Izračunajte linijski integral spojne tačke. Proračun krivolinijskih integrala: teorija i primjeri. Pomoću formule nalazimo masu luka

Dom

Valoviti lim

Predavanje 5 Krivolinijski integrali 1. i 2. vrste, njihova svojstva..

Problem mase krive. Krivolinijski integral 1. vrste.

Problem mase krive. Neka se u svakoj tački glatke krive materijala L: (AB) specificira njena gustina. Odredite masu krive.

Postupimo na isti način kao što smo radili pri određivanju mase ravnog područja (dvostruki integral) i prostornog tijela (trostruki integral).

1. Organizujemo podjelu područja luka L na elemente - elementarne lukove tako da ti elementi nemaju zajedničke unutrašnje tačke i( stanje A )

3. Konstruirajte integralni zbir , gdje je dužina luka (obično se uvodi ista notacija za luk i njegovu dužinu). Ovo je približna vrijednost za masu krive. Pojednostavljenje je da smo pretpostavili da je gustoća luka konstantna na svakom elementu i uzeli konačan broj elemenata.

Kretanje do predviđene granice (stanje B ), dobijamo linijski integral prve vrste kao granica integralnih suma:

Teorema postojanja.

Neka je funkcija neprekidna na komadno glatkom luku L. Tada linearni integral prve vrste postoji kao granica integralnih suma.

Komentar. Ovo ograničenje ne zavisi od

Svojstva krivolinijskog integrala prve vrste.

1. Linearnost
a) svojstvo superpozicije

b) svojstvo homogenosti .

Dokaz. Zapišimo integralne sume za integrale na lijevoj strani jednakosti. Pošto integralni zbir ima konačan broj članova, prelazimo na integralne sume za desne strane jednakosti. Zatim prelazimo na granicu, koristeći teoremu o prelasku na granicu u jednakosti, dobivamo željeni rezultat.

2. Aditivnost.
Ako , To = +

3. Evo dužine luka.

4. Ako je nejednakost zadovoljena na luku, onda

Dokaz. Zapišimo nejednakost za integralne sume i prijeđimo na granicu.

Napominjemo da je to, posebno, moguće

5. Teorema procjene.

Ako postoje takve konstante, onda

Dokaz. Integracija nejednakosti (osobina 4), dobijamo . Svojstvom 1, konstante se mogu ukloniti iz integrala. Koristeći svojstvo 3, dobijamo željeni rezultat.

6. Teorema srednje vrijednosti(vrijednost integrala).

Postoji poenta , sta

Dokaz. Pošto je funkcija kontinuirana na zatvorenom ograničenom skupu, tada postoji njen infimum i gornju ivicu . Nejednakost je zadovoljena. Podijelimo obje strane sa L, dobijamo . Ali broj zatvorena između donje i gornje granice funkcije. Pošto je funkcija kontinuirana na zatvorenom ograničenom skupu L, onda u nekom trenutku funkcija mora uzeti ovu vrijednost. dakle, .

Proračun krivolinijskog integrala prve vrste.

Parametrizujmo luk L: AB x = x(t), y = y(t), z =z (t). Neka t 0 odgovara tački A, a t 1 tački B. Tada se linijski integral prve vrste svodi na definitivni integral ( - formula poznata iz 1. semestra za izračunavanje diferencijala dužine luka):

Primjer. Izračunajte masu jednog okreta homogene (gustine jednake k) spirale: .

Krivolinijski integral 2. vrste.

Problem rada sile.

Koliki rad proizvodi sila?F(M) prilikom pomicanja tačkeMduž lukaAB?

Ako je luk AB pravac, a sila je konstantna po veličini i smjeru pri pomicanju točke M duž luka AB, tada bi se rad mogao izračunati korištenjem formule , gdje je ugao između vektora. U opštem slučaju, ova formula se može koristiti za konstruisanje integralne sume, uz pretpostavku konstantne sile na elementu luka dovoljno male dužine. Umjesto dužine malog elementa luka, možete uzeti dužinu tetive koja ga sažima, jer su ove količine ekvivalentne beskonačno male količine pod uslovom (prvi semestar).

1. Organizujemo podjelu područja-luka AB na elemente - elementarne lukove tako da ti elementi nemaju zajedničke unutrašnje tačke i( stanje A )

2. Označimo "označene tačke" M i na elementima particije i izračunajmo vrijednosti funkcije u njima

3. Konstruirajmo integralni zbir , gdje je vektor usmjeren duž tetive koja se savija od -luka .

4. Ići do predviđenog limita (stanje B ), dobijamo krivolinijski integral druge vrste kao granicu integralnih suma (i rada sile):

. Često se označava

Teorema postojanja.

Neka je vektorska funkcija neprekidna na komadno glatkom luku L. Tada krivolinijski integral druge vrste postoji kao granica integralnih suma.

Komentar. Ovo ograničenje ne zavisi od

Metoda za izbor particije, sve dok je uslov A zadovoljen

Odabirom “označenih tačaka” na elementima particije,

Metoda za pročišćavanje particije, sve dok je uslov B zadovoljen

Svojstva krivolinijskog integrala 2. vrste.

1. Linearnost
a) svojstvo superpozicije

b) svojstvo homogenosti .

Dokaz. Zapišimo integralne sume za integrale na lijevoj strani jednakosti. Pošto je broj članova u integralnom zbiru konačan, koristeći svojstvo skalarnog proizvoda, prelazimo na integralne sume za desne strane jednakosti. Zatim prelazimo na granicu, koristeći teoremu o prelasku na granicu u jednakosti, dobivamo željeni rezultat.

