Основные свойства двойного интеграла кратко. Вычисление двойного интеграла путем сведения его к повторному
Основные свойства двойного интеграла
Свойства двойного интеграла (и их вывод) аналогичны соответствующим свойствам однократного определенного интеграла.
1° . Аддитивность . Если функция f (x , y ) интегрируема в области D и если область D при помощи кривой Г площади нуль разбивается на две связные и не имеющие общих внутренних точек области D 1 и D 2 , то функция f (x , y ) интегрируема в каждой из областей D 1 и D 2 , причем
2° . Линейное свойство . Если функции f (x , y ) и g (x , y ) интегрируемы в области D , а α и β - любые вещественные числа, то функция [α · f (x , y ) + β · g (x , y )] также интегрируема в области D , причем
3° . Если функции f (x , y ) и g (x , y ) интегрируемы в области D , то и произведение этих функций интегрируемо в D .
4° . Если функции f (x , y ) и g (x , y ) обе интегрируемы в области D и всюду в этой области f (x , y ) ≤ g (x , y ), то
5° . Если функция f (x , y ) интегрируема в области D , то и функция |f (x , y )| интегрируема в области D , причем
(Конечно, из интегрируемости |f (x , y )| в D не вытекает интегрируемость f (x , y ) в D .)
6° . Теорема о среднем значении . Если обе функции f (x , y ) и g (x , y ) интегрируемы в области D , функция g (x , y ) неотрицательна (неположительна) всюду в этой области, M и m - точная верхняя и точная нижняя грани функции f (x , y ) в области D , то найдется число μ , удовлетворяющее неравенству m ≤ μ ≤ M и такое, что справедлива формула
ДВОЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ
ЛЕКЦИЯ 1
Двойные интегралы. Определение двойного интеграла и его свойства. Повторные интегралы. Сведение двойных интегралов к повторным. Расстановка пределов интегрирования. Вычисление двойных интегралов в декартовой системе координат.
Двойной интеграл представляет собой обобщение понятия определенного интеграла на случай функции двух переменных. В этом случае вместо отрезка интегрирования будет присутствовать какая-то плоская фигура.
Пусть D – некоторая замкнутая ограниченная область, а f (x,y ) – произвольная функция, определенная и ограниченная в этой области. Будем предполагать, что границы области D состоят из конечного числа кривых, заданных уравнениями вида y =f (x ) или x =g(y ), где f (x ) и g (y ) – непрерывные функции.
Разобьем область D произвольным образом на n частей. Площадь i -го участка обозначим символом Ds i . На каждом участке произвольно выберем какую-либо точку P i , и пусть она в какой-либо фиксированной декартовой системе имеет координаты (x i ,y i ). Составим интегральную сумму для функции f (x,y ) по области D, для этого найдем значения функции во всех точках P i , умножим их на площади соответствующих участков Ds i и просуммируем все полученные результаты:
Назовем диаметром diam (G ) области G наибольшее расстояние между граничными точками этой области.
Двойным интегралом функции f (x,y ) по области D называется предел, к которому стремится последовательность интегральных сумм (1.1) при неограниченном увеличении числа разбиений n (при этом ). Это записывают следующим образом
Заметим, что, вообще говоря, интегральная сумма для заданной функции и заданной области интегрирования зависит от способа разбиения области D и выбора точек P i . Однако если двойной интеграл существует, то это означает, что предел соответствующих интегральных сумм уже не зависит от указанных факторов. Для того чтобы двойной интеграл существовал (или, как говорят, чтобы функция f (x,y ) была интегрируемой в области D), достаточно чтобы подынтегральная функция была непрерывной в заданной области интегрирования .
