Определение: Пусть в каждой точки гладкой кривой L = AB в плоскости Oxy задана непрерывная функция двух переменных f(x,y) . Произвольно разобьем кривую L на n частей точками A = М 0 , М 1 , М 2 , ... М n = B. Затем на каждой из полученых частей \(\bar{{M}_{i-1}{M}_{i}}\) выберем любую точку \(\bar{{M}_{i}}\left(\bar{{x}_{i}},\bar{{y}_{i}}\right)\)и составим сумму $${S}_{n}=\sum_{i=1}^{n}f\left(\bar{{x}_{i}},\bar{{y}_{i}}\right)\Delta {l}_{i}$$ где \(\Delta{l}_{i}={M}_{i-1}{M}_{i}\) - дуга дуги \(\bar{{M}_{i-1}{M}_{i}}\). Полученная сумма называется интегральной суммой первого рода для функции f(x,y) , заданой на кривой L.

Обозначим через d наибольшую из длин дуг \(\bar{{M}_{i-1}{M}_{i}}\) (таким образом, d = \(max_{i}\Delta{l}_{i}\)). Если при d ? 0 существует предел интегральных сумм S n (не зависящих от способа разбиения кривой L на части и выбора точек \(\bar{{M}_{i}}\)), то этот предел называется криволинейным интегралом первого порядка от функции f(x,y) по кривой L и обозначается $$\int_{L}f(x,y)dl$$

Можно доказать, что если функция f(x,y) непрерывна, то криволинейный интеграл \(\int_{L}f(x,y)dl\) существует.

Свойства криволинейного интеграла 1 рода

Криволинейный интеграл первого рода обладает свойствами, аналогичными соответствующим свойства определеннного интеграла:

• аддитивность,
• линейность,
• оценка модуля,
• теорема о среднем.

Однако есть отличие: $$\int_{AB}f(x,y)dl=\int_{BA}f(x,y)dl$$ т.е. криволинейный интеграл первого рода не зависит от направления интегрирования.

Вычисление криволинейных интегралов первого рода

Вычисление криволинейного интеграла первого рода сводится к вычислению определенного интеграла. А именно:

1. Если кривая L задана непрерывно дифференцируемой функцией y=y(x), x \(\in \) , то $${\int\limits_L {f\left({x,y} \right)dl} } = {\int\limits_a^b {f\left({x,y\left(x \right)} \right)\sqrt {1 + {{\left({y"\left(x \right)} \right)}^2}} dx} ;}$$ при этом выражение \(dl=\sqrt{{1 + {{\left({y"\left(x \right)} \right)}^2}}} dx \) называется дифференциалом длины дуги.
2. Если крива L задана параметрически, т.е. в виде x=x(t), y=y(t), где x(t), y(t) - непрерывно дифференцируемые функции на некотором отрезке \(\left [ \alpha ,\beta \right ]\), то $$ {\int\limits_L {f\left({x,y} \right)dl} } = {\int\limits_\alpha ^\beta {f\left ({x\left(t \right),y\left(t \right)} \right)\sqrt {{{\left({x"\left(t \right)} \right)}^2} + {{\left({y"\left(t \right)} \right)}^2}} dt}} $$ Это равенство распространяется на случай пространственной кривой L, заданной параметрически: x=x(t), y=y(t), z=z(t), \(t\in \left [ \alpha ,\beta \right ]\). В этом случае, если f(x,y,z) - непрерывная функция вдоль кривой L, то $$ {\int\limits_L {f\left({x,y,z} \right)dl} } = {\int\limits_\alpha ^\beta {f\left [ {x\left(t \right),y\left(t \right),z\left(t \right)} \right ]\sqrt {{{\left({x"\left(t \right)} \right)}^2} + {{\left({y"\left(t \right)} \right)}^2} + {{\left({z"\left(t \right)} \right)}^2}} dt}} $$
3. Если плоская кривая L задана полярным уравнением r=r(\(\varphi \)), \(\varphi \in\left [ \alpha ,\beta \right ] \), то $$ {\int\limits_L {f\left({x,y} \right)dl} } = {\int\limits_\alpha ^\beta {f\left({r\cos \varphi ,r\sin \varphi } \right)\sqrt {{r^2} + {{{r}"}^2}} d\varphi}} $$

Криволинейные интегралы 1 рода - примеры

Пример 1

Вычислить криволинейный интеграл первого рода

$$ \int_{L}\frac{x}{y}dl $$ где L дуга параболы y 2 =2x, заключенная между точками (2,2) и (8,4).

Решение: Найдем дифференциал дуги dl для кривой \(y=\sqrt{2x}\). Имеем:

\({y}"=\frac{1}{\sqrt{2x}} \) $$ dl=\sqrt{1+\left ({y}" \right)^{2}} dx= \sqrt{1+\left (\frac{1}{\sqrt{2x}} \right)^{2}} dx = \sqrt{1+ \frac{1}{2x}} dx $$ Следовательно данный интеграл равен: $$\int_{L}\frac{x}{y}dl=\int_{2}^{8}\frac{x}{\sqrt{2x}}\sqrt{1+\frac{1}{2x}}dx= \int_{2}^{8}\frac{x\sqrt{1+2x}}{2x}dx= $$ $$ \frac{1}{2}\int_{2}^{8}\sqrt{1+2x}dx = \frac{1}{2}.\frac{1}{3}\left (1+2x \right)^{\frac{3}{2}}|_{2}^{8}= \frac{1}{6}(17\sqrt{17}-5\sqrt{5}) $$

Пример 2

Вычислить криволинейный интеграл первого рода \(\int_{L}\sqrt{x^2+y^2}dl \), где L - окружность x 2 +y 2 =ax (a>0).

