = (t), < t < ,
а функции P(x, y) и Q(x, y) непрерывны на АВ, то формула для вычисления криволинейного интеграла второго рода по кривой АВ имеет вид:
( 17)
Е
(
18)
y = f(x), a < x < b,
где f(x) – непрерывно дифференцируемая функция на [a, b] , то, принимая х за параметр, как частный случай формулы ( 17) получим формулу:
( 19)
где а = хнач, в = хкон.
Если различные участки контура заданы различными уравнениями, то нужно разбить контур интегрирования на соответствующие части и весь интеграл вычислять как сумму интегралов, взятых по этим частям.
При работе с интегралом второго рода особо следует помнить, что на линии, по которой он вычисляется, должно быть выбрано одно из двух возможных направлений.
Пример 7.
Вычислить интеграл
вдоль линии у= х2/2
от точки А(2;2) до В(0;0) (рис. 3).
Имеем случай явного задания плоской кривой уравнением у = у(х), поэтому данный интеграл второго рода может быть вычислен как определенный интеграл по формуле (19):
где хнач и хкон – абсциссы начальной и конечной точек.
Таким образом, имеем:
П
ример
8.
Вычислить
по верхней половине окружности
x2
+ (y-1)2
= 9, пробегаемой
по часовой стрелке.
И
з
уравнения в декартовых координатах
данной линии можно получить ее
параметрическое задание более удобное
для вычислений: x
= 3cost,
y
= 1 + 3sint,
0 <
t <
,
причем, начальной точке при заданном
условием направлении обхода соответствует
t
= ,
а конечной – t
= 0. Здесь удобно использовать формулу
( 17):
Рис. 4
И тогда
Пример 9.
Вычислить
– дуга параболы z
= x2
явное задание кривой, пробегаемая от
точки А (-1;1) до точки В (1;1) (рис. 5).
Т
ак
как z
= x2,
z’
= 2x
и при движении из точки А в точку В х
меняется от –1 до 1, то по формуле ( 19)
имеем:
Пример 10.
Вычислить
где L
– отрезок прямой, соединяющий точки
А(1;1;1) и В(2;3;4).
Уравнение прямой, проходящей через две данные точки, имеет вид:
или (так удобнее)
x
= t
+ 1, y
= 2t
+ 1, z
= 3t
+ 1.
При передвижении от точки А к точке В параметр t меняется от 0 до 1. По формуле (15) имеем:
