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

Логинов Избранные разделы курса Векторный анализ (теория и примеры) 2009

.pdf
Скачиваний:
49
Добавлен:
17.08.2013
Размер:
1.11 Mб
Скачать

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.1. Вычислить интеграл первого рода x 3 + y 3

ds ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где γ – дуга астроиды x 3 + y 3 = a 3 .

 

 

 

 

Решение. Выпишем параметрическое уравнение астроиды

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

x = a cos

 

t

, t [0,2π] .

 

 

 

 

y = a sin

3

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 2.2 показан график этой кривой в декартовой системе координат.

Рис. 2.2

Воспользуемся формулами для вычисления криволинейного интеграла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

3

+ y

3

ds =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π / 2 4

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 4

a

 

cos4 t + a

 

 

sin 4 t

 

 

a2 9 cos4 t sin 2 t + a2 9 sin 4 t cos2 t dt =

3

3

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

7 π / 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

(cos4 t + sin4 t )sin t costdt =

 

 

 

(cos4 t + sin 4 t )

sin t cos t

 

dt

= 12a 3

= 4a 3

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

31

 

 

 

π

7

 

π

 

 

 

7

 

 

2

7

0

2

 

 

 

 

 

 

= −12a 3

 

cos5 td cos t +12a 3

 

sin5 td sin t = −12a

3

u5du +

 

 

0

 

 

0

 

 

1

 

7 1

 

7

 

 

7

 

7

 

 

 

 

12

a 3 +

12

a

3

 

 

 

+ 12a 3 u 5du =

= 4a 3 .

6

6

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.2. Вычислить интеграл x2 ds , где γ – окружность

γ

x2 + y 2 + z 2 = a 2 , x+y+z=0.

Решение. Сделаем поворот системы координат на угол 45 градусов вокруг оси Oz. В этом случае, преобразование координат задается формулами

x =

y =

1

2 1

(u

(u

2

z = w

v)

+ v) .

Расположение осей при повороте на угол α показано на рис. 2.3.

Рис. 2.3

Согласно свойству инвариантности интеграла относительно поворотов, будет выполнено равенство:

x2ds =

1

(u2 − 2uv + v2 )ds ,

2

γ

 

 

32

где - окружность u2+v2+w2=a2, 2u + w = 0 . Отметим, что этим поворотом мы «избавились» от одного переменного в уравнении плоскости. Попробуем избавиться таким же способом от второго

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

1

 

переменного. Так как

2 u+w = = 3

 

 

u +

w

, то этого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

можно добиться, сделав поворот осей координат, определяемый отображением

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p =

 

 

 

 

 

 

 

( 2u + w)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q =

1

 

 

(−u +

 

w) .

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

r = v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обратное отображение будет иметь вид:

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u =

 

 

 

 

 

 

 

 

( 2 p q)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

w =

 

 

 

( p +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2q) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Это соответствует повороту на угол β, для которого cosβ =

2

,

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin β = − 1 . В новых координатах p, q, r уравнение плоскости бу-

3

дет иметь уравнение p = 0 . Подынтегральная функция равна

u 2 − 2uv + v2 = 1 q2 + 2 qr + r 2 . Кривая лежит в плоскости p=0,

3 3

поэтому в качестве параметризации возьмем полярные координаты

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

q = a cos t , t [0,2π] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = a sin t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2 ds =

 

 

 

(u 2

2uv + v2 )ds =

 

 

q2 +

 

 

 

 

 

qr + r 2

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ds

=

 

 

 

γ

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

3

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a3 2π 1

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 t +

 

 

 

sin t cos t + sin 2 t dt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 0 3

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a3 2π 1 + cos 2t

 

 

 

sin 2t 1 − cos 2t

 

 

 

 

 

a3 1

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π a3 .

=

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

dt

= 2π

 

 

 

 

+

 

=

 

 

2

0

6

 

 

 

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

6 2

3

 

 

 

Пример 2.3. Вычислить интеграл xdy ydx , где γ представля-

γ

ет собой (рис. 2.4):

1)отрезок γ1=OA, O=(0,0), A=(1,2);

2)параболу γ2 ={y=2x2} , от O до A;

3)два отрезка γ3 + γ4 : по оси Ox и вертикально вверх до точки A.

Рис. 2.4

34

Решение. В первом случае кривая имеет параметризацию:

x = t

, t [0,1], и интеграл будет равен y = 2t

1

xdy ydx =(2t − 2t)dt = 0 .

γ

0

Во втором случае кривая параметризуется следующим образом: x=t, y=2t2, t [0,1], и можно записать для интеграла

xdy ydx = = 1

(4t 2 − 2t 2 )dt =

2

.

 

γ

0

3

 

 

 

 

2.3.Формула Грина

2.3.1.Использование формулы Грина для вычисления интегралов

Рассмотрим область D. Границу этой области с положительным направлением обхода обозначим . Пусть в области D задано векторное поле (P, Q) с непрерывными частными производными

Q , P . Тогда справедлива формула Грина

x y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy = ∫∫

x

y

dxdy .

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.4. Вычислить интеграл

xdy

ydx

, где контур C ори-

2

2

 

 

 

 

C

x

+ y

 

 

 

 

 

 

 

 

ентирован положительно. Рассмотреть два случая: контур не содержит начала координат, контур содержит начало координат.

Решение. Обозначим через D область, ограниченную контуром C. Вычислим частные производные

Q

 

 

 

x

 

 

 

x2

+ y2 − 2x2

 

y 2 x2

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

2

+ y

2

 

 

( x

2

+ y

2

)

2

 

( x

2

+ y

2

)

2

 

x x x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35

 

P

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

x2 + y 2 − 2 y 2

 

y 2 x2

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

= −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

x

2

+ y

2

 

 

 

( x

2

+ y

2

)

2

 

 

 

( x

2

+ y

2

)

2

 

 

y y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdy ydx

 

 

 

 

 

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда, в первом случае

= = ∫∫

 

 

 

P

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

dxdy =0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

x

 

+ y

 

 

 

 

D

 

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Во втором случае формула Грина не может быть использована, так как поле (P,Q) имеет особенность в начале координат, и эта точка (0,0) попадает в область интегрирования D. Выберем круг с центром в начале координат и достаточно малого радиуса r так, чтобы он содержался в области D. Границу этого круга, ориентированную положительно, обозначим Cr .

Произведем два разреза кусочно-гладкими кривыми, соединяющими какие-либо две точки границы контура C с какими-либо точками окружности Cr (рис. 2.5).

Отметим, что C=C1+C8 , Cr=C3+C6 , C2= C7, C4= C5. Внутри

контуров C1+ C2+ C3+ C4 и C5+ C6+ C7+ C8 особенностей нет и, как было доказано, для этих контуров интеграл будет равен нулю. Поэтому справедливо равенство

0=

+

=

 

C1 +C2 +C3 +C4

 

C5 +C6 +C7 +C8

 

= + + + + + + + = + + = .

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C C3 C6 C Cr

Рис. 2.5

36

Таким образом,

xdy ydx

=

xdy ydx

r cos t(r cos t) − r sin t(−r sin t)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

dt = .

x

2

+ y

2

x

2

+ y

2

r

2

C

 

 

C

 

 

0

 

 

r

Пример 2.5. Вычислить интеграл

(sin ye x my)dx + (cos ye x m)dy ,

AmB

где AmB – верхняя полуокружность x2+y2=ax , начало – A(a,0), ко-

нец – B(0,0) (рис. 2.6).

Решение. Вычислим частные производные координат векторного поля

Q = (cos ye x m)= cos ye x , P = (sin yex my)= cos yex m .

x x y y

Тогда Q P = m и для контура интегрирования получается

x

y

 

равенство

 

 

Pdx + Qdy + Pdx + Qdy =

Pdx + Qdy =

AmB

BA

AmB + BA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Q

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πa

 

 

= ∫∫

 

 

 

 

dxdy = m∫∫dxdy = mµD = m

 

 

.