Решение: Введем полярные координаты: \(x = r\cos \varphi \), \(y=r\sin \varphi \). Тогда поскольку x 2 +y 2 =r 2 , уравнение окружности имеет вид: \(r^{2}=arcos\varphi \), то есть \(r=acos\varphi \), а дифференциал дуги $$ dl = \sqrt{r^2+{2}"^2}d\varphi = $$ $$ =\sqrt{a^2cos^2\varphi=a^2sin^2\varphi }d\varphi=ad\varphi $$.

При этом \(\varphi\in \left [- \frac{\pi }{2} ,\frac{\pi }{2} \right ] \). Следовательно, $$ \int_{L}\sqrt{x^2+y^2}dl=a\int_{-\frac{\pi }{2}}^{\frac{\pi }{2}}acos\varphi d\varphi =2a^2 $$

Назначение . Онлайн калькулятор предназначен для нахождения работы силы F при перемещении вдоль дуги линии L .

Криволинейные и поверхностные интегралы второго рода

Рассмотрим многообразие σ . Пусть τ(x,y,z) - единичный вектор касательной к σ , если σ - кривая, а n(x,y,z) - единичный вектор нормали к σ , если σ - поверхность в R 3 . Введём векторы dl = τ · dl и dS = n · dS , где dl и dS - длина и площадь соответствующего участка кривой или поверхности. Будем считать, что dσ =dl , если σ - кривая, и dσ =dS , если σ - поверхность. Назовём dσ ориентированной мерой соответствующего участка кривой или поверхности.

Определение . Пусть заданы ориентированное непрерывное кусочно-гладкое многообразие σ и на σ – вектор-функция F(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)+R(x,y,z). Разобьем многообразие на части многообразиями меньшей размерности (кривую – точками, поверхность –кривыми), внутри каждого полученного элементарного многообразия выберем по точке M 0 (x 0 ,y 0 ,z 0), M 1 (x 1 ,y 1 ,z 1), ... ,M n (x n ,y n ,z n). Посчитаем значения F(x i ,y i ,z i), i=1,2,...,n вектор-функции в этих точках,умножим скалярно эти значения на ориентированную меру dσ i данного элементарного многообразия (ориентированные длину или площадь соответствующего участка многообразия) и просуммируем. Предел полученных сумм если онсуществует, не зависит от способа разбиения многообразия на части и выбора точек внутри каждого элементарного многообразия, при условии, что диаметр элементарного участка стремится к нулю, называется интегралом по многообразию (криволинейным интегралом, если σ -кривая и поверхностным, если σ - поверхность) второго рода, интеграломвдоль ориентированного многообразия, или интегралом от вектора F вдоль σ, и обозначается в общем случае, в случаях криволинейного и поверхностного интегралов соответственно.
Заметим, что если F(x,y,z) - сила, то - работа этой силы по перемещению материальной точки вдоль кривой, если F(x,y,z) - стационарное (не зависящее от времени) поле скоростей текущей жидкости, то - количество жидкости, протекающей через поверхность S в единицу времени (поток вектора через поверхность).
Если кривая задана параметрически или, что то же самое, в векторной форме,

то

и для криволинейного интеграла второго рода имеем

Так как dS = n · dS =(cosα , cosβ , cosγ), где cosα , cosβ , cosγ - направляющие косинусы единичного вектора нормали n и cosαdS=dydz , cosβdS=dxdz , cosγdS=dxdy , то для поверхностного интеграла второго рода получаем

Если поверхность задана параметрически или, что тоже самое, в векторной форме
r(u,v)=x(u,v)i+y(u,v)j+z(u,v)k, (u,v)∈D
то

где - якобианы (определители матриц Якоби, или, что то же самое, матриц производных) вектор-функций соответственно.

Если поверхность S может быть задана одновременно уравнениями то поверхностный интеграл второго рода вычисляется по формуле

где D 1 , D 2 , D 3 - проекции поверхности S на координатные плоскости Y0Z , X0Z , X0Y соответственно и знак “+” берётся, если угол между вектором нормали и осью, вдоль которой ведётся проектирование, острый, а знак “–“, если этот угол тупой.

Свойства криволинейного и поверхностного интегралов второго рода

Отметим некоторые свойства криволинейного и поверхностного интегралов второго рода.
Теорема 1 . Криволинейный и поверхностный интегралы 2-го рода зависят от ориентации кривой и поверхности, точнее
.

Теорема 2 . Пусть σ=σ 1 ∪σ 2 и размерность пересечения dlim(σ 1 ∩σ 2)=n-1 . Тогда

Доказательство. Включив в число многообразий разбиения в определении интеграла по многообразию второго рода общую границу σ 1 с σ 2 получаем требуемое.