2. Aditivnost.
Ako , To = + .

Dokaz. Odaberimo particiju regiona L tako da nijedan od elemenata particije (u početku i prilikom prečišćavanja particije) ne sadrži istovremeno i elemente L 1 i elemente L 2 . To se može učiniti korištenjem teoreme postojanja (primjedba na teoremu). Zatim se dokazivanje vrši kroz integralne zbrojeve, kao u stavu 1.

3. Orijentabilnost.

= -

Dokaz. Integral nad lukom –L, tj. u negativnom smjeru prelaska luka postoji ograničenje integralnih suma u čijim terminima postoji (). Uzimajući „minus” iz skalarnog proizvoda i iz zbira konačnog broja članova i prelazeći na granicu, dobijamo traženi rezultat.

Krivolinijski integral 2. vrste izračunava se na isti način kao krivolinijski integral 1. vrste redukcijom na definitivan. Da bi se to postiglo, sve varijable pod predznakom integrala se izražavaju kroz jednu varijablu, koristeći jednadžbu linije duž koje se vrši integracija.

a) Ako je linija AB je tada zadan sistemom jednačina

(10.3)

Za ravan slučaj, kada je kriva data jednadžbom krivolinijski integral se izračunava pomoću formule: . (10.4)

Ako je linija AB je tada dat parametarskim jednadžbama

(10.5)

Za ravno kućište, ako je linija AB dato parametarskim jednadžbama , krivolinijski integral se izračunava po formuli:

, (10.6)

gdje su vrijednosti parametara t, koji odgovaraju početnoj i krajnjoj tački puta integracije.

Ako je linija AB komadno glatko, onda bismo trebali koristiti svojstvo aditivnosti krivolinijskog integrala cijepanjem AB na glatkim lukovima.

Primjer 10.1 Izračunajmo krivolinijski integral duž konture koja se sastoji od dijela krive iz tačke to i lukovi elipse od tačke to .

Budući da se kontura sastoji od dva dijela, koristimo svojstvo aditivnosti krivolinijskog integrala:

. Svedujmo oba integrala na definitivne. Dio konture je dat jednadžbom u odnosu na varijablu

. Koristimo formulu (10.4 ), u kojem mijenjamo uloge varijabli. One.

. Nakon obračuna dobijamo .

Za izračunavanje konturnog integrala Ned Pređimo na parametarski oblik pisanja jednadžbe elipse i koristimo formulu (10.6).

Obratite pažnju na granice integracije. Poenta odgovara vrijednosti i točki odgovara odgovor:
.

Primjer 10.2. Izračunajmo duž pravocrtnog segmenta AB, Gdje A(1,2,3), B(2,5,8).

Rješenje. Dat je krivolinijski integral 2. vrste. Da biste ga izračunali, morate ga pretvoriti u određeni. Sastavimo jednačine prave. Njegov vektor smjera ima koordinate .

Kanonske jednadžbe prave AB: .

Parametarske jednadžbe ove linije: ,

At
.

Koristimo formulu (10.5) :

Nakon izračunavanja integrala, dobijamo odgovor: .

5. Rad sile pri kretanju materijalna tačka jedinične mase od tačke do tačke duž krive .

Neka u svakoj tački glatke krivulje dat je vektor koji ima kontinuirane koordinatne funkcije: . Razbijmo ovu krivu na male dijelove sa tačkama tako da na tačkama svakog dijela značenje funkcija
može se smatrati konstantnim, a sam dio može se zamijeniti za pravi segment (vidi sliku 10.1). Onda . Skalarni proizvod konstantne sile, čiju ulogu igra vektor , po pravolinijskom vektoru pomaka numerički je jednak radu sile pri pomicanju materijalne točke duž . Napravimo integralni zbir . U limitu, sa neograničenim povećanjem broja particija, dobijamo krivolinijski integral 2. vrste

. (10.7) Dakle, fizičko značenje krivolinijskog integrala 2. vrste - ovo je rad na silu prilikom pomeranja materijalne tačke iz A To IN duž konture L.

Primjer 10.3. Izračunajmo rad vektora kada pomičemo tačku duž dijela Vivijanijeve krive definirane kao sjecište hemisfere i cilindar , u smjeru suprotnom od kazaljke na satu kada se gleda s pozitivnog dijela ose OX.

Rješenje. Konstruirajmo datu krivu kao liniju presjeka dvije površine (vidi sliku 10.3).

Da bismo sveli integrand na jednu varijablu, idemo na cilindrični sistem koordinate: .

Jer tačka se kreće duž krive , tada je zgodno odabrati kao parametar varijablu koja se mijenja duž konture tako da . Tada dobijamo sledeće parametarske jednačine ove krive:

.Istovremeno
.

Zamijenimo rezultirajuće izraze u formulu za izračunavanje cirkulacije:

( - znak + označava da se tačka kreće duž konture suprotno od kazaljke na satu)

Izračunajmo integral i dobijemo odgovor: .

Lekcija 11.

Greenova formula za jednostavno povezan region. Nezavisnost krivolinijskog integrala od puta integracije. Newton-Leibnizova formula. Pronalaženje funkcije iz njenog ukupnog diferencijala korištenjem krivolinijskog integrala (ravni i prostorni slučajevi).

OL-1 poglavlje 5, OL-2 poglavlje 3, OL-4 poglavlje 3 § 10, klauzula 10.3, 10.4.

Vježbajte : OL-6 br. 2318 (a, b, d), 2319 (a, c), 2322 (a, d), 2327, 2329 ili OL-5 br. 10.79, 82, 133, 135, 139.

