
1944
.pdf
Вычисление криволинейного интеграла II рода
|
Формулы |
|
|
|
|
|
П р и м е р |
|
|
||
Параметрическое представление |
Найти работу силы |
|
|
|
|
||||||
кривой |
интегрирования |
F (8x 4y 2)i (8y 2) j, где L – |
|||||||||
x x(t), y y(t),t t ,t |
2 |
: |
|
контур ОВА, пробегаемый в |
|
||||||
|
1 |
|
|
|
|||||||
P(x,y)dx Q(x, y)dy |
|
|
|
|
|
|
положительном |
||||
|
|
|
Y |
6 A |
|
направлении, и |
|||||
L |
|
|
|
|
|
|
|
A(3,6), B(0,6),O(0,0) |
|||
t2 |
|
|
|
|
|
|
|
Р е ш е н и е |
|||
P(x(t),y(t))xt Q(x(t),y(t))yt dt |
|
|
|
||||||||
t1 |
|
|
|
|
|
|
|
По свойству |
|||
|
|
|
|
|
|
|
3 X |
аддитивности: |
|||
|
|
|
|
|
O |
B |
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
L |
OB |
BA |
AO |
|
|
|
|
x 0,3, |
|
|
|
||||
Явное |
представление |
кривой |
АО: y 2x, |
|
dy 2dx, |
|
|||||
интегрирования |
|
|
|
(8x 4y 2)dx (8y 2)dy |
|
||||||
y y(x), |
x a,b : |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
АO |
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8x 4 2x 2)dx (8 2x 2) 2dx 234. |
||||||
|
|
|
|
|
3 |
|
x 0,3, |
|
|
|
|
P(x, y)dx Q(x, y)dy |
|
|
ОВ: y 0, |
|
dy 0, |
|
|
||||
L |
|
|
|
|
(8x 4y 2)dx (8y 2)dy |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
b |
|
|
|
|
OB |
|
|
|
|
|
|
P(, y(x)) Q(x, y(x))y (x)dx |
|
|
|
|
|
|
|||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|||||
a |
|
|
|
|
(8x 2)dx 42. |
|
|
|
|
||
Y |
|
|
|
|
0 |
|
y 0,6 , |
|
|
|
|
|
|
|
|
ВА: x 3, |
dx 0, |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Fk |
B |
|
|
(8x 4y 2)dx (8y 2)dy |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
ВА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
|
A |
|
|
|
|
(8y 2)dy 156. |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
А 243 42 156 36. |
|
|
||||
a |
b |
|
|
|
Проверим |
полученный |
|
результат, |
|||
|
|
|
|
|
используя формулу Грина. Имеем |
||||||
|
|
|
|
|
замкнутый контур – треугольник ОВА. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Py (8x 4y 2)y 4, Qx (8y 2)x 0, |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
3 |
2y |
|
|
|
|
|
|
|
|
A 4dxdy 4 dx dy 36 |
|
|||||
|
|
|
|
|
D |
|
0 |
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
90

Вычисление поверхностного интеграла II рода
|
|
|
|
|
|
Формулы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е р |
|
|
|
|||||
F n d (Pcos Qcos Rcos )d . |
Вычислить xdydz zdzdx 5dxdy. |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Если поверхность задана на области D |
А) |
По |
верхней |
стороне части |
||||||||||||||||||||
плоскости OXY функцией z z(x, y), то |
плоскости |
2x 3y z 6, |
лежащей |
|||||||||||||||||||||
Rcos d R(x, y,z(x, y)) dxdy, |
в IV октанте. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Dxy |
|
|
|
|
Б) По внешней стороне пирамиды, |
|||||||||||||
где Dxy |
– проекция поверхности |
на |
ограниченной |
плоскостями |
||||||||||||||||||||
ОXY. Знак плюс или минус перед |
2x 3y z 6, |
x 0, y 0, z 0. |
||||||||||||||||||||||
двойным |
|
|
|
|
интегралом |
берется |
в |
Р е ш е н и е |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
зависимости от |
ориентации поверхности |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
(cos |
будет |
положительным |
или |
|
|
|
|
|
|
|
Z |
6 |
|
|
|
|
||||||||
отрицательным). |
|
|
|
|
|
n |
|
Dyz |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Z |
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Dxz |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
-2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
X |
|
|
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А) |
Нормальn (2; 3;1), |
|
соответ- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
Аналогично: |
|
|
|
|
|
ствующая |
|
|
указанной |
|
|
стороне |
||||||||||||
Rcos d R(x(y,z), y,z) dydz; |
|
поверхности, |
образует с осью OY |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Dyz |
|
|
|
|
тупой угол, а |
осями OX и OZ – |
||||||||||||
Rcos d R(x, y(x,z),z) dxdz; |
|
острые углы. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Dxz |
|
|
|
|
сos |
nx |
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
0. |
||
F n d (Pcos Qcos Rcos )d |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
n |
|
|
4 9 1 |
14 |
|
P(x,y,z)dydz Q(x,y,z)dzdx R(x,y,z)dxdy |
|
|
3 |
|
|
1 |
|
|
|||||||||
|
|
|
|
cos |
|
|
|
|
|
0, |
cos |
|
|
|
0. |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
P(x(y, z)y, z)dydz |
Q(, y(x, z)z)dxdz |
|
14 |
|
|
|
|
14 |
|
|
||||||
xdydz zdzdx 5dxdy |
|
|
|||||||||||||||
|
Dyz |
|
Dxz |
|
|
||||||||||||
R(x, y,z(x, y,))dxdy |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Dxy |
|
|
|
( 3 |
3 |
y |
z |
)dydz |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Dyx |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
zdzdx 5 dxdy 9. |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Dxz |
|
|
|
|
|
|
Dxy |
|
|
|
|
|
Б) По формуле Стокса имеем:
xdydz zdzdx 5dxdy
( 1 0 0)dxdydz dv 6
V V
91

|
Раздел 15. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ПОЛЯ |
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Скалярное поле |
|
|
|
|
|
||||
Понятия |
|
|
Определения и формулы |
|
П р и м е р |
|
|
||||||||||
Определение |
Скалярное |
|
поле |
– |
часть |
Найти производную функции |
|||||||||||
поля |
пространства, в каждой точке |
u 3x2 5y2 |
в точке А(1,-1) по |
||||||||||||||
|
М(x,y,z) |
|
|
которого |
задана |
направлению |
к точке В(2,1). |
||||||||||
|
скалярная функция u f (x, y,z) |
Определить |
|
величину |
и |
||||||||||||
Геометри- |
Поверхность (линия) уровня |
направление |
максимального |
||||||||||||||
ческие |
скалярного |
|
|
поля |
|
есть |
роста данной функции в точке |
||||||||||
характерис- |
геометрическое место точек, в |
А. |
|
|
|
|
|
||||||||||
тики |
которых |
функция |
принимает |
Р е ш е н и е |
|
|
|
||||||||||
скалярного |
постоянное |
|
|
значение, |
т.е |
u A ux(A)cos uy (A)cos |
|||||||||||
поля |
u(М)=с. |
|
|
|
|
u f (x,y) |
s |
|
|
|
|
|
|||||
|
Для плоского |
|
поля |
ux 6x, uy |
10y, |
|
|
||||||||||
|
линия уровня |
|
f (x, y) c, |
для |
ux (A) 6 1 1, |
|
|
|
|||||||||
|
пространственного |
поля |
uy (A) 10 ( 1) |
10. |
|
|
|||||||||||
|
u f (x, y,z) |
|
|
поверхность |
s AB (1,2), |
|
|
|
|||||||||
|
уровня |
f (x, y, z) c |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
s 12 22 |
|
5, |
|
|
|||||||||
Производная |
u u cos u cos |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
функции |
s |
x |
|
|
|
y |
|
|
|
cos sx |
|
1 |
, |
|
|
||
u f (x, y,z) |
u cos , |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
по |
где |
|
|
|
s |
|
5 |
|
|
|
|||||||
направлению |
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
|
sy |
|
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
вектора s |
s |
0 |
(cos ,cos ,cos ) |
|
|
cos |
5 |
|
|
||||||||
|
u |
|
s |
|
|
|
|
||||||||||
Градиент |
|
|
_________ |
|
|
u |
u |
|
|
|
|
|
|
|
|||
функции |
|
|
grad u |
|
, |
, |
|
|
u |
1 |
2 |
14 |
. |
||||
u f (x, y,z) |
|
|
|
|
|
|
x |
y |
z |
|
(A) 6 |
10 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
s |
|
5 |
5 |
5 |
|
|
Связь между |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Функция |
|
в |
направлении |
||
характерис- |
grad u |
|
|
|
|
|
|
|
|
вектора AB убывает. |
|
|
|||||
тиками |
|
|
|
|
s0 |
|
|
s |
|
|
Градиент |
|
|
указывает |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
направление, |
в |
котором |
||||
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
функция растет быстрее, чем |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
по другим направлениям. |
|
||||||
|
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gradu(A) ux (A), uy (A) |
|
||||||
|
u пр |
|
_______ |
|
|
|
|
||||||||||
|
S0 |
grad u, |
|
|
|
gradu(A) (6, 10). |
|
|
|||||||||
|