Пример №1 . Найти работу силы F при перемещении вдоль дуги линии L от точки M 0 до точки M 1 .
F=x 2 yi+yj; , L: отрезок M 0 M 1
M 0 (-1;3), M 0 (0;1)
Решение .
Находим уравнение прямой вдоль отрезка M 0 M 1 .
или y=-2x+1
dy=-2dx

Пределы изменения x: [-1; 0]

Криволинейный интеграл 2-ого рода вычисляется так же, как криволинейный интеграл 1-ого рода сведением к определённому. Для этого все переменные под знаком интеграла выражают через одну переменную, используя уравнение той линии, вдоль которой производится интегрирование.

а) Если линия АВ задана системой уравнений то

(10.3)

Для плоского случая, когда кривая задана уравнением криволинейный интеграл вычисляется по формуле: . (10.4)

Если линия АВ задана параметрическими уравнениями то

(10.5)

Для плоского случая, еслилиния АВ задана параметрическими уравнениями , криволинейный интеграл вычисляется по формуле:

, (10.6)

где - значения параметра t, соответствующие начальной и конечной точкам пути интегрирования.

Если линия АВ кусочно-гладкая, то следует воспользоваться свойством аддитивности криволинейного интеграла, разбив АВ на гладкие дуги.

Пример 10.1 Вычислим криволинейный интеграл вдоль контура, состоящего из части кривой от точки до и дуги эллипса от точки до .

Т. к. контур состоит из двух частей, воспользуемся свойством аддитивности криволинейного интеграла: . Сведём оба интеграла к определённым. Часть контура задана уравнением относительно переменной . Воспользуемся формулой (10.4 ), в которой поменяем ролями переменные. Т.е.

. После вычисления получим .

Для вычисления интеграла по контуру ВС перейдём к параметрической форме записи уравнения эллипса и воспользуемся формулой (10.6).

Обратите внимание на пределы интегрирования. Точке соответствует значение , а точке соответствует Ответ:
.

Пример 10.2. Вычислим вдоль отрезка прямой АВ , где А(1,2,3), В(2,5,8).

Решение . Задан криволинейный интеграл 2-ого рода. Для вычисления необходимо преобразовать его в определённый. Составим уравнения прямой. Её направляющий вектор имеет координаты .

Канонические уравнения прямой АВ: .

Параметрические уравнения этой прямой: ,

При
.

Воспользуемся формулой (10.5) :

Вычислив интеграл, получим ответ: .

5. Работа силы при перемещении материальной точки единичной массы из точки в точку вдоль кривой .

Пусть в каждой точке кусочно –гладкой кривой задан вектор, имеющий непрерывные функции-координаты: . Разобьём эту кривую на малых частей точками так, чтобы в точках каждой части значение функций
можно было считать постоянными, а сама часть могла быть принята за отрезок прямой (см. рис. 10.1). Тогда . Скалярное произведение постоянной силы, роль которой играет вектор , на прямолинейный вектор перемещения численно равно работе, которую совершает сила при перемещении материальной точки вдоль . Составим интегральную сумму . В пределе при неограниченном увеличении числа разбиений получим криволинейный интеграл 2-ого рода

. (10.7) Таким образом, физический смысл криволинейного интеграла 2-ого рода - это работа, произведённая силой при перемещении материальной точки от А к В по контуру L .

Пример 10.3. Вычислим работу, производимую вектором при перемещении точки вдоль части кривой Вивиани, заданной как пересечение полусферы и цилиндра , пробегаемой против часовой стрелки, если смотреть с положительной части оси OX.

Решение . Построим заданную кривую как линию пересечения двух поверхностей (см. рис. 10.3).

.

Чтобы свести подынтегральное выражение к одной переменной, перейдём в цилиндрическую систему координат: .

Т.к. точка перемещается по кривой , то удобно в качестве параметра выбрать переменную , которая вдоль контура меняется так, что . Тогда получаем следующие параметрические уравнения этой кривой:

.При этом
.

Подставим полученные выражения в формулу для вычисления циркуляции:

( - знак + указывает на то, что движение точки по контуру происходит против часовой стрелки)

Вычислим интеграл и получим ответ: .

Занятие 11 .

Формула Грина для односвязной области. Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования. Формула Ньютона-Лейбница. Нахождение функции по ее полному дифференциалу с помощью криволинейного интеграла (плоский и пространственный случаи).

ОЛ-1 гл.5, ОЛ-2 гл.3, ОЛ-4 гл.3 § 10, п. 10.3, 10.4.

Практика : ОЛ-6№№ 2318(а,б,д),2319(а,в),2322(а,г),2327,2329 илиОЛ-5 №№10.79, 82, 133, 135, 139.

Домашнее здание к занятию 11 : ОЛ-6 №№ 2318 (в,г), 2319(в,г), 2322(б,в), 2328, 2330 или ОЛ-5 №№ 10.80, 134, 136, 140

Формула Грина.

Пусть на плоскости дана односвязная область , ограниченная кусочно- гладким замкнутым контуром . (Область называется односвязной, если в ней любой замкнутый контур может быть стянут в точку этой области).