Izgradnja kuće za lekciju 11: OL-6 br. 2318 (c, d), 2319 (c, d), 2322 (b, c), 2328, 2330 ili OL-5 br. 10.80, 134, 136, 140

Greenova formula.

Pustite u avion zadana jednostavno povezana domena omeđena komadično glatkom zatvorenom konturom. (Oblast se naziva jednostavno povezanom ako se bilo koja zatvorena kontura u njoj može skupiti na tačku u ovoj regiji).

Teorema. Ako funkcije i njihove parcijalne derivate G, To

Slika 11.1

- Greenova formula . (11.1)

Označava pozitivan smjer premosnice (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu).

Primjer 11.1. Koristeći Greenovu formulu, izračunavamo integral duž konture koja se sastoji od segmenata O.A., O.B. i veći luk kružnice , spajanje tačaka A I B, Ako , , .

Rješenje. Napravimo konturu (vidi sliku 11.2). Izračunajmo potrebne derivate.

Slika 11.2

;

. Funkcije i njihovi derivati su kontinuirani u zatvorenom području ograničenom datom konturom. Prema Greenovoj formuli, ovaj integral je .

Nakon zamjene izračunatih derivata dobijamo

. Dvostruki integral izračunavamo prelaskom na polarne koordinate:
.

Provjerimo odgovor izračunavanjem integrala direktno duž konture kao krivolinijskog integrala 2. vrste.
.

Odgovori:
.

2. Nezavisnost krivolinijskog integrala od puta integracije.

Neka I - proizvoljne tačke jednostavno povezane regije pl. . Krivolinijski integrali izračunati iz različitih krivulja koje povezuju ove tačke uglavnom imaju različita značenja. Ali ako su ispunjeni određeni uvjeti, sve ove vrijednosti mogu se pokazati istim. Tada integral ne zavisi od oblika putanje, već zavisi samo od početne i krajnje tačke.

Važe sljedeće teoreme.

Teorema 1. Da bi integral
nije zavisio od oblika putanje koja povezuje tačke i , potrebno je i dovoljno da ovaj integral duž bilo koje zatvorene konture bude jednak nuli.

Teorema 2.. Da bi integral
duž bilo koje zatvorene konture jednaka je nuli, potrebno je i dovoljno da funkcija i njihove parcijalne derivate bile kontinuirane u zatvorenom prostoru G i tako da je uslov ( 11.2)

Dakle, ako su ispunjeni uslovi da integral bude nezavisan od oblika putanje (11.2) , tada je dovoljno navesti samo početnu i krajnju tačku: (11.3)

Teorema 3. Ako je uvjet zadovoljen u jednostavno povezanoj regiji, onda postoji funkcija takav da . (11.4)

Ova formula se zove formula Newton–Leibniz za linijski integral.

Komentar. Podsjetimo da je jednakost neophodan i dovoljan uslov za činjenicu da je izraz
.

Tada iz gornjih teorema slijedi da ako su funkcije i njihove parcijalne derivate kontinuirano u zatvorenom prostoru G, u kojem su dati bodovi I , i , zatim

a) postoji funkcija , takav da ,

ne zavisi od oblika staze, ,

c) formula vrijedi Newton–Leibniz .

Primjer 11.2. Uvjerimo se da je integral
ne zavisi od oblika putanje, i hajde da ga izračunamo.

Rješenje. .

Slika 11.3

Provjerimo da je uslov (11.2) zadovoljen.

. Kao što vidimo, uslov je ispunjen. Vrijednost integrala ne zavisi od puta integracije. Hajde da izaberemo put integracije. Većina

jednostavan način izračunavanja je izlomljena linija DIA, povezujući početnu i završnu tačku putanje. (Vidi sliku 11.3)

Onda .

3. Pronalaženje funkcije po njenom totalnom diferencijalu.

Koristeći krivolinijski integral, koji ne ovisi o obliku putanje, možemo pronaći funkciju , znajući njegov puni diferencijal. Ovaj problem se rješava na sljedeći način.

Ako funkcije i njihove parcijalne derivate kontinuirano u zatvorenom prostoru G i , tada je izraz puni diferencijal neka funkcija . Osim toga, integral
, prvo, ne zavisi od oblika putanje i, drugo, može se izračunati pomoću Newton–Leibnizove formule.

Hajde da izračunamo
na dva načina.

Slika 11.4

a) Odaberite tačku u regiji

sa određenim koordinatama i tačkom sa proizvoljnim koordinatama. Izračunajmo krivolinijski integral duž izlomljene linije koja se sastoji od dva segmenta koji spajaju ove tačke, pri čemu je jedan od segmenata paralelan sa osi, a drugi sa osom. Onda . (Vidi sliku 11.4)

Jednačina.

Dobijamo: Nakon izračunavanja oba integrala, dobijamo neku funkciju u odgovoru.

b) Sada izračunavamo isti integral koristeći Newton–Leibniz formulu.

Sada uporedimo dva rezultata izračunavanja istog integrala. Funkcionalni dio odgovora u tački a) je tražena funkcija , a numerički dio je njegova vrijednost u tački .

Primjer 11.3. Uvjerimo se da je izraz
je ukupni diferencijal neke funkcije i naći ćemo je. Provjerimo rezultate izračunavanja primjera 11.2 koristeći Newton-Leibniz formulu.

Rješenje. Uslov za postojanje funkcije (11.2) je provjereno u prethodnom primjeru. Nađimo ovu funkciju, za koju ćemo koristiti sliku 11.4, i uzeti za tačka . Sastavimo i izračunajmo integral duž izlomljene linije DIA, Gdje :

Kao što je gore spomenuto, funkcionalni dio rezultirajućeg izraza je željena funkcija
.