Пусть функция f (x,y ) интегрируема в области D . Поскольку предел соответствующих интегральных сумм для таких функций не зависит от способа разбиения области интегрирования, то разбиение можно производить при помощи вертикальных и горизонтальных линий. Тогда большинство участков области D будет иметь прямоугольный вид, площадь которых равна Ds i =Dx i Dy i . Поэтому дифференциал площади можно записать в виде ds=dxdy . Следовательно, в декартовой системе координат двойные интегралы можно записывать в виде
Замечание . Если подынтегральная функция f (x,y )º1, то двойной интеграл будет равен площади области интегрирования:
Отметим, что двойные интегралы обладают такими же свойствами, что и определенные интегралы. Отметим некоторые из них.
Свойства двойных интегралов.
1 0 . Линейное свойство. Интеграл от суммы функций равен сумме интегралов :
и постоянный множитель можно выносить за знак интеграла :
2 0 . Аддитивное свойство. Если область интегрирования D разбить на две части, то двойной интеграл будет равен сумме интегралов по каждой этой части :
3 0 . Теорема о среднем. Если функция f(x,y ) непрерывна в области D, то в этой области найдется такая точка (x,h), что :
Далее возникает вопрос: как вычисляются двойные интегралы? Его можно вычислить приближенно, с этой целью это разработаны эффективные методы составления соответствующих интегральных сумм, которые затем вычисляются численно при помощи ЭВМ. При аналитическом вычислении двойных интегралов их сводят к двум определенным интегралам.
Свойства двойных интегралов.
Часть свойств двойных интегралов непосредственно вытекает из определения этого понятия и свойств интегральных сумм, а именно:
1. Если функция f(x, y) интегрируема в D , то kf(x, y) тоже интегрируема в этой области, причем (24.4)
2. Если в области D интегрируемы функции f(x, y) и g(x, y) , то в этой области интегрируемы и функции f(x, y) ± g(x, y) , и при этом
3. Если для интегрируемых в области D функций f(x, y) и g(x, y) выполняется неравенство f(x, y) ≤ g(x, y) , то
(24.6)
Докажем еще несколько свойств двойного интеграла :
4. Если область D разбита на две области D 1 и D 2 без общих внутренних точек и функция f(x, y) непрерывна в области D , то
(24.7) Доказательство . Интегральную сумму по области D можно представить в виде:
где разбиение области D проведено так, что граница между D 1 и D 2 состоит из границ частей разбиения. Переходя затем к пределу при , получим равенство (24.7).
5. В случае интегрируемости на D функции f(x, y) в этой области интегрируема и функция | f(x, y) | , и имеет место неравенство
(24.8)
Доказательство.
откуда с помощью предельного перехода при получаем неравенство (24.8)
6. где S D – площадь области D. Доказательство этого утверждения получим, подставляя в интегральную сумму f(x, y) ≡ 0.
7. Если интегрируемая в области D функция f(x, y) удовлетворяет неравенству
m ≤ f(x, y) ≤ M ,
то (24.9)
Доказательство.
Доказательство проводится предельным переходом из очевидного неравенства
Следствие.
Если разделить все части неравенства (24.9) на D , можно получить так называемую теорему о среднем:
В частности, при условии непрерывности функции f в D найдется такая точка этой области (х 0 , у 0 ), в которой f (х 0 , у 0 ) = μ , то есть
-
Еще одна формулировка теоремы о среднем.
Геометрический смысл двойного интеграла.
Рассмотрим тело V , ограниченное частью поверхности, задаваемой уравнением z = f(x, y), проекцией D этой поверхности на плоскость Оху и боковой цилиндрической поверхностью, полученной из вертикальных образующих, соединяющих точки границы поверхности с их проекциями.
z=f(x,y)
V
y P i D Рис.2.
Будем искать объем этого тела как предел суммы объемов цилиндров, основаниями которых являются части ΔS i области D , а высотами – отрезки длиной f (P i ), где точки P i принадлежат ΔS i . Переходя к пределу при , получим, что
(24.11)
то есть двойной интеграл представляет собой объем так называемого цилиндроида, ограниченного сверху поверхностью z = f(x, y) , а снизу – областью D .
