гыг (Краткий курс математического анализа в лекционном изложении для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана), страница 8
Описание файла
PDF-файл из архива "Краткий курс математического анализа в лекционном изложении для студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "кратные интегралы и ряды" из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. .
Просмотр PDF-файла онлайн
Текст 8 страницы из PDF
Нормаль к поверхности проведена так, чтобы наблюдатель, находясь наконце вектора нормали, видел бы обход контура , совершающимся в положительномнаправлении (так, чтобы область, границей которой является контур, при обходе контуранаходилась бы «по левую руку»).zДоказательство теоремы Стокса.Как и формула Остроградского – Гаусса, формула Стоксасостоит из трех независимых частей (в силупроизвольности компонент векторного поля). Докажемодну из этих частей, остальные формулы доказываютсяy PPаналогично. Докажем z dxdz y dxdy Pdx Dxчасть формулы Стокса, в которой содержится толькокомпонента P.Предположим,чтоповерхностьописываетсяуравнением z x, y . Тогда нормаль к поверхности37представляет собой вектор y x1n cos , cos , cos ,,222222x y x y x y 111"Отсюда видно, что cos y cos .
Вспомним еще, что d cos dxdz , d cos dxdy . PP PP P x, y P cos d yy z dxdz y dxdy z cos y cos d z(на поверхности z x, y , поэтому под интегралом стоит частная производная P по y сучетом зависимости z от y на поверхности )P( x, y, ( x, y))Pdxdy dxdy = yyDИспользуем формулу Грина для области D с ее границей .
Ее можно записать в виде QP x y dxdy Pdx Qdy . Нам понадобится только та ее часть, которая относится кDфункции PP y dxdy Pdx . Продолжаем равенство дальше.D= P( x, y, x, y )dx P( x, y, z )dx .В самом деле, на контуре z x, y , а переменные x, y на том и другом контуре те же,так как контур - это проекция контура на плоскость OXY (параллельно оси OZ).Одна из частей формулы Стокса доказана.Линейным интегралом векторного поля a по дуге L называется криволинейныйинтеграл Pdx Qdy Rdz .LЛинейный интеграл имеет смысл работы векторного поля при перемещении по дуге.Циркуляцией векторного поля называется линейный интеграл по замкнутому контуру.Ц a Pdx Qdy Rdz .Вводя эти понятия, можно записать формулу Стокса в «полевой» формеЦ a П rot a . Мы определили ротор векторного поля в декартовой системе координат, однако ротор– это характеристика самого векторного поля Поэтому необходимо дать определениеротора, которое не зависит от выбора системы координат.Инвариантное определение ротора.Рассмотрим произвольную точку M в области V.
Проведем через нее поверхность ,границей которой служит контур . Пусть поверхность и контур удовлетворяют условиямтеоремы Стокса. По теореме о среднем для поверхностного интеграла и формуле Стоксаполучим rota nd rota(M ) n M Pdx Qdy Rdz . 38Здесь, как и ранее - обозначение области и ее площади. Из этого соотношения,стягивая контур к точке M, получимrota M n M lim M Pdx Qdy RdzЭто и есть инвариантное определение ротора.Правая часть формулы – это поверхностная плотность циркуляции векторного поля(энергии в точке M вращения векторного поля или работы векторного поля при вращениивокруг некоторого направления, определяемого вектором n M ). Левая часть – это проекцияротора на это направление.Если направление n M совпадает с направлением ротора и n M - единичный вектор,то левая часть равна модулю ротора.
Поэтому модуль ротора векторного поля равенмаксимальному значению поверхностной плотности циркуляции векторного поля.Левая часть достигает максимума при коллинеарности направления ироторавекторного поля. Поэтому направление ротора векторного поля – это то направление,вокруг которого поверхностная плотность циркуляции векторного поля – наибольшая.Пример. Найти ротор линейной скорости вращения с постоянной угловой скоростью Векторное поле линейной скорости v r .ijkv x y z z y y z i x z z x j y x x y k ,xyzirotv xz y y zjyx z z xk 2 x i 2 y j 2 z k 2zy x x yРанее была сформулирована теорема о полном дифференциале для пространственнойкривой.
В ее доказательстве не хватало только одного пункта – перехода от пункта 3) кпункту 2). Все остальное доказывается аналогично случаю плоской кривой.Теорема (о полном дифференциале) для пространственной кривой.Пусть дуга AB лежит на кусочно-гладкой поверхности S, пусть функции P(x, y, z), Q(x,y, z), R(x, y, z) непрерывны и имеют непрерывные частные производные на S. Тогдаследующие четыре утверждения эквивалентны.1) Pdx Qdy Rdz не зависит от формы дуги (от пути интегрирования), а зависитABтолько от начальной и конечной точек дуги.2) Для любого замкнутого контура S Pdx Qdy Rdz 03)Q P R Q P R,,x y y z z xx, y, z S4) Pdx Qdy Rdz dV ( x, y, z ), P дифференциал.VVV.,Q,RxyzV ( x, y, z ) -полный39Теперь переход от пункта 3) к пункту 2) легко сделать по формуле Стокса.Криволинейный интеграл от полного дифференциала можно вычислять по формуле x2 , y 2 , z 2 x2 x1 , y1 , z1 x1y2z2 Pdx Qdy Rdz = Px, y , z dx Qx , y, z dy Rx , y z dz , так как интеграл1121y122z1не зависит от формы дуги (пути интегрирования).Криволинейный интеграл от полного дифференциала можно вычислять также поформуле Ньютона – Лейбница x2 , y 2 , z 2 Pdx Qdy Rdz = V x , y2 x1 , y1 , z1 2, z 2 V x1 , y1 , z1 , где V x, y, z - потенциал векторногополя ( a gradV ).Потенциальное поле и его свойства.Векторное поле a (M ) называется потенциальным, если существует такое скалярноеполе V (M ) (потенциал векторного поля a (M ) ), что a (M ) = gradV (M ) .Замечание.