Provjerimo rezultat proračuna iz primjera 11.2 koristeći Newton–Leibniz formulu:

Rezultati su bili isti.

Komentar. Sve navedene tvrdnje su takođe tačne za prostorni slučaj, ali uz dosta uslova.

Neka glatka kriva pripada regiji u prostoru . Zatim, ako su funkcije i njihove parcijalne derivacije kontinuirane u zatvorenom području u kojem su date tačke i , i
(11.5 ), To

a) izraz je totalni diferencijal neke funkcije ,

b) krivolinijski integral ukupnog diferencijala neke funkcije ne zavisi od oblika staze i ,

c) formula vrijedi Newton–Leibniz .(11.6 )

Primjer 11.4. Uvjerimo se da je izraz totalni diferencijal neke funkcije i naći ćemo je.

Rješenje. Odgovoriti na pitanje da li je dati izraz potpuni diferencijal neke funkcije , izračunajmo parcijalne izvode funkcija, , . (cm. (11.5) ) ; ; ; ; ; .

Ove funkcije su kontinuirane zajedno sa svojim parcijalnim derivatima u bilo kojoj tački prostora.

Vidimo da su neophodni i dovoljni uslovi za postojanje zadovoljeni : , , , itd.

Za izračunavanje funkcije Iskoristimo činjenicu da linearni integral ne ovisi o putu integracije i da se može izračunati korištenjem Newton-Leibnizove formule. Pusti poentu - početak puta, i neka tačka - kraj puta . Izračunajmo integral

duž konture koja se sastoji od ravnih segmenata paralelnih sa koordinatnim osa. (vidi sliku 11.5).

Slika 11.5

Jednačine konturnih dijelova: ,

Onda

, x popravljeno ovde, dakle ,

Snimljeno ovdje y, Zato .

Kao rezultat dobijamo: .

Sada izračunajmo isti integral koristeći Newton-Leibniz formulu.

Uporedimo rezultate: .

Iz rezultirajuće jednakosti slijedi da, i

Lekcija 12.

Površinski integral prve vrste: definicija, osnovna svojstva. Pravila za izračunavanje površinskog integrala prve vrste pomoću dvostrukog integrala. Primene površinskog integrala prve vrste: površina, masa materijalne površine, statički momenti oko koordinatnih ravni, momenti inercije i koordinate centra gravitacije. OL-1 pog.6, OL 2 pogl.3, OL-4§ 11.

Vježbajte: OL-6 br. 2347, 2352, 2353 ili OL-5 br. 10.62, 65, 67.

Domaći zadatak za lekciju 12:

OL-6 br. 2348, 2354 ili OL-5 br. 10.63, 64, 68.

1. vrsta.

1.1.1. Definicija krivolinijskog integrala 1. vrste

Pustite u avion Oxy zadata kriva (L). Neka za bilo koju tačku na krivulji (L) odlučan kontinuirana funkcija f(x;y). Hajde da prekinemo luk AB linije (L) tačke A=P 0, P 1, P n = B on n proizvoljnih lukova P i -1 P i sa dužinama ( i = 1, 2, n) (Sl. 27)

Odaberimo na svakom luku P i -1 P i proizvoljna tačka M i (x i ; y i) , izračunajmo vrijednost funkcije f(x;y) u tački M i. Napravimo integralni zbir

Neka gde.

λ→0 (n→∞), nezavisno od metode particionisanja krivulje ( L) do elementarnih dijelova, niti od izbora bodova M i krivolinijski integral 1. vrste od funkcije f(x;y)(krivolinijski integral duž dužine luka) i označimo:

Komentar. Definicija krivolinijskog integrala funkcije uvodi se na sličan način f(x;y;z) duž prostorne krive (L).

Fizičko značenje krivolinijski integral 1. vrste:

Ako (L)- ravna kriva sa linearnom ravninom, tada se masa krive nalazi po formuli:

1.1.2. Osnovna svojstva krivolinijskog integrala 1. vrste:

3. Ako je put integracije razbijen na dijelove takve da, i imaju jedan zajednička tačka, To .

4. Krivolinijski integral 1. vrste ne zavisi od pravca integracije:

5. , gdje je dužina krive.

1.1.3. Proračun krivolinijskog integrala 1. vrste.

Proračun krivolinijskog integrala svodi se na izračunavanje određenog integrala.

1. Neka krivulja (L) je dato jednadžbom . Onda

To jest, diferencijal luka se izračunava pomoću formule.

Primjer

Izračunajte masu pravolinijskog segmenta iz tačke A(1;1) do tačke B(2;4), Ako .

Rješenje

Jednadžba prave koja prolazi kroz dvije tačke: .

Tada jednačina prave ( AB): , .

Nađimo derivat.

Onda . = .

2. Pustite krivu (L) specificirano parametarski: .

Zatim, to jest, diferencijal luka se izračunava pomoću formule.

Za prostorni slučaj specificiranja krive: Zatim

To jest, diferencijal luka se izračunava pomoću formule.

Primjer

Pronađite dužinu luka krive, .

Rješenje

Dužinu luka nalazimo pomoću formule: .

Da bismo to učinili, nalazimo diferencijalni luk.

Nađimo derivacije , , . Zatim dužina luka: .

3. Pustite krivu (L) navedeno u polarnom koordinatnom sistemu: . Onda

To jest, diferencijal luka će se izračunati pomoću formule.

Primjer

Izračunajte masu linijskog luka, 0≤ ≤ ako .

Rješenje

Pronalazimo masu luka koristeći formulu:

Da bismo to učinili, pronađimo diferencijal luka.