Теорема . Если функции и их частные производные Г , то

Рисунок 11.1

- формула Грина . (11.1)

Обозначает положительное направление обхода (против часовой стрелки).

Пример 11.1. Используя формулу Грина, вычислим интеграл по контуру, состоящему из отрезков OA, OB и большей дуги окружности , соединяющей точки A и B, если , , .

Решение . Построим контур (см. рис.11.2). Вычислим необходимые производные.

Рисунок 11.2

, ; , . Функции и их производные непрерывны в замкнутой области, ограниченной данным контуром. По формуле Грина данный интеграл .

После подстановки вычисленных производных получаем

. Двойной интеграл вычислим, переходя к полярным координатам:
.

Проверим ответ, вычислив интеграл непосредственно по контуру как криволинейный интеграл 2-ого рода.
.

Ответ :
.

2. Независимость криволинейного интеграла от пути интегрирования .

Пусть и - произвольные точки односвязной области пл. . Криволинейные интегралы, вычисленные по различным кривым, соединяющим эти точки, в общем случае имеют различные значения. Но при выполнении некоторых условий все эти значения могут оказаться одинаковыми. Тогда интеграл не зависит от формы пути, а зависит только от начальной и конечной точек.

Имеют место следующие теоремы.

Теорема 1 . Для того, чтобы интеграл
не зависел от формы пути, соединяющего точки и , необходимо и достаточно, чтобы этот интеграл по любому замкнутому контуру был равен нулю.

Теорема 2. . Для того, чтобы интеграл
по любому замкнутому контуру был равен нулю, необходимо и достаточно, чтобы функции и их частные производные были непрерывны в замкнутой области Г и чтобы выполнялось условие (11.2)

Таким образом, если выполняются условия независимости интеграла от формы пути (11.2) , то достаточно указать только начальную и конечную точки: (11.3)

Теорема 3. Если в односвязной областивыполняется условие , то существует функция такая, что . (11.4)

Эта формула называется формулой Ньютона – Лейбница для криволинейного интеграла.

Замечание. Напомним, что равенство является необходимым и достаточным условием того, что выражение
.

Тогда из выше сформулированных теорем следует, что если функции и их частные производные непрерывны в замкнутой области Г , в которой даны точки и , и , то

а) существует функция , такая, что ,

не зависит от формы пути, ,

в) имеет место формула Ньютона – Лейбница .

Пример 11.2 . Убедимся в том, что интеграл
не зависит от формы пути, и вычислим его.

Решение. .

Рисунок 11.3

Проверим выполнение условия (11.2) .
. Как видим, условие выполнено. Значение интеграла не зависит от пути интегрирования. Выберем путь интегрирования. Наиболее

простым путём для вычислений является ломаная линия АСВ , соединяющая точки начала и конца пути. (См. рис. 11.3)

Тогда .

3. Нахождение функции по её полному дифференциалу .

С помощью криволинейного интеграла, который не зависит от формы пути, можно найти функцию , зная её полный дифференциал. Эта задача решается следующим образом.

Если функции и их частные производные непрерывны в замкнутой области Г и , то выражение является полным дифференциалом некоторой функции . Кроме этого интеграл
, во-первых, не зависит от формы пути и, во-вторых, может быть вычислен по формуле Ньютона – Лейбница.

Вычислим
двумя способами.

Рисунок 11.4

а) Выберем в области точку с конкретными координатами и точку с произвольными координатами. Вычислим криволинейный интеграл по ломаной, состоящей из двух отрезков прямых, соединяющих эти точки, причём один из отрезков параллелен оси , а другой – оси . Тогда . (См. рис. 11.4)

Уравнение .

Уравнение .

Получаем: Вычислив оба интеграла, получаем в ответе некоторую функцию .

б) Теперь тот же интеграл вычислим по формуле Ньютона – Лейбница.

Теперь сравним два результата вычисления одного и того же интеграла. Функциональная часть ответа в пункте а) является искомой функцией , а числовая часть – её значением в точке .

Пример 11.3. Убедимся в том, что выражение
является полным дифференциалом некоторой функции и найдём её. Проверим результаты вычисления примера 11.2 по формуле Ньютона-Лейбница.

Решение. Условие существования функции (11.2) было проверено в предыдущем примере. Найдём эту функцию, для чего воспользуемся рисунком 11.4, причём примем за точку . Составим и вычислим интеграл по ломаной АСВ, где :

Как было сказано выше, функциональная часть полученного выражения и есть искомая функция
.

Проверим результат вычислений из примера 11.2 по формуле Ньютона –Лейбница:

Результаты совпали.

Замечание. Все рассмотренные утверждения верны и для пространственного случая, но с большим количеством условий.

Пусть кусочно-гладкая кривая принадлежит области в пространстве . Тогда, если функции и их частные производные непрерывны в замкнутой области , в которой даны точки и , и
(11.5 ), то

а) выражение является полным дифференциалом некоторой функции ,

б) криволинейный интеграл от полного дифференциала некоторой функции не зависит от формы пути и ,

в) имеет место формула Ньютона – Лейбница .(11.6 )

Пример 11.4 . Убедимся в том, что выражение является полным дифференциалом некоторой функции и найдём её.