Вычисление двойного интеграла путем сведения его к повторному.
Рассмотрим область D , ограниченную линиями x = a, x = b (a < b ), где φ 1 (х ) и φ 2 (х ) непрерывны на [a, b ]. Тогда любая прямая, параллельная координатной оси Оу и проходящая через внутреннюю точку области D , пересекает границу области в двух точках: N 1 и N 2 (рис.1). Назовем такую область правильной в на-
у правлении оси Оу . Аналогично определя-
y=φ 2 (x )ется область, правильная в направлении
N 2 оси Ох . Область, правильную в направле-
Нии обеих координатных осей, будем на-
D зывать просто правильной. Например,
правильная область изображена на рис.1.
y=φ 1 (x ) N 1
O a b x
Пусть функция f(x, y) непрерывна в области D . Рассмотрим выражение
, (24.12)
называемое двукратным интегралом от функции f(x, y) по области D . Вычислим вначале внутренний интеграл (стоящий в скобках) по переменной у , считая х постоянным. В результате получится непрерывная функция от х :
Полученную функцию проинтегрируем по х в пределах от а до b . В результате получим число
Докажем важное свойство двукратного интеграла.
Теорема 1. Если область D , правильная в направлении Оу , разбита на две области D 1 и D 2 прямой, параллельной оси Оу или оси Ох , то двукратный интеграл по области D будет равен сумме таких же интегралов по областям D 1 и D 2:
Доказательство.
а) Пусть прямая х = с разбивает D на D 1 и D 2 , правильные в направлении Оу . Тогда
+
+
б) Пусть прямая y = h разбивает D на правильные в направлении Оу области D 1 и D 2 (рис.2). Обозначим через M 1 (a 1 , h ) и M 2 (b 1 , h ) точки пересечения прямой y = h с гра-ницей L области D .
y Область D 1 ограничена непрерывными линиями
y=φ 2 (x ) 1) y = φ 1 (x );
D 2 2) кривой А 1 М 1 М 2 В , уравнение которой запишем
h M 1 M 2 y = φ 1 *(x ), где φ 1 *(х ) = φ 2 (х ) при а ≤ х ≤ а 1 и
A 1 D 1 B b 1 ≤ x ≤ b , φ 1 *(х ) = h при а 1 ≤ х ≤ b 1 ;
3) прямыми x = a , x = b .
Область D 2 ограничена линиями y = φ 1 *(x ),
A у = φ 2 (х ), а 1 ≤ х ≤ b 1 .
y=φ 1 (x ) Применим к внутреннему интегралу теорему о
разбиении промежутка интегрирования:
O a a 1 b 1 b
+
Представим второй из полученных интегралов в виде суммы:
+ + .
Поскольку φ 1 *(х ) = φ 2 (х ) при а ≤ х ≤ а 1 и b 1 ≤ x ≤ b , первый и третий из полученных интегралов тождественно равны нулю. Следовательно,
I D = , то есть .
Двойной интеграл обладает свойствами, аналогичными свойствам определенного интеграла. Отметим лишь основные из них:
1. Если функции
и
интегрируемы в области
,
то интегрируемы в ней их сумма и разность,
причем
2. Постоянный множитель можно выносить за знак двойного интеграла:
3. Если
интегрируема в области
,
а эта область разбита на две непересекающиеся
областии
,
то
.
4. Если
и
интегрируемы в области
,
в которой
,
то
.
5. Если в области
функция
удовлетворяет неравенствам
,где
и
некоторые действительные числа, то
,
где
– площадь области
.
Доказательства этих свойств аналогичны доказательству соответствующих теорем для определенного интеграла.
Вычисление двойного интеграла в прямоугольных декартовых координатах
Пусть требуется вычислить двойной
интеграл
,
где область-
прямоугольник, определяемый неравенствами,.