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
max u |
|
_______ |
|
|
|
Максимальный рост в точке А |
||||||||||
|
gradu |
|
|
|
соответствует |
длине |
вектора |
||||||||||
|
|
s |
s |
|
|
|
|
|
|
|
|
градиента: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
grad u(A) |
62 10 2 136 |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
92 |
|
|
|
|
|
|
|

Векторное поле
Основные |
|
|
Формулы и поясняющие рисунки |
|
|
|
П р и м е р |
|||||||||||||||||||||||||
понятия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
||||||
Определе- |
Векторное поле – часть пространства, в |
|
Поле |
|
линейных |
|||||||||||||||||||||||||||
ние поля |
каждой точке М(x,y,z) |
которого задана |
|
скоростей |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
векторная функция |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
вращающегося тела |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
ax (x,y,z)i ay (x, y,z) j az (x,y,z)k . |
|
имеет вид: |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
a |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V yi x j |
|||||||
|
Для плоского поля a ax (x,y)i ay (x,y) j |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
Z |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Геометри- |
Векторные линии – кривые, в каждой |
|
|
|
V |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
ческие |
точке которых вектор поля направлен по |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
характерис- |
касательной: |
|
dx |
|
dy |
|
dz |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
M(x, y,z) |
|||||||||||||||
тики |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
ax |
|
|
|
ay |
|
|
az |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|||||||||||
|
Векторная трубка – поверхность, |
|
|
|
|
Y |
||||||||||||||||||||||||||
|
образованная векторными линиями |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Поток |
Поток вектора а через поверхность |
– |
|
X |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
вектора |
интеграл по поверхности от скалярного |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
через |
произведения вектора поля на единичный |
Найти: |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
поверх- |
вектор нормали к поверхности: |
|
А) векторные линии |
|||||||||||||||||||||||||||||
ность |
|
|
|
|
|
П anod |
|
поля; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Б) |
дивергенцию |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
поля; |
|
|
|
|
|
||||||
Диверген- |
Дивергенция вектора а – скаляр, равный |
В) |
циркуляцию |
|||||||||||||||||||||||||||||
ция |
объемной |
|
|
плотности |
|
потока |
в |
вектора поля; |
||||||||||||||||||||||||
векторного |
рассматриваемой точке поля: |
|
Г) ротор поля. |
|||||||||||||||||||||||||||||
поля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
an0d |
|
Р е ш е н и е |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
А) Имеем |
плоское |
||||||||||||||
|
|
|
|
div а lim |
|
|
|
, |
|
векторное поле: |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V 0 |
|
|
V |
|
ax y, ay x. |
|||||||||||||||||
|
|
где – замкнутая поверхность, |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
dx |
|
dy |
|
dz |
|
|||||||||||||||||||||||
|
ограничивающая объем V; n0 – орт ее |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
внешней нормали; |
|
|
объем |
V 0 |
|
|
y |
x |
0 |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
xdx ydy, |
|||||||||||||||||||||||||||
|
стягивается к рассматриваемой точке. |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
Расчетная формула: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 dy xdz. |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
div a |
|
ax |
|
ay |
|
az |
|
Интегрируем: |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x2 y2 c1, |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
y |