Решение. Для ответа на вопрос о том, является ли данное выражение полным дифференциалом некоторой функции , вычислим частные производные от функций , ,
. (См. (11.5) ) ; ; ; ; ; .

Эти функции непрерывны вместе со своими частными производными в любой точке пространства .

Видим, что выполняются необходимые и достаточные условия существования : , , , ч. т. д.

Для вычисления функции воспользуемся тем, что линейный интеграл не зависит от пути интегрирования и может быть вычислен по формуле Ньютона-Лейбница. Пусть точка - начало пути, а некоторая точка - конец пути. Вычислим интеграл

по контуру, состоящему из отрезков прямых, параллельных координатным осям. (см.рис.11.5).

.

Рисунок 11.5

Уравнения частей контура: , ,
.

Тогда

, x здесь зафиксирован, поэтому ,

, здесь зафиксирован y , поэтому .

В итоге получаем: .

Теперь тот же интеграл вычислим по формуле Ньютона-Лейбница.

Приравняем результаты: .

Из полученного равенства следует, что , а

Занятие 12.

Поверхностный интеграл первого рода: определение, основные свойства. Правила вычисления поверхностного интеграла первого рода с помощью двойного интеграла. Приложения поверхностного интеграла первого рода: площадь поверхности, масса материальной поверхности, статические моменты относительно координатных плоскостей, моменты инерции и координаты центра тяжести . ОЛ-1 гл.6, ОЛ 2 гл.3, ОЛ-4§ 11.

Практика : ОЛ-6 №№ 2347, 2352, 2353 или ОЛ-5 №№ 10.62, 65, 67.

Домашнее задание к занятию 12:

ОЛ-6 №№ 2348, 2354 или ОЛ-5 №№ 10.63, 64, 68.

Вычисление объема удобнее вести в цилиндрических координатах. Уравнение окружности, ограничивающей областьD , конуса и параболоида

соответственно принимают вид ρ = 2, z = ρ , z = 6 − ρ 2 . С учетом того, что данное тело симметрично относительно плоскостей xOz и yOz . имеем

	6− ρ 2
V = 4 ∫ 2 dϕ ∫ ρ dρ ∫ dz = 4 ∫ 2 dϕ ∫ ρ z				6 ρ − ρ 2 d ρ =

4 ∫ d ϕ∫ (6 ρ − ρ3 − ρ2 ) d ρ =

2 d ϕ =

4 ∫ 2 (3 ρ 2 −

∫ 2 d ϕ =

32π

Если не учитывать симметрию, то

6− ρ 2

32π

V = ∫

dϕ ∫ ρ dρ ∫ dz =

3. КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ

Обобщим понятие определенного интеграла на случай, когда областью интегрирования является некоторая кривая. Интегралы такого рода называются криволинейными. Различают два типа криволинейных интегралов: криволинейные интегралы по длине дуги и криволинейные интегралы по координатам.

3.1. Определение криволинейного интеграла первого типа (по длине дуги). Пусть функция f (x, y) определена вдоль плоской кусочно-

гладкой1 кривой L , концами которой будут точки A и B . Разобьем кривую L произвольным образом на n частей точками M 0 = A , M 1 ,... M n = B . На

каждой из частичных дуг M i M i + 1 выберем произвольную точку (x i , y i ) и вычислим значения функции f (x, y) в каждой из этих точек. Сумма

1 Кривая называется гладкой, если в каждой ее точке существует касательная, непрерывно изменяющаяся вдоль кривой. Кусочногладкой кривой называется кривая, состоящая из конечного числа гладких кусков.

n− 1
σ n = ∑ f (x i , y i ) ∆ l i ,

i = 0

где∆ l i – длина частичной дуги M i M i + 1 , называется интегральной суммой

для функции f (x , y ) по кривой L . Обозначим наибольшую из длин
частичных дуг M i M i + 1 , i =
	0 ,n − 1 черезλ , то есть λ = max ∆ l i .
		0 ≤i ≤n −1
Если существует конечный предел I интегральной суммы (3.1)
стремлении к нулю наибольшей из длин частичных дугM i M i + 1 ,
зависящий ни от способа разбиения кривой L на частичные дуги, ни от

выбора точек (x i , y i ) , то этот предел называется криволинейным интегралом первого типа (криволинейным интегралом по длине дуги) от функции f (x , y ) по кривой L и обозначается символом ∫ f (x , y ) dl .

Таким образом, по определению
n− 1
I = lim ∑ f (xi , yi ) ∆ li = ∫ f (x, y) dl.
λ → 0 i = 0

Функция f (x , y ) называется в этом случае интегрируемой вдоль кривой L ,

кривая L = AB - контуром интегрирования, А – начальной, а В - конечной точками интегрирования, dl - элементом длины дуги.

Замечание 3.1. Если в (3.2) положить f (x , y ) ≡ 1 для (x , y ) L , то

получим выражение длины дуги L в виде криволинейного интеграла первого типа

l = ∫ dl.