Предположим, что
непрерывна в этом прямоугольнике и
принимает в нем неотрицательные значения,
тогда данный двойной интеграл равен
объему тела с основанием,
ограниченного сверху поверхностью
,
с боков - плоскостями
,
,
,
:
.
С другой стороны, объем такой фигуры можно вычислить с помощью определенного интеграла:
,
где
- площадь сечения данного тела плоскостью,
проходящей через точкуи перпендикулярной к оси
.
А так как рассматриваемое сечение
является криволинейной трапецией
,
ограниченной сверху графиком функции
,
гдефиксировано, а,
то
.
Из этих трех равенств следует, что
.
Итак, вычисление данного двойного интеграла свелось к вычислению двух определенных интегралов; при вычислении «внутреннего интеграла» (записанного в скобках) считается постоянным.
Замечание.
Можно доказать, что
последняя формула верна и при
,
а также в случае, когда функция
меняет знак в указанном прямоугольнике.
Правая часть формулы называется повторным интегралом и обозначается так:
.
Аналогично можно показать, что
.
Из выше сказанного следует, что
.
Последнее равенство означает, что результат интегрирования не зависит от порядка интегрирования.
Чтобы рассмотреть более общий случай, введем понятие стандартной области. Стандартной (или правильной) областью в направлении данной оси называется такая область, для которой любая прямая, параллельная этой оси пересекает границу области не более, чем в двух точках. Другими словами, пересекает саму область и ее границу только по одному отрезку прямой.
Предположим, что ограниченная область
и ограничена сверху графиком функции
,
снизу - графиком функции
.
ПустьR{,}
- минимальный прямоугольник, в котором
заключена данная область
.
Пусть в области
определена и непрерывна функция
.
Введем новую функцию:
,
тогда в соответствии со свойствами двойного интеграла
.
И, следовательно,
.
Поскольку отрезок
целиком принадлежит области
то, следовательно,
при
,
а еслилежит вне этого отрезка, то
.
При фиксированном можем записать:
.
Так как первый и третий интегралы в правой части равны нулю, то
.
Следовательно,
.
Из чего получаем формулу для вычисления
двойного интеграла по области, стандартной
относительно оси
путем сведения к повторному интегралу:
.
Если область
является стандартной в направлении оси
и определяется неравенствами,
,
аналогично можно доказать, что
.
Замечание.
Для области
,
стандартной в направлении осей
и
,
будут выполнены оба последних равенства,
поэтому
По этой формуле осуществляется изменение порядка интегрирования при вычислении соответствующего двойного интеграла.
Замечание. Если область интегрирования не является стандартной (правильной) в направлении обеих осей координат, то ее разбивают на сумму стандартных областей и представляют интеграл в виде суммы интегралов по этим областям.
Пример
. Вычислить двойной интеграл
по области
,
ограниченной линиями:
,
,
.
Решение.
Данная область является стандартной
как относительно оси
,
так и относительно оси
.
Вычислим интеграл, считая область
стандартной относительно оси
.
.
Замечание.
Если вычислить интеграл,
считая область стандартной относительно
оси
,
мы получим тот же результат:
.
Пример
. Вычислить двойной интеграл
по области
,
ограниченной линиями:
,
,
.
Решение. Изобразим на рисунке заданную область интегрирования.
Данная область является стандартной
относительно оси
.
.
Пример . Изменить порядок интегрирования в повторном интеграле:
Решение. Изобразим на рисунке область интегрирования.
Из пределов интегрирования находим
линии, ограничивающие область
интегрирования:
,
,
,
.
Для изменения порядка интегрирования
выразимкак
функции оти найдем точки пересечения:
,
,
.
Так как на одном из интервалов функция выражена двумя аналитическими выражениями, то область интегрирования необходимо разбить на две области, а повторный интеграл представить как сумму двух интегралов.
.
Касательная и нормаль к поверхности
Определение. Нормалью к поверхности в точке N 0 называется прямая, проходящая через точку N 0 перпендикулярно касательной плоскости к этой поверхности.