z |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Связь |
Векторная формулировка теоремы Гаусса |
z c2. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
между |
– Остроградского: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т.о., векторные ли- |
|||||||||||||||
характерис- |
|
|
П |
|
an |
0 |
|
|
div a dV |
|
нии – окружности с |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
центрами на оси OZ, |
||||||||||||||||||||||||||||
тиками |
|
|
|
|
|
d |
|
|
лежащие в плоскос- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
V |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
тях, перпендикуляр- |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ных к этой оси |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Продолжение таблицы |
93

1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
Циркуля- |
Пусть |
r xi y j zk |
– |
радиус-вектор |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
ция |
точки |
М на контуре L. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
вектор- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Циркуляция |
вектора |
а |
вдоль |
L |
– |
Б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
ного поля |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
криволинейный |
|
интеграл |
|
по |
divV(M) |
( y) |
|
|||||||||||||||
|
замкнутому контуру |
L от |
скалярного |
|
|||||||||||||||||||
|
произведения вектора а на вектор dr , |
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
( x) 0. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
касательный к контуру L. |
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
С ad axdx aydy azdz . |
|
|
|
В) Будем считать, что |
||||||||||||||||||
|
|
L |
|
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
направление нормали к |
||||||||||
|
Физический смысл: Fdr А – работа |
плоскости |
совпадает |
с |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
L |
|
|
|
|
|
|
направлением оси OZ. |
||||||||||
|
силы |
F(M) |
поля |
при |
перемещении |
С ydx xdy |
|
||||||||||||||||
|
материальной точки вдоль замкнутого |
|
|
Д |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
контура L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Ротор |
Ротор поля |
|
– вектор, |
проекция |
2 ( ydx xdy) |
|
|||||||||||||||||
rot a |
|
|
2 L |
|
где |
|
S |
|
– |
||||||||||||||
вектор- |
которого |
на |
любое |
направление |
n |
2 S , |
|
|
|
||||||||||||||
ного поля |
площадь |
|
поверхности, |
||||||||||||||||||||
|
равна |
|
поверхностной |
плотности |
ограниченной |
|
кривой |
||||||||||||||||
|
циркуляции по контуру площадки, |
|
|||||||||||||||||||||
|
L. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
перпендикулярной |
|
|
к |
|
|
этому |
Заметим, |
|
что |
|
если |
|||||||||||
|
направлению. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
нормаль к поверхности |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
lim |
ad |
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
S |
образует |
угол |
|
с |
|||||||||
|
|
(rot a)n0 |
|
|
|
0 |
|
, |
|
||||||||||||||
|
|
rotn a(M) |
L |
|
|
осью |
|
|
OZ, |
|
|
то |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
циркуляция |
|
|
|
|
|
|||||
|
где |
|
– |
поверхность, |
натянутая |
на |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
замкнутый контур L; |
n0 |
– орт нормали |
С |
2 S cos . |
|
|
|
|||||||||||||||
|
Г) rotV(M) |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
к поверхности, направленный в ту |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
сторону поверхности, |
с которой обход |
|
|
i |
j |
k |
|
|
|
|
||||||||||||
|
контура |
L |
виден |
совершающимся |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
x |
y |
z |
|
|
||||||||||||||||||
|
против часовой стрелки. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
Расчетная формула: |
|
|
|
|
|
|
|
y |
x |