Действительно, из определения криволинейного интеграла следует,
	dl = lim n − 1
		∆l	Lim l = l .
	λ → 0 ∑		λ→ 0
	i = 0
3.2. Основные свойства криволинейного интеграла первого типа
аналогичны свойствам определенного интеграла:
1 о . ∫ [ f1 (x, y) ± f2 (x, y) ] dl = ∫ f1 (x, y) dl ± ∫ f2 (x, y) dl.
2 о . ∫ cf (x , y ) dl = c ∫ f (x , y ) dl , где с - константа.
				и L , не
3 о . Если контур интегрирования L разбит на две части L

имеющие общих внутренних точек, то

∫ f (x, y)dl = ∫ f (x, y)dl + ∫ f (x, y)dl.

4 о .Отметим особо, что величина криволинейного интеграла первого типа не зависит от направления интегрирования, так как в формировании интегральной суммы (3.1) участвуют значения функции f (x , y ) в

произвольных точках и длины частичных дуг ∆ l i , которые положительны,

независимо от того, какую точку кривой AB считать начальной, а какую – конечной, то есть

	f (x, y) dl = ∫ f (x, y) dl .
3.3. Вычисление криволинейного интеграла первого типа
сводится к вычислению определенных интегралов.
	x= x(t)
Пусть кривая L задана параметрическими уравнениями		y= y(t)

Пустьα и β – значения параметра t , соответствующие началу (точка А ) и

концу (точка В )

[α , β ]

x (t ), y (t ) и

производные

x (t), y (t)

Непрерывны,

f (x , y ) -

непрерывна вдоль кривой L . Из курса дифференциального исчисления

функций одной переменной известно, что

dl = (x (t))

+ (y (t ))

∫ f (x, y) dl = ∫ f (x(t), y(t))

(x (t )

+ (y (t ))

∫ x2 dl,

Пример 3.1.

Вычислить

окружности

x= a cos t

0 ≤ t ≤

y= a sin t

Решение. Так как x (t ) = − a sin t , y (t ) = a cos t , то

dl =

(− a sin t) 2 + (a cos t) 2 dt = a2 sin 2 t + cos 2 tdt = adt

и по формуле (3.4) получаем

Cos 2t )dt =

sin 2t

∫ x2 dl = ∫ a2 cos 2 t adt = a

3 ∫

πa 3

sin π

L задана

уравнением

y = y(x) ,

a ≤ x ≤ b

y(x)

непрерывна вместе со своей производной y

(x ) при a ≤ x ≤ b , то

dl =

1+ (y (x ))

и формула (3.4) принимает вид

∫ f (x, y) dl = ∫ f (x, y(x))

(y (x ))

L задана

x = x(y), c ≤ y ≤ d

x (y )

уравнением

непрерывна вместе со своей производной x (y ) при c ≤ y ≤ d , то

dl =

1+ (x (y ))

и формула (3.4) принимает вид

∫ f (x, y) dl = ∫ f (x(y), y)

1 + (x (y ))

Пример 3.2. Вычислить ∫ ydl, где L – дуга параболы

2 x от

точки А (0,0) до точки В (2,2).

Решение . Вычислим интеграл двумя способами, применяя

формулы (3.5) и(3.6)

1)Воспользуемся формулой (3.5). Так как

2x (y ≥ 0), y ′

2 x =

2 x ,

dl =

1+ 2 x dx ,

3 / 2 2

1 (5

3 2 − 1) .

∫ ydl = ∫

2 x + 1 dx = ∫ (2 x + 1) 1/ 2 dx =

1 (2x + 1)

2)Воспользуемся формулой (3.6). Так как

x = 2 , x

Y, dl

1 + y

		y 1 + y 2 dy =		(1 + y				/ 2 2
∫ ydl = ∫
				3 / 2

1 3 (5 5 − 1).

Замечание 3.2. Аналогично рассмотренному, можно ввести понятие криволинейного интеграла первого типа от функции f (x , y , z ) по

пространственной кусочно-гладкой кривой L :

Если кривая L задана параметрическими уравнениями

α ≤ t ≤ β , то

dl =

(x (t ))

(y (t ))

(z (t ))

∫ f (x, y, z) dl =

= ∫

dt .

f (x (t ), y (t ), z (t )) (x (t ))

(y (t ))

(z (t ))

x= x(t) , y= y(t)

z= z(t)

Пример 3.3. Вычислить∫ (2 z − x 2 + y 2 ) dl , где L – дуга кривой

x= t cos t	0 ≤ t ≤ 2 π.
y = t sin t
z = t
	x′ = cost − t sint, y′ = sint + t cost, z′ = 1 ,
	dl =	(cos t − t sin t)2 + (sin t + t cos t)2 + 1 dt =

Cos2 t − 2 t sin t cos t + t2 sin2 t + sin2 t + 2 t sin t cos t + t2 cos2 t + 1 dt =

2 + t2 dt .

Теперь по формуле (3.7) имеем

∫ (2z −

x2 + y2 ) dl = ∫ (2 t −

t 2 cos 2 t + t 2 sin 2 t )

2 + t 2 dt =

T 2 )

= ∫

t 2 + t

dt =

4 π

− 2 2

цилиндрической

поверхности,

которая составлена из перпендикуляров к

плоскости xOy ,

восстановленных в точках

(x , y )

L = AB

и имеющих

представляет собой массу кривой L , имеющей переменную линейную плотность ρ (x , y )

линейная плотность которой меняется по закону ρ (x , y ) = 2 y .