Nađimo derivat.

1.2. Krivolinijski integral 2. vrste

1.2.1. Definicija krivolinijskog integrala 2. vrste

Pustite u avion Oxy data krivulja (L). Pusti (L) data je kontinuirana funkcija f(x;y). Hajde da prekinemo luk AB linije (L) tačke A = P 0 , P 1 , P n = B u pravcu od tačke A do tačke IN on n proizvoljnih lukova P i -1 P i sa dužinama ( i = 1, 2, n) (Sl. 28).

Odaberimo na svakom luku P i -1 P i proizvoljna tačka M i (x i ; y i), izračunajmo vrijednost funkcije f(x;y) u tački M i. Hajde da napravimo integralni zbir, gde je - dužina projekcije luka P i -1 P i po osi Oh. Ako se smjer kretanja duž projekcije poklapa sa pozitivnim smjerom ose Oh, tada se razmatra projekcija lukova pozitivno, inače - negativan.

Neka gde.

Ako postoji ograničenje na integralni zbir na λ→0 (n→∞), nezavisno od metode particionisanja krivulje (L) na elementarne dijelove, niti od izbora bodova M i u svakom elementarnom dijelu, tada se zove ova granica krivolinijski integral 2. vrste od funkcije f(x;y)(krivolinijski integral preko koordinata X) i označavaju:

Komentar. Krivolinijski integral preko y koordinate se uvodi na sličan način:

Komentar. Ako (L) je zatvorena kriva, tada se označava integral nad njom

Komentar. Ako je uključen ( L) tri funkcije su date odjednom i iz ovih funkcija postoje integrali , , ,

tada se poziva izraz: + + opšti krivolinijski integral 2. vrste i zapiši:

1.2.2. Osnovna svojstva krivolinijskog integrala 2. vrste:

3. Kada se promijeni smjer integracije, krivolinijski integral 2. vrste mijenja svoj predznak.

4. Ako je put integracije podijeljen na dijelove tako da , i imaju jednu zajedničku točku, onda

5. Ako je kriva ( L) leži u ravni:

Okomita osa Oh, tada =0;

Okomita osa Oy, To ;

Okomita osa Oz, tada =0.

6. Krivolinijski integral 2. vrste nad zatvorenom krivom ne zavisi od izbora početne tačke (zavisi samo od smera prelaska krive).

1.2.3. Fizičko značenje krivolinijskog integrala 2. vrste.

Posao A sile pri pomeranju materijalne tačke jedinične mase iz tačke M do tačke N uz ( MN) je jednako:

1.2.4. Proračun krivolinijskog integrala 2. vrste.

Proračun krivolinijskog integrala 2. vrste svodi se na izračunavanje određenog integrala.

1. Neka kriva ( L) je dat jednadžbom .

Primjer

Izračunaj gdje ( L) - isprekidana linija OAB: O(0;0), A(0;2), B(2;4).

Rješenje

Pošto (sl. 29), onda

1) Jednačina (OA): , ,

2) Jednačina prave (AB): .

2. Pustite krivu (L) specificirano parametarski: .

Komentar. U prostornom slučaju:

Primjer

Izračunaj

Gdje ( AB)- segment from A(0;0;1) to B(2;-2;3).

Rješenje

Nađimo jednačinu prave ( AB):

Pređimo na parametarsko snimanje jednačine prave linije (AB). Onda .

Poenta A(0;0;1) odgovara parametru t jednako: dakle t=0.

Poenta B(2;-2;3) odgovara parametru t, jednako: dakle, t=1.

Kada se krećete iz A To IN,parametar t mijenja se od 0 do 1.

1.3. Greenova formula. L) uklj. M(x;y;z) sa osovinama Ox, Oy, Oz

odjel" Viša matematika»

Krivolinijski integrali

Smjernice

Volgograd

UDK 517.373(075)

Recenzent:

Viši predavač Odsjeka za primijenjenu matematiku N.I. Koltsova

Objavljuje se odlukom uređivačko-izdavačkog vijeća

Volgogradski državni tehnički univerzitet

Krivolinijski integrali: metod. upute / komp. M.I. Andreeva,

O.E. Grigorieva; Volga State Technical University. – Volgograd, 2011. – 26 str.

Smjernice su vodič za rješavanje pojedinačnih zadataka na temu „Krivilinearni integrali i njihove primjene na teoriju polja“.

Prvi dio smjernica sadrži neophodan teorijski materijal za rješavanje pojedinačnih zadataka.

U drugom dijelu se ispituju primjeri obavljanja svih vrsta zadataka uključenih u pojedinačne zadatke na temu, što doprinosi boljoj organizaciji. samostalan rad učenika i uspješno savladavanje teme.

Smjernice su namijenjene studentima prve i druge godine.

tehnički univerzitet, 2011

KRIVILINIJSKI INTEGRAL 1. VRSTE

Definicija krivolinijskog integrala 1. vrste

Neka È AB– luk ravni ili prostorna komadno glatka kriva L, f(P) je kontinuirana funkcija definirana na ovom luku, A 0 = A, A 1 , A 2 , …, A n – 1 , A n = B AB I P i– proizvoljne tačke na parcijalnim lukovima È A i – 1 A i, čije su dužine D l i (i = 1, 2, …, n

at n® ¥ i max D l i® 0, što ne zavisi od metode particionisanja luka È AB tačke A i, niti iz izbora bodova P i na parcijalnim lukovima È A i – 1 A i (i = 1, 2, …, n). Ova granica se naziva krivolinijski integral prve vrste funkcije f(P) duž krivine L i određen je

Proračun krivolinijskog integrala 1. vrste

Proračun krivolinijskog integrala 1. vrste može se svesti na izračunavanje određenog integrala pri na različite načine postavljanje krive integracije.

