- •§1. Скалярные и векторные поля.
- •§2. Поверхности и линии уровня.
- •§3. Производная по направлению скалярного поля.
- •Контрольное задание 2.
- •§4. Градиент скалярного поля.
- •Контрольное задание 3.
- •§5. Векторные линии поля.
- •Контрольное задание 4.
- •§6. Линейный интеграл векторного поля.
- •Формула Грина.
- •Контрольное задание 5.
- •§7. Потенциальное векторное поле.
- •Примеры потенциальных полей.
- •Контрольное задание 6.
- •§8. Поток векторного поля.
- •Контрольное задание 7.
- •§9. Дивергенция векторного поля. Соленоидальное векторное поле.
- •Формула Остроградского – Гаусса.
- •Контрольное задание 8.
- •§10. Ротор (вихрь) векторного поля. Формула Стокса.
- •Контрольное задание 9.
- •§11. Операторы Гамильтона и Лапласа.
- •Дифференциальные операции второго порядка.
- •Запись дифференциальных операций второго порядка в операторной форме.
- •Контрольное задание 10.
- •Ответы к контрольным заданиям.
- •Список литературы.
- •Оглавление.
- •Скалярные и векторные поля. 4
Контрольное задание 4.
Найти векторные линии поля:
1)
;
2)
;
3)
;
4)
.
§6. Линейный интеграл векторного поля.
Линейный интеграл
векторного поля – это криволинейный
интеграл второго рода. Вводится он
следующим образом. Пусть в области G
задано векторное поле
,
и в этом поле определена гладкая или
кусочно-гладкая ориентированная кривая
АВ.
Разобьём кривую АВ
на n
частей точками деления
по направлению от А
к В.
Радиус-вектор точки
обозначим
.
Вектор
.
Выберем произвольно на каждой частичной
дуге
точку
и вычислим значение поля
в них. Для всех
вычислим значения скалярного произведения
и составим сумму вида
.
Определение 6.
Линейным
интегралом векторного поля
вдоль дуги АВ
называется
предел (если он существует), к которому
стремится интегральная сумма
,
если наибольшая из длин частичных дуг
стремится к нулю, а число
элементарных
дуг n
неограниченно возрастает. Этот предел
обозначают символом
.
Т.е.
. (5)
При изменении
ориентации кривой интеграл меняет
знак:
.
Физический смысл выражения - это работа, произведённая силой при перемещении материальной точки от А к В по контуру L.
Линейный интеграл векторного поля вдоль замкнутой кривой (контура L) называется циркуляцией поля по замкнутому контуру при заданном направлении обхода контура и обозначается символом
Ц
(6)
(знак + обозначает, что контур обходится против часовой стрелки).
Пусть поле задано своими функциями-координатами: и . Тогда
. (7)
В правой части выражения (7) - криволинейный интеграл второго рода.
Для плоского поля
линейный
интеграл вычисляется по формуле:
. (8)
Линейный интеграл векторного поля вычисляется по обычным правилам вычисления криволинейного интеграла второго рода, т.е. преобразовывается в определённый. Для этого все переменные под знаком интеграла выражают через одну переменную, используя уравнение той линии, вдоль которой производится интегрирование.
Если векторное
поле задано в пространстве
,
а линия АВ
задана
параметрическими уравнениями
то
. (7.1)
Если линия АВ
задана
системой уравнений
то
. (7.2)
Для плоского
векторного поля
и линии АВ,
заданной параметрическими уравнениями
,
криволинейный интеграл вычисляется по
формуле:
, (8.1)
где
- значения параметра t,
соответствующие
начальной и конечной точкам пути
интегрирования.
Для дуги АВ,
заданной
уравнением
:
. (8.2)
Если линия АВ кусочно-гладкая, то следует воспользоваться свойством аддитивности криволинейного интеграла, разбив АВ на гладкие дуги.
Пример 10. Найти
работу векторного поля
при перемещении точки вдоль контура,
состоящего из части кривой
от
точки
до
и дуги эллипса
от точки
до
.
Р
Рисунок 6
Работа
(см. (8)).
Т. к. контур состоит
из двух частей, воспользуемся свойством
аддитивности криволинейного интеграла:
.
Сведём оба интеграла к определённым по
формулам (8.1) и (8.2).
Для вычисления интеграла по контуру ВС используем параметрическую форму записи уравнения эллипса.
.
Ответ:
.
Пример 11. Вычислить
циркуляцию векторного поля
вдоль части кривой Вивиани, заданной
пересечением полусферы
и цилиндра
,
пробегаемой
против часовой стрелки, если смотреть
с положительной части оси OX.
Решение.
Рисунок 7
.
Чтобы свести
подынтегральное выражение к одной
переменной, перейдём в цилиндрическую
систему координат:
.
Т.к. точка перемещается по кривой
,
то считаем параметром полярный угол
,
,
и получаем
следующие параметрические уравнения
этой кривой:
. Тогда
.
Подставим полученные выражения в формулу для вычисления циркуляции:
Ц
.
Учитывая свойства
интегралов по симметричному интервалу
от нечётных и чётных функций, получим:
,
и
Ц
.
Ответ:
Ц=
.