 

y

 

 

D

x

 

 

 

D

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy = m

πa 2

Pdx + Qdy = m

πa 2

+

Pdx + Qdy .

 

 

 

AmB

 

 

 

8

 

BA

 

8

 

 

AB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Контур AB имеет параметризацию

 

x = t

 

. Тогда

 

 

, t [0, a]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πa

2

 

a

πa

2

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy = m

 

 

+ (0)dt = m

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

AmB

 

 

 

 

 

8

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

37

 

 

Рис. 2.6

Пример

2.6. Вычислить

( f ( y)e x my)dx + ( f '( y)e x m)dy ,

 

 

AmB

где функция f(y) непрерывно дифференцированная на проекции

кривой AmB

(проекция на ось Oy), AmB – кривая, соединяющая

точки A, B, ограничивающая вместе в отрезком AB область D (рис.

2.7).

}

Рис. 2.7

Решение. Для частных производных имеем равенства

38

 

 

 

 

 

Q

=

(f ' ( y)ex m)= f ' ( y)e x ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

=

(f ( y)e x my)= f '( y)e x m,

Q

P

= m .

 

y

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

y

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy + Pdx + Qdy =

Pdx + Qdy =

 

 

AmB

 

 

 

 

 

 

BA

 

AmB+BA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫∫

x

 

 

 

dxdy = m∫∫dxdy = mµD .

 

 

 

 

 

D

 

 

y

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отсюда следует, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy =mµD Pdx + Qdy = mµD + Pdx + Qdy .

 

AmB

 

 

 

 

BA

 

 

 

 

 

 

AB

 

 

 

Контур AB имеет параметризацию

 

 

 

 

 

 

 

 

x = x0 +

x t

[0,1] , A=(x0,y0), B=(x1,y1), x=x1 - x0 ,

 

y = y0 +

y t , t

y=y1 - y0.

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy = ((( f ( y0 + y t)ex0 + x t

m( y0 +

y t))

x +

AB

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

+( f '( y0 + y t)ex0 + x t m) y)dt = (( f ( y0 + y t)ex0 + x t ) x)dt +

 

 

0

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

+ (m( y0 + y t) x)dt + ( f '( y0 + y t)ex0 + x t y)dt

0

 

0

 

 

 

 

1

1

 

 

 

y

m ydt = ( f ( y0 +

y t)ex0 x t )d (x0 +

 

xt) − m x y0

+

 

 

0

0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

( f '( y0 + y t)ex0 + x t )d ( y0 + y t) − m y =

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

39

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

u x

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

=

f ( y0

+

y

 

0

)eu du m x y0

+

 

 

+

 

 

 

x

 

2

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u y

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y1

x +

x

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u x

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

+

e

 

 

 

 

 

 

df (u) − m y =

f ( y0

+ y

 

 

 

 

)eu du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

x

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

m

y1 x0 +

e y0

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

+

x y

0

+

 

 

 

y

+

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u y0

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

x

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

f (u)du

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y0

uy

0

 

 

 

u= y1

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

f (u)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u= y0

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x +

x

(vy

 

)

 

 

 

 

0

y

0

 

f (v)

 

e

 

 

 

dv

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

y

 

1

x0 +

e

y0

 

 

x

x

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x0

+

y

0

+

 

y

+

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u y

0

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

( )

f u

u= y1

u= y0

u y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

x y

 

y

 

 

f (u)du

= −m xy0 + m

 

m y +

 

 

 

 

 

 

 

y

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ex1 f ( y ) − ex0

f ( y

0

) .

 

1

 

 

 

В результате получим:

 

 

 

 

 

Pdx + Qdy = mµD m xy0

+ m

x y

m

 

y + ex1 f ( y1 ) − ex0 f ( y0 ) .

 

 

AmB

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2. Использование формулы Грина для вычисления площадей

Если в качестве функций P, Q взять функции, для которых

Q P ≡ 1, то получится формула для вычисления площади об-

x y

ласти, ограниченной кривой γ:

40

Соседние файлы в предмете Интегрированные системы управления и проектирования