Ako je luk È AB ravna kriva je parametarski data jednadžbama gdje x(t) I y(t t, i x(t 1) = x A, x(t 2) = x B, To

Gdje - diferencijal dužine luka krive.

Slična formula vrijedi u slučaju parametarske specifikacije prostorne krive L. Ako je luk È AB krivo L je dato jednadžbama , i x(t), y(t), z(t) – kontinuirano diferencirane funkcije parametra t, To

gdje je diferencijal dužine luka krive.

V Kartezijanske koordinate

Ako je luk È AB ravna kriva L dato jednačinom Gdje y(x

a formula za izračunavanje krivolinijskog integrala je:

Prilikom specificiranja luka È AB ravna kriva L u formi x= x(y), y Î [ y 1 ; y 2 ],
Gdje x(y) je kontinuirano diferencibilna funkcija,

a krivolinijski integral se izračunava po formuli

(1.4)

Određivanje krivulje integracije polarnom jednačinom

Ako je kriva ravna L je dat jednadžbom u polarnom koordinatnom sistemu r = r(j), j O , gdje r(j) je, dakle, kontinuirano diferencibilna funkcija

(1.5)

Primjena krivolinijskog integrala 1. vrste

Koristeći krivolinijski integral 1. vrste, izračunava se: dužina luka krive, površina dijela cilindrična površina, masa, statički momenti, momenti inercije i koordinate težišta materijalne krive sa datom linearnom gustinom.

1. Dužina l ravna ili prostorna kriva L nalazi se po formuli

2. Površina dijela cilindrične površine paralelne osi OZ generatrisa i nalazi se u ravni XOY vodič L, zatvoren između aviona XOY i površinu datu jednadžbom z = f(x; y) (f(P) ³ 0 at P Î L), jednako je

(1.7)

3. Težina m materijalna kriva L sa linearnom gustinom m( P) određuje se formulom

(1.8)

4. Statički momenti u odnosu na ose Ox I Oy i koordinate centra gravitacije ravne materijalne krive L sa linearnom gustinom m( x; y) su respektivno jednaki:

(1.9)

5. Statički momenti o avionima Oxy, Oxz, Oyz i koordinate težišta prostorne materijalne krive s linearnom gustinom m( x; y; z) određuju se formulama:

(1.11)

6. Za ravnu krivu materijala L sa linearnom gustinom m( x; y) momenti inercije oko osi Ox, Oy i ishodište koordinata su respektivno jednaki:

(1.13)

7. Momenti inercije prostorne materijalne krive L sa linearnom gustinom m( x; y; z) u odnosu na koordinatne ravni izračunavaju se pomoću formula

(1.14)

a momenti inercije oko koordinatnih osa jednaki su:

(1.15)

2. KRIVILINIJSKI INTEGRAL 2. VRSTE

Definicija krivolinijskog integrala 2. vrste

Neka È AB– luk komadno glatke orijentisane krive L, = (a x(P); a y(P); a z(P)) – definiran na ovom luku je kontinuiran vektorska funkcija, A 0 = A, A 1 , A 2 , …, A n – 1 , A n = B– proizvoljno razdvajanje luka AB I P i– proizvoljne tačke na parcijalnim lukovima A i – 1 A i. Neka je vektor sa koordinatama D x i,D y i,D z i(i = 1, 2, …, n), i skalarni je proizvod vektora i ( i = 1, 2, …, n). Tada postoji granica niza integralnih suma

at n® ¥ i max ÷ ç ® 0, što ne zavisi od načina dijeljenja luka AB tačke A i, niti iz izbora bodova P i na parcijalnim lukovima È A i – 1 A i
(i = 1, 2, …, n). Ova granica se naziva krivolinijski integral druge vrste funkcije ( P) duž krivine L i određen je

U slučaju kada je vektorska funkcija specificirana na ravnoj krivulji L, na sličan način imamo:

Kada se promijeni smjer integracije, krivolinijski integral 2. vrste mijenja predznak.

Krivolinijski integrali prve i druge vrste povezani su relacijom

(2.2)

gdje je jedinični vektor tangente na orijentisanu krivu.

Koristeći krivolinijski integral 2. vrste, možete izračunati rad sile pri pomicanju materijalne točke duž luka krive L:

Pozitivan smjer prelaska zatvorene krive SA, ograničavajući jednostavno povezanu regiju G, razmatra se pomicanje u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Krivolinijski integral 2. vrste nad zatvorenom krivom WITH naziva se cirkulacija i označava se

(2.4)

Proračun krivolinijskog integrala 2. vrste

Proračun krivolinijskog integrala 2. vrste svodi se na izračunavanje određenog integrala.

