Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ИЭ / 4 семестр / Теория и задачи / Криволинейные интегралы - теория

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
22.04.2021
Размер:
744.21 Кб
Скачать

Глава 2. Криволинейные интегралы

В главе 1 были рассмотрены кратные интегралы. В этой главе мы остановимся на новых разновидностях интеграла: криволинейных интегралах 1 и 2 рода. Из самого названия следует, что эти интегралы рассматриваются вдоль «кривых линий».

Под «кривой линией» (или просто кривой, или просто линией) на плоскости или в пространстве подразумевается непрерывная спрямляемая кривая без самопересечений. Такие кривые будем называть простыми кривыми. Заметим, что как частный случай, кривая может быть и отрезком прямой линии.

Спрямляемость означает, что кривая имеет конечную длину (см. [4], . ). Если кривая – замкнутая, то она называется контуром.

Изучение криволинейных интегралов начнем с интегралов 1 рода.

2.1. Криволинейный интеграл 1 рода

Здесь, как и в случае кратных интегралов, сначала введем новое понятие и изучим его свойства, затем выведем формулу для вычисления и в заключение рассмотрим некоторые его приложения.

 

 

2.1.1. Понятие криволинейного интеграла 1 рода

 

 

Рассмотрим простую кривую

 

̆

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

на плоскости или в пространстве. Пусть на этой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

кривой задана некоторая функция ( ).

 

 

 

−2

−1

 

 

 

2

 

Выполним следующие действия.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Разбиение кривой на частичные дуги

 

 

 

 

 

точками

,

, …, ,

:

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

1

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

 

 

̆

 

 

 

 

̆

 

(рис. 2.1),

 

 

 

 

 

 

=

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

- дуга

 

(

 

 

),

= 1, 2, … ,

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Выбор промежуточных точек:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

 

= 1, 2, … , .

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Разбиение кривой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Вычисление суммы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

(

) ∙ ∆

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

̆

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

= 1, 2, … , .

 

 

 

= | |

- длина частичной дуги ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сумма

 

называется интегральной суммой Римана функции ( ) по кривой .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть λ =

- наибольшая из длин частичных дуг - ранг разбиения.

 

 

 

 

 

 

 

1≤ ≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 2.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Число называется пределом интегральных сумм при λ → 0, если для > 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

> 0 такое, что для любого разбиения кривой с рангом разбиения λ < и при

любом выборе промежуточных точек {

}

выполняется неравенство:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

|

 

− |

< .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Запись:

 

=

 

- означает, что при λ → 0 этот предел существует, он не

 

 

 

 

 

 

 

λ → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

зависит ни от способа разбиения, ни от выбора промежуточных точек, и равен числу .

Определение 2.2.

Конечный предел интегральных сумм при λ → 0 называется криволинейным интегралом 1 рода (или криволинейным интегралом по длине дуги) от функции ( ) вдоль кривой .

2

 

Обозначения:

( )

или:

( , ) ,

∫ ( , , ) .

 

Встречаются также обозначения:

( ) или: ∫ ( , ) ,

( , , ) .

 

Таким образом, по определению имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) =

 

(

) ∙ ∆

 

или:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ → 0

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , ) =

 

( , ) ∙ ∆

 

- для плоской кривой

 

 

 

λ → 0

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , , ) = ∑

 

(

,

,

)

∙ ∆

 

 

- для пространственной кривой.

 

λ → 0

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Функция ( ), для которой существует криволинейный интеграл 1 рода, называется интегрируемой вдоль кривой .

Пример 2.1.

 

0=

=1

0

= 0 = 0

∫ 0= 0;

 

 

 

λ → 0

 

 

λ → 0

 

 

 

 

 

 

 

1=

=1

1∆ =

 

| | = | |

∫ 1= | | - длина кривой .

 

λ → 0

 

 

 

λ → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Физический смысл криволинейного интеграла 1 рода.

Если ( , , ) – линейная плотность массы, распределенной вдоль кривой , то

= ∫

( , , ) – масса неоднородной кривой ;

если ( , , ) – линейная плотность электрического заряда, распределенного

вдоль кривой , то

 

= ∫

(, , – заряд всей кривой .

 

)

Замечание 2.1.

Из определения криволинейного интеграла 1 рода вытекает следующее свойство:

̆

( ) = ∫̆ ( ) ,

 

 

т.е. величина интеграла не зависит от направления, выбранного на кривой . Условия интегрируемости.

Сформулируем теоремы об условиях интегрируемости функции вдоль кривой. Доказательства этих утверждений аналогичны случаю кратных интегралов.

Теорема 2.1 (Необходимое условие интегрируемости).

Если функция ( ) интегрируема вдоль кривой, то она ограничена на этой кривой.

Замечание 2.2.

Обратное утверждение неверно: есть ограниченные, но не интегрируемые функции. Теорема 2.2 (Достаточное условие интегрируемости).