0 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
i |
|
j |
k |
|
|
|
( x) |
i |
|
|
( y) |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
z |
|
|
|
z |
j |
|||||||||
|
|
|
rotn a(M) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
( x) |
|
( y) |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
x |
y |
z |
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
ax |
ay |
az |
|
|
|
|
x |
|
|
y |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
=2 k |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Окончание таблицы |
94

1 |
|
|
2 |
|
3 |
|
|
|
Векторная формулировка теоремы Стокса: |
Ротор |
поля |
нап- |
|||
|
ad rotn а d |
равлен |
параллельно |
||||
|
L |
|
|
оси вращения, его |
|||
|
Z |
|
|
модуль |
|
|
равен |
Связь |
|
|
удвоенной |
угловой |
|||
n |
|
|
скорости. |
С |
точ- |
||
между |
|
|
|
ностью |
до |
число- |
|
характе- |
|
|
|
||||
|
|
вого |
множителя |
||||
ристиками |
|
L |
|
||||
|
Y |
ротор |
поля |
ско- |
|||
|
|
||||||
|
X |
|
|
ростей |
|
представ- |
|
|
|
|
ляет собой угловую |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
скорость |
вращения |
||
|
|
|
|
твердого тела |
|
Классификация векторных полей
Вид поля |
|
|
|
|
|
|
Свойства |
|
П р и м е р ы |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
1.П an0d div а dV 0. |
|
Поле |
линейных |
скоростей |
|||||||||||||||||
|
|
вращающегося твердого тела. |
||||||||||||||||||||
Соленои- |
|
|
|
|
|
V |
|
Для |
поля |
скоростей |
текущей |
|||||||||||
2.П an0d |
|
an0d , где |
|
жидкости П=0 означает, что |
||||||||||||||||||
дальное, |
|
|
|
1 |
|
|
2 |
|
количество жидкости, |
входящей |
||||||||||||
div а 0 |
1, 2 |
– произвольные |
|
в трубку за единицу времени, |
||||||||||||||||||
|
поперечные сечения векторной |
|
равно |
количеству |
жидкости, |
|||||||||||||||||
|
|
вытекающей из нее, т.е. |
в поле |
|||||||||||||||||||
|
трубки |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
нет источников и стоков |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
1. u(x, y, z) |
|
|
|
|
|
|
|
Для |
силового |
потенциального |
|||||||||||
|
– потенциал поля: |
поля равенство C=0, означает, |
||||||||||||||||||||
Потенци- |
а grad u. |
|
|
|
|
|
|
|
что работа силы по любому |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
замкнутому |
|
контуру |
равна |
||||||||||||
альное, |
2. а d u(B) u(A). |
нулю. В поле скоростей текущей |
||||||||||||||||||||
rot а 0 |
|
AB |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
жидкости |
равенство |
C=0 |
||||||
|
3.С rotаn0d 0 |
означает, что в потоке нет |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
замкнутых |
|
струек |
|
(водо- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
воротов) |
|
|
|
|
||
Гармони- |
divа divgradu |
Поле |
линейных |
скоростей |
||||||||||||||||||
|
|
|
u |
|
u |
|
|
u |
|
|
||||||||||||
ческое, |
div( |
i |
j |
k) |
стационарного |
безвихревого |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
div а 0, |
|
|
|
|
x |
y |
|
|
|
z |
потока жидкости при отсутствии |
|||||||||||
rot а 0 |
|
2u |
|
|
2u |
|
|
2u |
|
в нем источников и стоков |
||||||||||||
|
|
|
является гармоническим |
|
||||||||||||||||||
x2 |
y2 |
|
z2 u 0 |
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
95

Раздел 16. ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ (ДУ)
Основные понятия
Понятия |
ДУ 1 порядка |
|
|
ДУ 2 порядка |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Общий вид |
F(x, y, y ) 0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
F(x, y, y , y |
) |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
ДУ, |
y f (x, y) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
разрешенное |
или в дифференциальной |
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
относительно |
|
форме |
|
|
|
|
|
|
f (x, y, y ) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
производной |