В какой – либо точке поверхность имеет, либо только одну касательную плоскость, либо не имеет ее вовсе.
Если поверхность задана уравнением z = f(x, y), где f(x, y) – функция, дифференцируемая в точке М 0 (х 0 , у 0), касательная плоскость в точке N 0 (x 0 ,y 0, (x 0 ,y 0)) существует и имеет уравнение:
Уравнение нормали к поверхности в этой точке:
Геометрическим смыслом полного дифференциала функции двух переменных f(x, y) в точке (х 0 , у 0) является приращение аппликаты (координаты z) касательной плоскости к поверхности при переходе от точки (х 0 , у 0) к точке (х 0 +Dх, у 0 +Dу).
Как видно, геометрический смысл полного дифференциала функции двух переменных является пространственным аналогом геометрического смысла дифференциала функции одной переменной.
Пример. Найти уравнения касательной плоскости и нормали к поверхности
в точке М(1, 1, 1).
Уравнение касательной плоскости:
Уравнение нормали:
Вычисление двойного интеграла в полярных координатах.
Пусть область D ограничена линией r = r() и лучами = и = , где и r – полярные координаты точки на плоскости, связанные с ее декартовыми координатами x и y
Соотношениями (рис. 5). В этом случае
Замечание. Если область D в декартовых координатах задается уравнением, содержащим бином , например, и т.д., то вычисление двойного интеграла по такой области удобнее производить в полярных координатах.
Двойной интеграл. Основные определения и свойства.
Двойные интегралы.
Рассмотрим на плоскости некоторую замкнутую кривую, уравнение которой
Совокупность всех точек, лежащих внутри кривой и на самой кривой назовем замкнутой областью D. Если выбрать точки области без учета точек, лежащих на кривой, область будет называется незамкнутой область D.
С геометрической точки зрения D - площадь фигуры, ограниченной контуром.
Разобьем область D на n частичных областей сеткой прямых, отстоящих друг от друга по оси х на расстояние Dх i , а по оси у – на Dу i . Вообще говоря, такой порядок разбиения наобязателен, возможно разбиение области на частичные участки произвольной формы и размера.
Получаем, что площадь S делится на элементарные прямоугольники, площади которых равны S i = Dx i × Dy i .
В каждой частичной области возьмем произвольную точку Р(х i , y i) и составим интегральную сумму
где f – функция непрерывная и однозначная для всех точек области D.
Если бесконечно увеличивать количество частичных областей D i , тогда, очевидно, площадь каждого частичного участка S i стремится к нулю.
Определение: Если при стремлении к нулю шага разбиения области D интегральные суммы имеют конечный предел, то этот предел называется двойным интегралом от функции f(x, y) по области D.
С учетом того, что S i = Dx i × Dy i получаем:
В приведенной выше записи имеются два знака S, т.к. суммирование производится по двум переменным х и у.
Т.к. деление области интегрирования произвольно, также произволен и выбор точек Р i , то, считая все площади S i одинаковыми, получаем формулу:
Условия существования двойного интеграла.
Сформулируем достаточные условия существования двойного интеграла.
Теорема. Если функция f(x, y) непрерывна в замкнутой области D, то двойной интеграл существует
Теорема. Если функция f(x, y) ограничена в замкнутой области D и непрерывна в ней всюду, кроме конечного числа кусочно – гладких линий, то двойной интеграл существует.
Свойства двойного интеграла.
3) Если D = D 1 + D 2 , то
4) Теорема о среднем. Двойной интеграл от функции f(x, y) равен произведению значения этой функции в некоторой точке области интегрирования на площадь области интегрирования.
5) Если f(x, y) ³ 0 в области D, то .
6) Если f 1 (x, y) £ f 2 (x, y), то .
