Криволинейные интегралы 1 и 2 рода, их свойства
Лекция 5 Криволинейные интегралы 1 и 2 рода, их свойства..
Задача о массе кривой. Криволинейный интеграл 1 рода.
Задача о массе кривой. Пусть в каждой точке кусочно-гладкой материальной кривой L: (AB) задана ее плотность . Определить массу кривой.
Поступим так же, как мы поступали при определении массы плоской области (двойной интеграл) и пространственного тела (тройной интеграл).
1. Организуем разбиение области- дуги L на элементы – элементарные дуги так, чтобы эти элементы не имели общих внутренних точек и(условие А)
2. Отметим на элементах разбиения «отмеченные точки» Mi и вычислим в них значения функции
3. Построим интегральную сумму , где - длина дуги (обычно вводятся одни и те же обозначения для дуги и ее длины). Это – приблизительное значение массы кривой. Упрощение состоит в том, что мы предположили плотность дуги постоянной на каждом элементе и взяли конечное число элементов.
Переходя к пределу при условии (условие В), получим криволинейный интеграл первого рода как предел интегральных сумм:
.
Рекомендуемые материалы
Теорема существования[1].
Пусть функция непрерывна на кусочно-гладкой дуге L[2]. Тогда криволинейный интеграл первого рода существует как предел интегральных сумм.
Замечание. Предел этот не зависит от
- способа выбора разбиения, лишь бы выполнялось условие А
- выбора «отмеченных точек» на элементах разбиения,
- способа измельчения разбиения, лишь бы выполнялось условие В
Свойства криволинейного интеграла первого рода.
1. Линейность
а) свойство суперпозиции
б) свойство однородности .
Доказательство. Запишем интегральные суммы для интегралов в левых частях равенств. Так как в интегральной сумме число слагаемых конечно, перейдем к интегральным суммам для правых частей равенств. Затем перейдем к пределу, по теореме о предельном переходе в равенстве получим желаемый результат.
2. Аддитивность.
Если, то = +
Доказательство. Выберем разбиение области L так, чтобы ни один из элементов разбиения ( первоначально и при измельчении разбиения) не содержал одновременно как элементы L1, так и элементы L2. Это можно сделать по теореме существования (замечание к теореме). Далее проводится доказательство через интегральные суммы, как в п.1.
3. .Здесь – длина дуги .
4. Если на дуге выполнено неравенство , то
Доказательство. Запишем неравенство для интегральных сумм и перейдем к пределу.
Заметим, что, в частности, возможно
5. Теорема об оценке.
Если существуют константы , что , то
Доказательство. Интегрируя неравенство (свойство 4), получим . По свойству 1 константы можно вынести из-под интегралов. Используя свойство 3, получим искомый результат.
6. Теорема о среднем (значении интеграла).
Существует точка , что
Доказательство. Так как функция непрерывна на замкнутом ограниченном множестве , то существует ее нижняя грань и верхняя грань . Выполнено неравенство . Деля обе части на L, получим . Но число заключено между нижней и верхней гранью функции. Так как функция непрерывна на замкнутом ограниченном множестве L, то в некоторой точке функция должна принимать это значение. Следовательно, .
Вычисление криволинейного интеграла первого рода.
Параметризуем дугу L: AB x = x(t), y = y(t), z =z (t). Пусть t0 соответствует точке A, а t1 соответствует точке B. Тогда криволинейный интеграл первого рода сводится к определенному интегралу ( - известная из 1 семестра формула для вычисления дифференциала длины дуги):
Пример. Вычислить массу одного витка однородной (плотность равна k) винтовой линии: .
.
Криволинейный интеграл 2 рода.
Задача о работе силы.
Какую работу производит сила F(M) при перемещении точки M по дуге AB? Если бы дуга AB была отрезком прямой, а сила была бы постоянной по величине и направлению при перемещении точки M по дуге AB, то работу можно было бы вычислить по формуле , где - угол между векторами. В общем случае эту формулу можно использовать для построения интегральной суммы, предполагая силу постоянной на элементе дуги достаточно малой длины. Вместо длины малого элемента дуги можно взять длину стягивающей ее хорды , так как эти величины – эквивалентные бесконечно малые величины при условии (первый семестр). |
1. Организуем разбиение области- дуги AB на элементы – элементарные дуги так, чтобы эти элементы не имели общих внутренних точек и(условие А)
2. Отметим на элементах разбиения «отмеченные точки» Mi и вычислим в них значения функции
3. Построим интегральную сумму , где вектор, направленный по хорде, стягивающей -дугу .
4. Переходя к пределу при условии (условие В), получим криволинейный интеграл второго рода как предел интегральных сумм (и работу силы):
. Часто обозначают
Теорема существования.
Пусть вектор - функция непрерывна на кусочно-гладкой дуге L[3]. Тогда криволинейный интеграл второго рода существует как предел интегральных сумм.
.
Замечание. Предел этот не зависит от
- способа выбора разбиения, лишь бы выполнялось условие А
- выбора «отмеченных точек» на элементах разбиения,
- способа измельчения разбиения, лишь бы выполнялось условие В
Свойства криволинейного интеграла 2 рода.
1. Линейность
а) свойство суперпозиции
б) свойство однородности .
Доказательство. Запишем интегральные суммы для интегралов в левых частях равенств. Так как в интегральной сумме число слагаемых конечно, используя свойство скалярного произведения, перейдем к интегральным суммам для правых частей равенств. Затем перейдем к пределу, по теореме о предельном переходе в равенстве получим желаемый результат.
2. Аддитивность.
Если, то =+.
Доказательство. Выберем разбиение области L так, чтобы ни один из элементов разбиения ( первоначально и при измельчении разбиения) не содержал одновременно как элементы L1, так и элементы L2. Это можно сделать по теореме существования (замечание к теореме). Далее проводится доказательство через интегральные суммы, как в п.1.
3. Ориентируемость.
= -
Доказательство. Интеграл по дуге –L, т..е. в отрицательном направлении обхода дуги есть предел интегральных сумм, в слагаемых которых вместо стоит (). Вынося «минус» из скалярного произведения и из суммы конечного числа слагаемых, переходя к пределу, получим требуемый результат.
Заметим, что свойство ориентируемости в криволинейном интеграле первого рода отсутствует. Зато в криволинейном интеграле второго рода отсутствуют свойства интегрирования неравенств, теорема об оценке и теорема о среднем, которые есть в криволинейном интеграле первого рода.
Вычисление криволинейного интеграла второго рода.
.
Пусть . Запишем .
Тогда криволинейный интеграл второго рода можно записать в виде
.
Параметризуем дугу L = AB: ,
непрерывны, так как дуга гладкая. Подставим эти выражения в криволинейный интеграл, он превратится в определенный интеграл по параметру.
=.
Пример. Вычислить , где - один виток винтовой линии, .
=.
Пример. Вычислить интеграл по трем различным дугам, соединяющим точки A(0,0,), B(1,1,) - ломаная, соединяющая точки A, C(1,0), B,
1) ,
Ещё посмотрите лекцию "79 Чешские земли накануне первой мировой войны" по этой теме.
2)
3)
Пример. Показать, что по всем указанным выше дугам.
[1] Здесь рассматривается непрерывная функция, более общий вариант см. в седьмом томе учебника
[2] Это требование может быть ослаблено, более общий вариант см. в седьмом томе учебника
[3] Это требование может быть ослаблено, более общий вариант см. в седьмом томе учебника