Добавил:

Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Белорусский государственный педагогический университет им. М. Танка

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Вектор-функция.doc

Скачиваний:

Добавлен:

01.03.2025

Размер:

717.31 Кб

Скачать

☆

1 / 31 2 3 > Следующая >>>

1. Вектор-функция скалярного аргумента Вектор-функция скалярного аргумента, годограф вектор функции

Определение. Если каждому значению параметра из некоторого промежутка отвечает определенный вектор (зависящий от ), то вектор называется векторной функцией (кратко вектор-функция) от скалярного аргумента и в этом случае пишут:

. (1.1)

При изменении аргумента вектор изменяется как по величине, так и по направлению. В дальнейшем будем предполагать, что изменяется в промежутке, конечном или бесконечном.

Будем считать, что вектор исходит из начала координат, т.е. − радиус-вектор некоторой точки . В этом случае при изменении параметра конец вектора опишет линию , называемую годографом векторной функции . При этом начало координат называют полюсом годографа. Уравнение (1.1) называют векторным уравнением кривой (рис. 1.1).

Если у вектора меняется только модуль, то годографом его будет луч, исходящий из полюса. Если модуль вектора постоянен и меняется только его направление, то годограф есть линия, лежащая на сфере с центром в полюсе и радиусом, равным модулю вектора .

Рис. 1.1

Если через обозначить проекции вектора на оси прямоугольной декартовой системы координат в пространстве, то эти величины для каждого значения параметра в свою очередь принимают определенные числовые значения и поэтому являются скалярными функциями скалярного аргумента :

, , . (1.2)

И тогда

. (1.3)

Таким образом, задание векторной функции скалярного аргумента равносильно заданию трех скалярных функций того же аргумента. Т.к. уравнение (1.1) является уравнением некоторой кривой в пространстве, то ту же кривую задают уравнения (1.2). Уравнения (1.2) − обычные параметрические уравнения кривой в пространстве.

Пример. Рассмотрим кривую, заданную параметрически с помощью уравнений

, , .

Эта кривая называется винтовой линией. Ее векторное уравнение

При любом значении параметра . Это означает, что винтовая линия расположена на цилиндре . Отсюда следует, что, когда точка движется по винтовой линии, ее проекция на плоскости перемещается по окружности радиуса и с центром в начале координат, причем является полярным углом точки . Когда точка описывает полную окружность, аппликата точки винтовой линии увеличивается на . Эта величина называется шагом винтовой линии.

Предел, непрерывность, производная вектор-функции

Пусть вектор-функция определена в окрестности точки , кроме самой точки .

Вектор называется пределом векторной функции при (или в точке ), если

. (1.4)

Если есть предел функции при , то это записывается так

. (1.5)

Если записать векторную функцию и вектор в проекциях

то получим

. (1.6)

Тогда из равенства (1.4) следует, что

, , . (1.7)

Свойства вектор-функции:

1. Если , то .

2. .

3. , − скалярная функция.

5. .

Вектор-функция , определенная в некоторой окрестности точки , называется непрерывной в точке , если .

Из равносильности (1.4) и (1.7) следует, что для того чтобы вектор-функция была непрерывной в точке , необходимо и достаточно, чтобы в этой точке были непрерывны функции .

Введем понятие производной векторной функции

. (1.8)

Предполагаем, что начало вектора находится в начале системе координат (рис.1.2).

Рис. 1.2

Возьмем фиксированное значение параметра, соответствующее какой-либо точке определенной точке на кривой, заданной уравнением (1.8), и дадим параметру приращение . Тогда получим вектор:

который определяет некоторую точку . Найдем приращение вектора:

(1.9)

На рисунке, где , . Вектор приращения определяется вектором .

Рассмотрим отношение приращения вектор-функции к приращению скалярного аргумента; это есть вектор коллинеарный с вектором . При этом вектор в сторону, соответствующую возрастанию параметра .

Далее с учетом (1.9) вектор можно представить в виде

.(1.10)

Если функции имеют производные при выбранном значении параметра , то множители при в равенстве (1.10) в пределе при обратятся в производные .

Значит, .

Вектор, определяемый последним равенством, называется производной от вектора по скалярному аргументу . Ее обозначают или . Итак,

. (1.11)

Выясним направление вектора . Заметим, что при точка стремится к точке и поэтому секущая стремится к касательной в точке . Отсюда, производная является вектором, касательным к годографу вектор-функции , направленным в сторону, соответствующую возрастанию параметра .