P(x; y)dx Q(x; y)dy 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y f |
(x, y), |
|
|
|
f (x, y, y ), |
|||||||||||
Задача Коши |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
y(x0) y0, |
|
|
|||||||
|
y(x0) y0 |
|
|
|
|
|
|
(x0) |
y0 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
y (x,С1 ,С2 ) |
||||||
|
Y |
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
||||||
|
|
|
y (x,C0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
X |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
0 |
x0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
x0 |
|
|
0 |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Геометри- |
y (x,C) |
– |
общее |
y (x,C1,C2 ) |
|
– |
|
общее |
|||||||||
решение, |
|
представляет |
|
|
|||||||||||||
ческая |
|
решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
интерпретаци |
семейство |
интегральных |
|
|
,С |
) |
|
– |
|
частное |
|||||||
я решения ДУ |
кривых. |
|
|
|
|
|
y (x,C |
|
|
|
|||||||
y (x,C0) |
– |
частное |
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
||||||
|
решение ДУ, удовлетворяющее |
||||||||||||||||
|
решение |
|
|
|
|
ДУ, |
начальным условиям |
|
|
||||||||
|
удовлетворяющее |
|
|
y(x0) y0 , |
y (x0 ) y0 . |
|
|||||||||||
|
начальному |
|
условию |
Решение задачи Коши состоит |
|||||||||||||
|
y(x0) y0. |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
Коши |
в |
нахождении |
интегральной |
|||||||||||
|
Решение |
задачи |
кривой, |
|
|
проходящей через |
|||||||||||
|
состоит |
в |
нахождении |
|
|
||||||||||||
|
точку |
(x0; y0 ) |
и |
|
имеющей |
||||||||||||
|
интегральной |
|
|
кривой |
|
||||||||||||
|
|
|
данный |
угловой |
коэффициент |
||||||||||||
|
y (x,С0), |
проходящей |
|||||||||||||||
|
y0 |
касательной t |
|
|
|
|
|||||||||||
|
через точку (x0; y0 ) |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
96

Интегрирование ДУ первого порядка
Тип |
|
|
Уравнение |
|
|
|
Решение |
||||||||
ДУ с |
|
|
|
Применяем почленное |
|||||||||||
разделенн |
|
|
|
||||||||||||
M(x)dx N(y)dy 0 |
интегрирование |
|
|
|
|
|
|||||||||
ыми |
|
|
|
|
|
||||||||||
M(x)dx N(y)dy C – |
|||||||||||||||
переменны |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
общий интеграл |
|
|
|
|
|
|||||||
ми |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
ДУ с |
|
|
|
Делим на |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
y f (x)g(y) |
N1(y)M2 (x) 0 |
|
|
|
|
||||||||
разделяющ |
|
|
и |
применяем |
почленное |
||||||||||
имися |
или в дифференциальной форме |
||||||||||||||
интегрирование |
|
|
|
|
|
||||||||||
переменны |
M1(x)N1(y)dx M2(x)N2(y)dy 0 |
|
M1(x) |
dx |
N2 (y) |
dy C |
|||||||||
ми |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
M2 (x) |
|
|
N1(y) |
|||||||
|
y f ( |
y |
|
Подстановка t |
y |
. |
|||||||||
|
|
|
|||||||||||||
|
|
), где f (tx,ty) f (x, y) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Однородно |
|
x |
Тогда y tx, |
y |
|
|
|||||||||
или M(x; y)dx N(x; y)dy 0, |
|
t x t , |
|||||||||||||
е ДУ |
гдеM(tx,ty) tk M(x; y) |
lnCx |
|
dt |
|
|
– общий |
||||||||
|
|
f (t) t |
|
||||||||||||
|
N(tx,ty) tk N(x; y) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
интеграл |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
y P(x)y Q(x) |
|
y Ce Pdx |
– общее |
||||||||||
|
|
|
решение ЛОДУ |
||||||||||||
|
|
|
|
|
Решение ЛНДУ: |
||||||||||
|
|
Если Q(x) 0, то |
1) метод Бернулли |
||||||||||||
|
|
Подстановка |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
y P(x)y 0 – |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
y u(x)v(x). |
|
|
|
|
|
|
|||||||
Линейное |
линейное однородное ДУ (ЛОДУ) |
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
Тогда ЛНДУ: |
|
|
|
|
|
|
||||||
ДУ (ЛДУ) |
|
ЕслиQ(x) 0, то |
v (x) P(x)v(x) 0; |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
y P(x)y Q(x) – |
u (x)v(x) Q(x) |
|
|
|
|
|
|||||||
|
линейное неоднородное ДУ |
2) метод Лагранжа |