№43 Определение Предположим, что кривая C задана векторной функцией где переменная s − длина дуги кривой. Тогда производная векторной функции
Представляет собой единичный вектор, направленный вдоль касательной к данной кривой (рисунок 1).
В приведенной выше формуле α, β
и γ
− углы между касательной и положительными направлениями осей Ox
, Oy
и Oz
, соответственно.
Введем векторную функцию , определенную на кривой C , так, чтобы для скалярной функции
Существовал криволинейный интегра Такой интеграл называется криволинейным интегралом второго рода от векторной функции вдоль кривой C и обозначается как
Таким образом, по определению,
где − единичный вектор касательной к кривой C
.
Последнюю формулу можно переписать также в векторной форме:
Где.
Если кривая C
лежит в плоскости Oxy
, то полагая R =
0, получаем
Свойства криволинейногоинтеграла второго рода
Криволинейный интеграл II рода обладает следующими свойствами: Пусть C обозначает кривую с началом в точке A и конечной точкой B . Обозначим через −C кривую противоположного направления - от B к A . Тогда
Если C − объединение кривых C 1 и C 2 (рисунок 2 выше), то Если кривая C задана параметрически в виде , то Если кривая C лежит в плоскости Oxy и задана уравнениTм (предполагается, что R = 0 и t = x ), то последняя формула записывается в виде
№49Поверхность F задана явно z = z(x,y), (x,y)Î D (компакт),
где z(x,y) имеет в D непрерывные частные производные первого порядка, фунуция f(x,y,z) определена и непрерывна на F. Тогда существует интеграл , равный
Доказательство. Для площадей получаем
Тогда интегральные суммы будут равны
Первая из сумм является интегральной для , вторая может быть сделана сколь угодно малой выбором достаточно мелкого разбиения. Последнее следует из равномерной непрерывности функции f(x,y,z(x,y)) на D.
№40(продолжение) Достаточное условие существования криволинейного интеграла I рода будет сформулировано позже, когда покажем способ его вычисления.
Определение криволинейного интеграла I рода по структуре такое же, как и определение определенного интеграла. Поэтому криволинейный интеграл I рода обладает теми же свойствами, что и определенный интеграл. Приведем эти свойства без доказательства.
СВОЙСТВА КРИВОЛИНЕЙНОГО ИНТЕГРАЛА I РОДА
1. , где – длина кривой .
2. Постоянный множитель можно выносить за знак криволинейного интеграла I рода, т.е.
3. Криволинейный интеграла I рода от алгебраической суммы двух (конечного числа) функций равен алгебраической сумме криволинейных интегралов I рода от этих функций, т.е.
4. Если кривая разбита на две части и , не имеющие общих внутренних точек, то
(свойство аддитивности криволинейного интеграла I рода).
5. Если всюду на кривой функция (), то
6. Если всюду на кривой (),
7. (следствие свойств 6 и 1) Если и – соответственно наименьшее и наибольшее значения функции на кривой , то
где – длина кривой .
8. (теорема о среднем для криволинейного интеграла I рода) Если функция непрерывна на кривой , то найдется такая точка , что справедливо равенство
где – длина кривой .
№42Длина кривой.
Если подынтегральная функция f(x, y, z) ≡ 1, то из определения криволинейного интеграла 1-го рода получаем, что в этом случае он равен длине кривой, по которой ведется интегрирование:
Масса кривой.
Считая, что подынтегральная функция γ (x, y, z) определяет плотность каждой точки кривой, найдем массу кривой по формуле
3. Моменты кривой l найдем, рассуждая так же, как в случае плоской области: -
статические моменты плоской кривой l относительно осей Ох и Оу;
момент инерции пространственной кривой относительно начала координат;
· моменты инерции кривой относительно координатных осей.
4.Координаты центра масс кривой вычисляются по формулам
№38(2) Замена переменных в тройных интегралах
При вычислении тройного интеграла, как и двойного, часто удобно сделать замену переменных. Это позволяет упростить вид области интегрирования или подынтегральное выражение.