Parametrijska definicija integracijske krive

Ako je È AB orijentisana ravna kriva je parametarski data jednadžbama gdje X(t) I y(t) – kontinuirano diferencirane funkcije parametra t, a zatim

Slična formula se dešava u slučaju parametarske specifikacije prostorno orijentisane krive L. Ako je luk È AB krivo L je dato jednadžbama , i – kontinuirano diferencirane funkcije parametra t, To

Eksplicitno specificiranje ravne integracijske krive

Ako je luk È AB L je dato u kartezijanskim koordinatama jednadžbom gdje y(x) je dakle kontinuirano diferencibilna funkcija

(2.7)

Prilikom specificiranja luka È AB ravni orijentisana kriva L u formi
x= x(y), y Î [ y 1 ; y 2 ], gdje x(y) je kontinuirano diferencibilna funkcija, formula je važeća

(2.8)

Neka funkcije su kontinuirani zajedno sa svojim derivatima

u ravnom zatvorenom prostoru G, omeđen komadično glatkom zatvorenom samodisjunktnom pozitivno orijentiranom krivom WITH+ . Tada vrijedi Greenova formula:

Neka G– površinsko jednostavno povezano područje, i

= (a x(P); a y(P); a z(P))

– vektorsko polje navedeno u ovoj oblasti. Polje ( P) se naziva potencijalnim ako takva funkcija postoji U(P), Šta

(P) = grad U(P),

Neophodan i dovoljno stanje potencijal vektorskog polja ( P) ima oblik:

trulež( P) = , gdje je (2.10)

(2.11)

Ako je vektorsko polje potencijalno, onda krivolinijski integral 2. vrste ne zavisi od integracione krive, već zavisi samo od koordinata početka i kraja luka M 0 M. Potencijal U(M) vektorskog polja određena je do konstantnog člana i nalazi se po formuli

(2.12)

Gdje M 0 M– proizvoljna kriva koja povezuje fiksnu tačku M 0 i varijabilna točka M. Da bi se pojednostavili proračuni, kao put integracije može se odabrati isprekidana linija M 0 M 1 M 2 M sa vezama paralelnim s koordinatnim osama, na primjer:

3. primjeri izvršavanja zadataka

Zadatak 1

Izračunajte krivolinijski integral prve vrste

gdje je L luk krive, 0 ≤ x ≤ 1.

Rješenje. Koristeći formulu (1.3) za redukciju krivolinijskog integrala prve vrste na definitivni integral u slučaju glatke ravni eksplicitno definirane krive:

Gdje y = y(x), x 0 ≤ x ≤ x 1 – lučna jednačina L kriva integracije. U primjeru koji se razmatra Pronađite izvod ove funkcije

i diferencijal dužine luka krive L

zatim, zamenjujući ovaj izraz umjesto y, dobijamo

Transformirajmo krivolinijski integral u definitivni integral:

Ovaj integral izračunavamo supstitucijom. Onda
t 2 = 1 + x, x = t 2 – 1, dx = 2t dt; at x = 0 t= 1; A x= 1 odgovara . Nakon transformacija dobijamo

Zadatak 2

Izračunajte krivolinijski integral 1. vrste duž luka L krivo L:x= cos 3 t, y= greh 3 t, .

Rješenje. Jer L je luk glatke ravne krive, dat u parametarskom obliku, onda koristimo formulu (1.1) za svođenje krivolinijskog integrala 1. vrste na definitivan:

U primjeru koji se razmatra

Nađimo diferencijal dužine luka

Pronađene izraze zamjenjujemo u formulu (1.1) i izračunavamo:

Zadatak 3

Pronađite masu luka linije L sa linearnom ravninom m.

Rješenje. Težina m lukovi L sa gustinom m( P) se izračunava pomoću formule (1.8)

Ovo je krivolinijski integral 1. vrste nad parametarski definisanim glatkim lukom krive u prostoru, stoga se izračunava pomoću formule (1.2) za svođenje krivolinijskog integrala 1. vrste na definitivni integral:

Nađimo derivate

i diferencijal dužine luka

Zamjenjujemo ove izraze u formulu za masu:

Zadatak 4

Primjer 1. Izračunati krivolinijski integral 2. vrste

duž luka L kriva 4 x + y 2 = 4 od tačke A(1; 0) do tačke B(0; 2).

Rješenje. Ravni luk L je specificirano implicitno. Za izračunavanje integrala pogodnije je izraziti x kroz y:

i pronađite integral koristeći formulu (2.8) za transformaciju krivolinijskog integrala 2. vrste u definitivni integral nad promjenljivom y:

Gdje a x(x; y) = xy – 1, a y(x; y) = xy 2 .

Uzimajući u obzir specifikaciju krive

Koristeći formulu (2.8) dobijamo

Primjer 2. Izračunati krivolinijski integral 2. vrste

Gdje L– isprekidana linija ABC, A(1; 2), B(3; 2), C(2; 1).

Rješenje. Svojstvom aditivnosti krivolinijskog integrala

Svaki od integralnih članova izračunava se pomoću formule (2.7)

Gdje a x(x; y) = x 2 + y, a y(x; y) = –3xy.

Jednačina segmenta linije AB: y = 2, y¢ = 0, x 1 = 1, x 2 = 3. Zamjenom ovih izraza u formulu (2.7) dobijamo:

Za izračunavanje integrala

napravimo jednacinu prave linije B.C. prema formuli

Gdje x B, y B, x C, y C– koordinate tačaka B I WITH. Dobili smo

y – 2 = x – 3, y = x – 1, y¢ = 1.

Dobivene izraze zamjenjujemo u formulu (2.7):

Zadatak 5

Izračunajte krivolinijski integral 2. vrste duž luka L

0 ≤ t ≤ 1.

Rješenje. Pošto je kriva integracije parametarski data jednadžbama x = x(t), y = y(t), t Î [ t 1 ; t 2 ], gdje x(t) I y(t) – kontinuirano diferencibilne funkcije t at t Î [ t 1 ; t 2 ], zatim za izračunavanje krivolinijskog integrala druge vrste koristimo formulu (2.5) svodeći krivolinijski integral na onaj koji je definiran za ravnu parametarski datu krivu

U primjeru koji se razmatra a x(x; y) = y; a y(x; y) = –2x.

Uzimajući u obzir podešavanje krive L dobijamo:

Pronađene izraze zamjenjujemo u formulu (2.5) i izračunavamo definitivni integral:

Zadatak 6

Primjer 1. C + Gdje WITH : y 2 = 2x, y = x – 4.