|||||||||||||
|
|
|
(ЛНДУ) |
y С(x)e Pdx |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
e Pdx (C Qe Pdxdx) |
|||||||||||
|
|
|
|
общее решение ЛНДУ |
|||||||||||
Уравнение |
y P(x)y Q(x)yn |
|
Подстановка z y n 1 |
||||||||||||
Бернулли |
|
(n 0, n 1) |
|
или y u(x)v(x) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Уравнение |
M(x; y)dx N(x; y)dy 0, |
x |
|
|
|
y |
|
|
|
|
|
|
|||
в полных |
|
M(x; y)dx |
N(x0; y)dy C |
||||||||||||
дифференц |
|
|
|
x0 |
|
|
|
y0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
97 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|

иалах |
если |
M |
|
N |
|
|
|
|
x |
|
|
||
|
|
y |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Интегрирование ДУ, допускающих понижение порядка
Уравнения, допускающие понижение порядка
y(n) f (x) |
|
F(y(n),..., y(k), x) 0 |
|
||||||
|
|
явно отсутствует y |
|
|
|||||
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Подстановка |
|
|
|||
n-кратное |
|
|
|
||||||
|
|
y(k) |
z |
|
|
|
|||
интегрирование |
|
|
|
|
|
||||
Если |
|
|
y(k 1) z и т.д. |
|
|||||
y f (x, y), то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
y (F(x) C1)dx C2 |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Если F(x,y ,y ) 0, |
|
||||
|
|
|
|
то y |
|
|
z |
|
|
|
|
|
|
|
z, y |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F(y, y ,.., y(n) ) 0
явно отсутствует x
Если
F(y, y , y ) 0,
топодстановка y p;
т.к.dy p, то dx dy ;
|
dx |
|
|
p |
|
yxx |
px |
dp |
|
dp |
р |
dx |
|
||||
|
|
|
dy |
Теоремы о структуре общего решения линейных дифференциальных уравнений второго порядка
Формулировка теоремы |
|
|
Формула |
Общее решение ЛОДУ |
|
|
|
y p(x)y q(x)y 0 |
y C1 y1 C2 y2 , |
||
есть линейная комбинация двух линейно- |
где C ,C |
2 |
– произвольные |
независимых частных решений |
1 |
|
|
постоянные |
|||
y1 y1(x) и y2 y2 (x) |
|
|
|
Общее решение ЛНДУ |
y y y , |
|||
где y – произвольное частное |
||||
y p(x)y q(x)y f (x) |
||||
решение ЛНДУ; |
|
– общее |
||
есть сумма его произвольного частного |
y |
|||
решения ЛНДУ и общего решения |
решение соответствующего |
|||
соответствующего ЛОДУ |
ЛОДУ |
98

Частное решение ЛНДУ
|
y py qy f1(x) f2 (x) |
|
|
y |
|
|
|
||
есть сумма частных решений уравнений |
|
|
y1 |
y2 , |
|||||
где y1 |
и y2 − частные |
||||||||
y |
py qy |
f1(x), |
(1) |
||||||
y |
py qy |
f2 (x) |
(2) |
решения уравнений (1) и (2) |
Интегрирование однородных линейных ДУ второго порядка с постоянными коэффициентами
|
ЛОДУ |
|
|
|
|
|
y py qy 0 |
|
|||
1. |
Характерис- |
k2 |
pk q 0 |
(т.к. вид частного решения y ekx ) |
|||||||
тическое |
|||||||||||
уравнение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дискриминант |
D 0 |
|
|
D 0 |
|
|
|
D 0 |
|||
D p2 4q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
Корни |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k1 i C |
характе- |
k1 k2 R |
k1 k2 k R |
|
||||||||
ристического |
|
k2 i C |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
уравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
Общее |
C ek1x |
C |
2 |
ek2x |
C ekx xC |
2 |
ekx |
|
e x (C1 cos x |
|
решение |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
C2 sin x) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Интегрирование линейных неоднородных ДУ с постоянными коэффициентами и правой частью специального вида
Вид правой части |
f (x) e xP (x) |
f (x) e x[P (x)cos x |
||
f (x) |
n |
|||
|
|
n |
Qm (x)sin x] |
|
|
|
|
|
|
Вид частного |
y xre xQn (x), |
y xre x[PN (x)cos x |
||
решения |
где |
– |
корень |
QN (x)sin x], |
|
||||
|
кратности |
r |
где i – корни кратности r |
|
|
характеристического |
характеристического уравнения; |
||
|
уравнения; |
|
||
|
|
PN (x) и QN (x) – многочлены |
||
|
Qn (x)– многочлен |
|||
|
степени N max(n;m) |
|||
|
|
степени n, |
||
|
|
|
||
|
записанный в общем |
|
||
|
|
виде |
|
|
Подбор частного решения по виду правой части |
99