Пусть исходный тройной интеграл задан в декартовых координатах x, y, z в области U:
Требуется вычислить данный интеграл в новых координатах u, v, w. Взаимосвязь старых и новых координат описывается соотношениями:
Предполагается, что выполнены следующие условия:
1.Функции φ, ψ, χ непрерывны вместе со своими частными производными;
2.Существует взаимно-однозначное соответствие между точками области интегрирования U в пространстве xyz и точками области U" в пространстве uvw;
3.Якобиан преобразования I (u,v,w), равный
отличен от нуля и сохраняет постоянный знак всюду в области интегрирования U.
Тогда формула замены переменных в тройном интеграле записывается в виде:
В приведенном выражении означает абсолютное значение якобиана.
№38 Тройные интегралы в сферических координатах
Сферическими координатами точки M(x,y,z) называются три числа − ρ, φ, θ , где
ρ − длина радиуса-вектора точки M;
φ − угол, образованный проекцией радиуса-вектора на плоскость Oxy и осью Ox;
θ − угол отклонения радиуса-вектора от положительного направления оси Oz (рисунок 1).
Обратите внимание, что определения ρ, φ в сферических и цилиндрических координатах отличаются друг от друга.
Сферические координаты точки связаны с ее декартовыми координатами соотношениями
Якобиан перехода от декартовых координат к сферическим имеет вид:
Раскладывая определитель по второму столбцу, получаем
Соответственно, абсолютное значение якобиана равно
Следовательно, формула замены переменных при преобразовании декартовых координат в сферические имеет вид:
Тройной интеграл удобнее вычислять в сферических координатах, когда область интегрирования U представляет собой шар (или некоторую его часть) и/или когда подынтегральное выражение имеет вид f (x2 + y2 + z2).
Поверхность
Выберем на гладкой поверхности (замк-нутой или ограниченной гладким контуром) точку М0 и проведем в ней нормаль к поверхности, выбрав для нее определенное направление (одно из двух возможных). Проведем по поверхности замкнутый контур, начинающийся и заканчивающийся в точке М0. Рассмотрим точку М, обходящую этот контур, и в каждом из ее положений проведем нормаль того направления, в которое непрерывно переходит нормаль из предыдущей точки. Если после обхода контура нормаль вернется в точке М0 в перво-начальное положение при любом выборе точки М0 на поверхности, поверхность называется двусторонней. Если же направление нормали после обхода хотя бы одной точки изменится на противоположное, поверхность называется односторон-ней (примером односторонней поверхности служит лист Мебиуса).Из вышесказанного следует, что выбор направления нормали в одной точке одно-значно определяет направление нормали во всех точках поверхности.
Определение
Совокупность всех точек поверхности содинаковымнаправлени-ем нормали называется стороной поверхности.
Ориентация поверхности.
Рассмотрим незамкнутую гладкую двустороннюю поверхность S, ограниченную контуром L, и выберем одну сторону этой поверхности.
Определение
Назовем положительным направление обхода контура L, при котором движение по контуру происходит против часовой стрелки относительно наблюдателя, находящегося в конечной точке нормали к какой-либо точке поверх-ности S, соответствующей выбранной стороне поверхности. Обратное направление обхода контура назовем отрицательным.
Поток векторного поля.
Рассмотрим векторное поле А(М), определенное в пространственной области G, ориентированную гладкую поверхность S G и поле единичных нормалей п(М) на выбранной стороне поверхности S.
Определение 13.3. Поверхностный интеграл 1-го рода , (13.1)
где An – скалярное произведение соответствующих векторов, а Ап – проекция вектора А на направление нормали, называется потоком векторного поля А(М) через выбранную сторону поверхности S.
Замечание 1.
Если выбрать другую сторону поверхности, то нормаль, а, следова-тельно, и поток изменят знак.
Замечание 2.