Rješenje. Oznaka C+ označava da se krug kreće u pozitivnom smjeru, odnosno u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Provjerimo da za rješavanje problema možemo koristiti Greenovu formulu (2.9)

Pošto funkcije a x (x; y) = 2y – x 2 ; a y (x; y) = 3x + y i njihove parcijalne derivate kontinuirano u ravnom zatvorenom području G, ograničen konturom C, onda je Greenova formula primjenjiva.

Da bismo izračunali dvostruki integral, prikazujemo područje G, prethodno odredivši tačke preseka lukova krivih y 2 = 2x I
y = x– 4, čineći konturu C.

Tačke preseka ćemo pronaći rešavanjem sistema jednačina:

Druga jednačina sistema je ekvivalentna jednačini x 2 – 10x+ 16 = 0, odakle x 1 = 2, x 2 = 8, y 1 = –2, y 2 = 4.

Dakle, tačke preseka krivih: A(2; –2), B(8; 4).

Od oblasti G– ispravno u smjeru ose Ox, zatim da bi se dvostruki integral sveo na ponovljeni, projektujemo regiju G po osi OY i koristite formulu

Jer a = –2, b = 4, x 2 (y) = 4+y, To

Primjer 2. Izračunati krivolinijski integral 2. vrste duž zatvorene konture Gdje WITH– obris trougla sa vrhovima A(0; 0), B(1; 2), C(3; 1).

Rješenje. Oznaka znači da se kontura trokuta prelazi u smjeru kazaljke na satu. U slučaju kada se krivolinijski integral preuzima preko zatvorene konture, Greenova formula poprima oblik

Oslikajmo područje G, ograničeno datom konturom.

Funkcije i parcijalne derivate i kontinuirano na tom području G, tako da se Greenova formula može primijeniti. Onda

Region G nije ispravan u smjeru bilo koje od osi. Nacrtajmo segment prave linije x= 1 i zamislite G u formi G = G 1 È G 2 gdje G 1 i G 2 područja ispravna u smjeru osi Oy.

Onda

Za informacije o svakom dvostruki integrali By G 1 i G 2 da ponovimo koristit ćemo formulu

Gdje [ a; b] – projekcija površine D po osi Ox,

y = y 1 (x) – jednadžba donje granične krive,

y = y 2 (x) – jednačina gornje granične krive.

Zapišimo jednadžbe granica domena G 1 i pronađite

AB: y = 2x, 0 ≤ x ≤ 1; AD: , 0 ≤ x ≤ 1.

Napravimo jednačinu za granicu B.C. region G 2 koristeći formulu

B.C.: gdje je 1 ≤ x ≤ 3.

DC: 1 ≤ x ≤ 3.

Zadatak 7

Primjer 1. Pronađite rad sile L: y = x 3 od tačke M(0; 0) do tačke N(1; 1).

Rješenje. Rad koji vrši promjenjiva sila pri pomicanju materijalne točke duž luka krive L određena formulom (2.3) (kao krivolinijski integral druge vrste funkcije duž krive L) .

Budući da je vektorska funkcija data jednadžbom, a luk ravno orijentirane krive je eksplicitno definiran jednadžbom y = y(x), x Î [ x 1 ; x 2 ], gdje y(x) je kontinuirano diferencibilna funkcija, tada po formuli (2.7)

U primjeru koji se razmatra y = x 3 , , x 1 = x M = 0, x 2 = x N= 1. Dakle

Primjer 2. Pronađite rad sile kada se pomera materijalna tačka duž linije L: x 2 + y 2 = 4 od tačke M(0; 2) do tačke N(–2; 0).

Rješenje. Koristeći formulu (2.3), dobijamo

U primjeru koji se razmatra, luk krive L(È MN) je četvrtina navedenog kruga kanonska jednačina x 2 + y 2 = 4.

Za izračunavanje krivolinijskog integrala druge vrste, zgodnije je prijeći na parametarsku definiciju kruga: x = R cos t, y = R grijeh t i koristi formulu (2.5)

Jer x= 2cos t, y= 2sin t, , , dobijamo

Zadatak 8

Primjer 1. Izračunajte modul cirkulacije vektorskog polja duž konture G:

Rješenje. Za izračunavanje cirkulacije vektorskog polja duž zatvorene konture G koristimo formulu (2.4)

Budući da su date prostorno vektorsko polje i prostorna zatvorena petlja G, zatim prelazeći iz vektorskog oblika pisanja krivolinijskog integrala u koordinatni oblik, dobijamo

Curve G definiran kao sjecište dviju površina: hiperboličnog paraboloida z = x 2 – y 2 + 2 i cilindri x 2 + y 2 = 1. Za izračunavanje krivolinijskog integrala zgodno je prijeći na parametarske jednadžbe krive G.

Jednačina cilindrične površine može se napisati kao:
x=cos t, y= grijeh t, z = z. Izraz za z u parametarskim jednačinama krivulje se dobija zamjenom x=cos t, y= grijeh t u jednadžbu hiperboličkog paraboloida z = 2 + cos 2 t– grijeh 2 t= 2 + cos 2 t. dakle, G: x=cos t,
y= grijeh t, z= 2 + cos 2 t, 0 ≤ t≤ 2p.

Pošto su one uključene u parametarske jednačine krive G funkcije
x(t) = cos t, y(t) = grijeh t, z(t) = 2 + cos 2 t su kontinuirano diferencibilne funkcije parametra t at t O , tada nalazimo krivolinijski integral koristeći formulu (2.6)

Sekcije