Решение. Для вычисления массы дуги AB воспользуемся формулой (3.8). Дуга AB задана параметрически, поэтому для вычисления интеграла (3.8) применяем формулу (3.4). Так как

1+ t

dt ,

x (t) = 1, y (t) = t , dl =

3/ 2 1

1 (1+ t

m = ∫ 2 ydl = ∫

1 2 + t2 dt = ∫ t 1 + t2 dt =

(2 3 / 2 −

1) =

2 2 − 1.

3.4. Определение криволинейного интеграла второго типа (по

координатам ). Пусть функция

f (x , y ) определена вдоль плоской

кусочно-гладкой кривойL , концами которой будут точки А и В . Опять

произвольным

разобьем

кривую L

M 0 = A , M 1 ,... M n = B Так же выберем в пределах

каждой частичной

дуги M i M i + 1

произвольную точку

(xi , yi )

и вычислим

Кривая АВ, заданная параметрическими уравнениями называется гладкой, если функции и имеют на отрезке непрерывные производные и причем Если в конечном числе точек отрезка эти производные не существуют или одновременно обращаются в нуль, то кривая называете я кусочно-гладкой. Пусть АВ - плоская кривая, гладкая или ку-сочно-гладкая. Пусть f(M) - функция, заданная на кривой АВ или в некоторой области D, содержащей эту кривую. Рассмотрим разбиение кривой А В на части точками (рис. 1). Выберем на каждой из дуг A^At+i произвольную точку Mk и составим сумму где Alt - длина дуги и назовем ее интегральной суммой для функции f(M) по длине дуги кривой. Пусть Д / - наибольшая издлин частичных дуг, т. е. Свойства криволинейных интегралов 1-го рода для пространственных кривых Криволинейные интегралы 2-го рода Вычисление криволинейного интеграла Свойства Связь между Определе нив. Если при интегральная сумма (I) имеет конечный предел, не зависящий ни от способа разбиения кривой АВ на части, ни от выбора точек на каждой из дуг разбиения, то этот предел называется криволинейным интегралом \ -го рода от функции f(M) по кривой АВ (интеграл по длине дуги кривой) и обозначается символом В этом случае функция /(М) называется интегрируемой вдоль кривой АВУ кривая А В называется контуром интегрирования, А - начальной, В - конечной точками интегрирования. Таким образом, по определению, Пример 1. Пусть вдоль некоторой гладкой кривой L распределена масса с переменной линейной плотностью J(M). Найти массу т кривой L. (2) Разобьем кривую L на п произвольных частей) и вычислим приближен- но массу каждой части, предполагая, что на каждой из частей плотность постоянна и равна плотности в какой-нибудь из ее точек, например, в крайней левой точке /(Af*). Тогда сумма кшо где Д/д - длина Дг-ой части, будет приближенным значением массы т. Ясно, что погрешность будет тем меньше, чем мельче разбиение кривой L. В пределе при Ы -* 0 (Д / = max Л/») получим точное значение массы всей кривой L, т.е. Но предел справа есть криволинейный интеграл 1-го рода. Значит, 1.1. Существование криволинейного интеграла 1-го рода Примем на кривой АВ за параметр длину дуги I, отсчитываемую от начальной точки А (рис.2). Тогда кривую АВ можно описать уравнениями (3) где L - длина кривой АВ. Уравнения (3) называются натуральными уравнениями кривой АВ. При переходе к натуральным уравнениям функция f(x} у), заданная на кривой АВ, сведется к функции переменной I: / (х(1)} у(1)). Обозначив через значение параметра I, отвечающее точке Мку перепишем интегральную сумму (I) в виде Это - интегральная сумма, отвечающая определенному интегралу Поскольку интегральные суммы (1) и (4) равны междусобой, то равны и отвечающие им интегралы. Таким образом, (5) Теорема 1. Если функция /(М) непрерывна вдоль гладкой кривой АВ, то существует криволинейный интеграл (поскольку при этих условиях существует определенный интеграл, стоящий в равенстве (5) справа). 1.2. Свойства криволинейных интегралов 1-го рода 1. Из вида интегральной суммы (1) следует, что т.е. величина криволинейного интеграла 1-го рода не зависит ог направления интегрирования. 2. Линейность. Если для каждой из функций /() существует криволинейный интеграл по кривой ABt то для функции а/, где а и /3 - любые постоянные, также существует криволинейный интеграл по кривой АВ> причем 3. Аддитивность. Если кривая АВ состоит из двух кусков и для функции /(М) существует криволинейный интеграл по АВУ то существуют интегралы причем 4. Если 0 на кривой АВ, то 5. Если функция интегрируема на кривой АВ, то функция || также интегрируема на А В, и при этом б. Формула среднего значения. Если функция / непрерывна вдоль кривой АВ, то на этой кривой найдется точка Мс такая, что где L - длина кривой АВ. 1.3. Вычисление криволинейного интеграла 1-го рода Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями причем точке А соответствует значение t = to, а точке В - значение. Будем предполагать, что функции) непрерывны на вместе со своими производными и выполнено неравенство Тогда дифференциал дуги кривой вычисляется по формуле В частности, если кривая АВ задана явным уравнением непрерывно дифференцируема на [а, Ь] и точке А соответствует значение х = а, а точке В - значение х = 6, то, принимая х за параметр, получаем 1.4. Криволинейные интегралы 1-го рода для пространственных кривых Определение криволинейного интеграла 1-го рода, сформулированное выше для плоской кривой, дословно переносится на случай, когда функция f(M) задана вдоль некоторой пространственной кривой АВ. Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями Свойства криволинейных интегралов 1-го рода для пространственных кривых Криволинейные интегралы 2-го рода Вычисление криволинейного интеграла Свойства Связь между Тогда криволинейный интеграл взятый вдоль этой кривой, можно свести к определенному интегралу при помоши следующей формулы: Пример 2. Вычислитькриволинейный интеграл где L - контур треугольнике с вершинами в точка* (рис.3). По свойству аддитивности имеем Вычислим каждый из интегралов в отдельности. Так как на отрезке OA имеем: , то На отрезке АН имеем, откуда причем тогда Рис. Наконец, Следовательно, Замечание. При вычислении интегралов мы воспользовались свойством 1, согласно которому. Криволинейные интегралы 2-го рода Пусть А В - гладкая или кусочно-гладкая ориентированная кривая на плоскости хОу и пусть - вектор-функция, определенная в некоторой области D, содержащей кривую АВ. Разобьем кривую АВ на части точками координаты которых обозначим соответственно через (рис. 4). На каждой из элементарныхдуг АкАк+\ возьмем произвольно точку и составим сумму Пусть Д/ - длина наибольшей из дуг Определение. Если при сумма (1) имеет конечный предел, не зависящий ни от способа разбиения кривой АВ, ни от выбора точек rjk) на элементарных дугах, то этот предел называется криволинейным интегралом 2-города от вектор-функции по кривой АВ и обозначается символом Так что по определению Теорема 2. Если в некоторой области D, содержащей кривую АВ, функции непрерывны, то криволинейный интеграл 2-города существует. Пусть - радиус-вектор точки М(х, у). Тогда и подынтегральное выражение в формуле (2) можно представить в виде скалярного произведения векторов F(M) и dr. Так что интеграл 2-го рода от вектор-функции по кривой АВ можно записать коротко так: 2.1. Вычисление криволинейного интеграла 2-го рода Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями, где функции непрерывны вместе с производными на отрезке, причем изменению параметра t от t0 до t\ соответствует движение точки по кривой АВ отточки А к точке В. Если в некоторой области D, содержащей кривую АВ, функции непрерывны, то криволинейный интеграл 2-го рода сводится к следующему определенному интегралу: Таким образом, вычисление криволинейного интеграла 2-го рода также может быть сведено к вычислению определенного интеграла. О) Пример 1. Вычислить интеграл вдоль прямолинейного отрезка, соединяющего точки 2) вдоль параболы, соединяющей те же тонки) Уравнение линии параметр, откуда Так что 2) Уравнение линии AB: Отсюда поэтому Рассмотренный пример помазывает, что величина криволинейного интеграла 2-го рода, вообще говоря, зависитот формы пути интегрирования. 2.2. Свойства криволинейного интеграл а 2-го рода 1. Линейность. Если существуют Свойства криволинейных интегралов 1-го рода для пространственных кривых Криволинейные интегралы 2-го рода Вычисление криволинейного интеграла Свойства Связь между то при любых действительных а и /5 существует и интеграл причем 2. Аддитеностъ. Если кривая АВ разбита на части АС и СБ и криволинейный интеграл существует, то существуют и нтегралы Последнее свойство соитвггггнусг физической интерпретации криволинейного интеграла 2-го рода ках работы силового поля F вдоль некоторого путь: при изменении направления дешкения по кривой работа силового поля вдоль этой кривой меняет знак на противоположный. 2.3. Связь между криволинейными интегралами 1-го и 2-го рода Рассмотрим криволинейный интеграл 2-го рода где ориентированная кривая АВ (А - начальная точка, В - конечная точка) задана векгорным уравнением (здесь I - длина кривой, отсчитываемая в том направлении, в котором ориентирована кривая АВ) (рис. 6). Тогда dr или где г = т(1) - единичный вектор касательной к кривой АВ в точке М(1). Тогда Заметим, что последний интеграл в этой формуле - криволинейный интеграл 1-го рода. При изменении ориентации кривой АВ единичный вектор касательной г заменяется на противоположный вектор (-г), что влечет изменение знака его подынтегрального выражения и, значит, знака самого интеграла. Навигация по сайту Здоровье Психология Отношения Работа Развлечения Свежие статьи Осип эмильевич мандельштам, краткая биография Осип мандельштам биография по датам Классификация гласных и согласных звуков Что стало в плену с сыном Сталина Яковом Джугашвили Когда родился яков сталин История создания и анализ поэмы "Медный всадник" А Феодалы по своему общественному положению были мелкие и крупные и стояли на разных социальных ступенях