Если вектор А задает скорость течения жидкости в данной точке, то интеграл (13.1) определяет количество жидкости, протекающей в единицу времени через поверхность S в положительном направлении (отсюда общий термин «поток»).
№53 Поверхностный интеграл второго рода. Определение и св-ва.
Определение
Рассмотрим двустороннюю поверхность , гладкую или кусочно-гладкую, и фиксируем какую-либо из двух ее сторон, что равносильно выбору на поверхности определенной ориентации.
Для определенности предположим сначала, что поверхность задана явным уравнением причем точка изменяется в области на плоскости , ограниченный кусочно-гладким контуром.
Пусть теперь в точках данной поверхности определена некоторая функция . Разбив поверхность сетью кусочно-гладких кривых на части и выбрав на каждой такой части точку вычисляем значение функции в данной точке и умножим его на площадь проекции на плоскость элемента , снабженную определенным знаком. Составим интегральную сумму:
Конечный предел этой интегральной суммы при стремлении диаметров всех частей к нулю называют поверхностным интегралом второго рода от
распространенным на выбранную сторону поверхности , и обозначают символом
(здесь ) напоминает о площади проекции элемента поверхности на плоскость
Если вместо плоскости спроектировать элементы поверхности на плоскость или , то получим два других поверхностных интеграла второго типа:
В приложениях чаще всего встречаются соединения интегралов всех этих видов:
где суть функции от , определенные в точках поверхности .
Связь между поверхностными интегралами второго и первого рода
Где - единичный вектор нормали поверхности - орт.
Свойства
1. Линейность: ;
2. Аддитивность: ;
3. При изменении ориентации поверхности, поверхностный интеграл меняет знак.
№60 Опера́торна́бла (оператор Гамильтона) - векторный дифференциальный оператор, обозначаемый символом (набла). Для трёхмерного евклидова пространства в прямоугольных декартовых координатах оператор набла определяется следующим образом: где - единичные векторы по осям x, y, z.
Свойства оператора набла. Этот вектор приобретает смысл в сочетании со скалярной или векторной функцией, к которой он применяется.Если умножить вектор на скаляр φ, то получится вектор который представляет собой градиент функции. Если вектор скалярно умножить на вектор , получится скаляр
то есть дивергенция вектора . Если умножить на векторно, то получится ротор вектора :
Замечание: как и для обозначения скалярного и векторного произведения вообще, в случае их применения с оператором набла, наряду с использованными выше, часто используются эквивалентные им альтернативные обозначения, так, например, вместо нередко пишут , а вместо пишут ; это касается и формул, приводимых ниже.
Соответственно, скалярное произведение есть скалярный оператор, называемый оператором Лапласа. Последний обозначается также . В декартовых координатах оператор Лапласа определяется следующим образом: Поскольку оператор набла является дифференциальным оператором, то при преобразовании выражений необходимо учитывать как правила векторной алгебры, так и правила дифференцирования. Например:
То есть производная выражения, зависящего от двух полей, есть сумма выражений, в каждом из которых дифференцированию подвергается только одно поле. Для удобства обозначения того, на какие поля действует набла, принято считать, что в произведении полей и операторов каждый оператор действует на выражение, стоящее справа от него, и не действует на всё, что стоит слева. Если требуется, чтобы оператор действовал на поле, стоящее слева, это поле каким-то образом отмечают, например, ставя над буквой стрелочку: Такая форма записи обычно используется в промежуточных преобразованиях. Из-за её неудобства в окончательном ответе от стрелочек стараются избавиться.
№61 Векторными дифференциальными операциями второго порядка называются следующие пять операций:
1. где - оператор Лапласа.
- - - - - - - -- - - - - - - - - - - - - -
2
- - - - - - - - - - - - -
3 .
- - - - - - - - - - - - - - - - -
4. Здесь - это векторная величина, полученная в результате применения оператора Лапласа к каждой проекции вектора .
- - - - - - - - - - - - - - -