Если поле a (M ) - потенциально, то a (M ) dr = gradV dr dV - полныйдифференциал. Тогда Pdx Qdy Rdz a dr dV - полный дифференциал. Поэтомусвойства потенциального поля можно сформулировать и доказать как следствия теоремы ополном дифференциале.Свойства потенциального поля.1. Линейный интеграл потенциального поля a dr не зависит от формы дуги L =AB ,Lа зависит только от начальной и конечной точек дуги.В самом деле, a dr = gradV dr dV V ( B) V ( A) .LLL2. Циркуляция потенциального поля равна нулюПолагая дугу АВ замкнутой (A = B), получаем a dr = V ( A) V ( A) 0L3.
Потенциальное поле является безвихревым, т.е. rota 0irota rot ( gradV ) xVxjyVyk 2V 2V 2V 2V 2V 2V i j k 0z yz zy zx xz xy yx VzОператор Гамильтона40 Оператор Гамильтона i j k .yz x ijk grad .xyzОператор Гамильтона представляет собой вектор-оператор. Его можно скалярно иливекторно умножить на векторное поле a M . ijk P Q R a diva 0, a rota.x y zx y zP Q RЭто дифференциальные операции первого порядка над скалярным и векторнымполями. От скалярного поля можно взять градиент, от векторного поля можно взятьдивергенцию и ротор.Применим оператор Гамильтона к скалярному полю Дифференциальные операции второго порядка.В результате дифференциальных операций первого порядка мы получаем скалярные ивекторные поля grad , rota, diva .К ним вновь можно применить дифференциальные операции первого порядка.От скалярного поля diva можно взять градиент, получив векторное поле graddiva .От векторных полей grad , rota можно взять ротор и дивергенцию, получивскалярные поля div grad , div rota и векторные поля rot grad , rot rota .Итак, дифференциальные операции второго порядка позволяют получить скалярныеполя div grad , div rota и векторные поля graddiva , rot grad , rot rota .Ранее было показано, что потенциальное поле – безвихревое, т.е.
rot grad =0.Покажем, что поле ротора – соленоидальное поле, т.е. div rota =0.Доказательство. ijk R Q P R Q P i krot a j x y z y z z x x y P Q R 2 R 2Q 2 P 2 R 2Q 2 Pdiv rota = 0.xy xz yz yx zx zyТри остальных векторных поля связаны друг с другом. Это становится ясным, еслирассматривать векторные операции с оператором Гамильтона «набла» аналогично обычнымвекторным операциям. Однако, эти аналогии не совсем верны, см. подробнее о свойствахоператора «набла» выпуск 7 учебника.rot grad = 0 , div rota = a a 0 Известно соотношение a b c b a c c a b . Перенося это правила на действия соператором «набла», получим rot rota a a a ( ) graddiva 2 a graddiva (div grad )a . 41222- оператор Лапласа (скаляр – оператор).x 2 y 2 z 2 222div grad div i j k 2 2 2 2 .yz xyz x(div grad )a 2 Pi 2 Qj 2 Rk - произведение скаляр-оператора Лапласа на вектор a .Здесь 2 Гармоническое поле.Скалярное поле x, y, z называется гармоническим, если 2 2 2 2 0 - уравнение Лапласа.x 2 y 2 z 2Векторное поле называется гармоническим, если оно потенциальное ( a grad ), а 2 2 2 0.x 2 y 2 z 2Теорема.
Для того, чтобы векторное поле a (M ) было гармоническим, необходимо идостаточно чтобы оно было соленоидальным и потенциальным.Необходимость. Если векторное поле a (M ) - гармоническое, то оно потенциальное,т.е. a grad , тогда оно соленоидально, так как diva div grad 2 0 .Достаточность. Если векторное поле a (M ) потенциальное, то a grad . Так как оноеще и соленоидально, то 0 = diva div grad 2 .
Следовательно, поле потенциально и егопотенциал удовлетворяет уравнению Лапласа, поэтому векторное поле – гармоническое.потенциал - гармоническое скалярное поле, т.е. 2 Так как гармоническое поле потенциально и соленоидально, то его свойства – свойствасоленоидального поля и свойства потенциального поля.42Часть 2. Числовые и функциональные рядыЛекция 10. Числовые ряды и их свойства.Числовой рядan 1n– это сумма бесконечного количества чисел, выбранных поопределенному алгоритму. Обычно задают формулу общего члена ряда a n .Примеры1 1 1 111. 1+ ...
n1 ... бесконечноубывающая2 4 8 16211прогрессия со знаменателем q . Ее сумма равна 2,12122. 1+1+1+…..Сумма этого ряда бесконечна.геометрическая3. 1-1+1-1… Сумма этого ряда не существует (ни конечная, ни бесконечная).При изучении рядов возникает основной вопрос: «Сходится ли ряд». Отвечая на этот1 3вопрос для геометрической прогрессии, мы вычисляем последовательно S 2 1+ ,2 21 1 71 1 1 15S 3 =1+ , S 4 1+ , - суммы n членов ряда – частичные суммы ряда2 4 42 4 8 8Sn .Рядan 1nназываетсясходящимся,еслисуществуетконечныйпределпоследовательности частичных сумм ряда – он называется суммой рядаlim n S n S .Ряд называется расходящимся, если предел частичных сумм ряда бесконечен иливообще не существует.Необходимый признак сходимости ряда.