Пусть - гладкая кривая (см. [4], . ), а функция ( ) непрерывна на ней. Тогда эта функция интегрируема вдоль кривой .

2.1.2. Свойства криволинейного интеграла 1 рода 1. Нормированность.

Криволинейный интеграл 1 рода от единицы вдоль кривой равен длине кривой:

∫ 1= | |.

2. Линейность.

Пусть функции ( ) и ( ) интегрируемы вдоль кривой . Тогда а) постоянный множитель можно выносить за знак криволинейного интеграла 1 рода:

3

( ) = ∫ ( ) , = ;

б) криволинейный интеграл 1 рода от суммы функций равен сумме криволинейных интегралов 1 рода от этих функций:

∫ ( ( ) + ( )) = ∫ ( ) + ∫ ( ) .

Свойство линейности можно записать в следующем виде:

∫ (1 ∙ ( ) + 2 ∙ ( )) = 1

( ) + 2

( )

1, 2 = .

3. Аддитивность.

Пусть функция ( ) интегрируема вдоль кривой . Если кривая разбита на две дуги, то криволинейный интеграл 1 рода по всей кривой равен сумме криволинейных интегралов 1 рода по каждой из этих дуг:

( ) = ∫

( ) + ∫

( ) ,

где = 1 2

и 1 2 = .

 

1

2

 

 

 

4. Интегрирование неравенств.

Пусть функции ( ), ( ) интегрируемы вдоль кривой и удовлетворяют неравенству: ( ) ≥ ( ) . Тогда справедливо неравенство:

( ) ≥ ∫

( ) .

Следствие 2.1.

 

 

 

а) Если ( ) ≥ 0

, то

( ) ≥ 0.

б) Пусть ( ) ≥ 0

, тогда для любых дуг 1, 2 справедливо

утверждение:

 

 

 

1 2

 

∫ ( ) ≤ ∫ ( ) .

 

 

1

2

в) |∫ ( ) | ≤ ∫ |( )|.

5. Оценки криволинейного интеграла 1 рода.

Если значения подынтегральной функции ( ) на кривой ограничены величинами и , то значение интеграла ограничено величинами ∙| | и ∙| |, где | | - длина кривой:

≤ ( ) ≤ | | ≤ ∫ ( ) ≤ | |

6. Теоремы о среднем значении.

Теорема 2.3.

Пусть функция ( ) интегрируема вдоль кривой и пусть

= { ( ), };

= { ( ), }.

Тогда [ ; ]:

( ) = | |,

где | | - длина кривой.

Число =

1

 

( ) - называется интегральным средним значением функции

 

 

 

| |

 

 

 

 

( ) на кривой .

 

 

 

 

 

Теорема 2.4.

 

 

 

 

 

Пусть функция ( ) непрерывна на кривой . Тогда 0 :

 

 

 

( ) = (0)| |,

где | | - длина кривой.

 

 

 

 

 

 

Замечание 2.3.

Доказательство всех этих свойств аналогично случаю кратных интегралов.

4

2.2. Вычисление криволинейного интеграла 1 рода

Покажем, как вычисление криволинейного интеграла 1 рода ∫ ( , , ) сводится к вычислению определенного интеграла.

2.2.1. Сведе́ние к определенному интегралу

̆

 

 

На кривой = введем так называемую естественную параметризацию. Это

значит, что положение произвольной точки на кривой определяется длиной дуги

 

̆

(рис. 2.2). Тогда кривая будет задана

= | |, отсчитываемой от начальной точки

параметрическими уравнениями:

 

 

= ( )

 

 

 

{ = ( ), 0 ≤ ≤ | |,

 

 

 

= ( )

 

 

где параметр (длина дуги) называется

 

 

 

 

естественным параметром кривой .

 

 

При этом подынтегральная функция

 

 

( , , ) сведется к сложной функции:

0

 

 

 

( ( ), ( ), ( )).

По определению имеем:

( , , ) =

 

 

 

( )

 

.

 

 

 

Рис. 2.2. Иллюстрация к естественной

 

 

 

 

 

λ → 0

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

параметризации кривой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь - промежуточная точка на дуге

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

= (

 

 

), где

 

 

и - точки деления кривой ,

 

 

̆

 

 

 

= ∆ -

 

 

−1

 

= | | =

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

̆

 

 

 

 

 

 

 

 

Промежуточная точка

(

, , ) соответствует

длина дуги , = 1, 2, … , .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

некоторому значению естественного параметра = ,

= 1, 2, … , .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введем обозначение: ( ) = ( ( ), ( ), ( )). Тогда интегральная сумма Римана

запишется в виде:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∑

(

)

 

= ∑

( (

), (

), (

))∆ =

(

).

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , , ) =

=

 

(

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ → 0

 

λ → 0

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если вспомнить понятие определенного интеграла (см. [4], . ), то можно

заметить, что последнее выражение есть не что иное, как определенный интеграл от

функции ( ) по промежутку [0, | |]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| | ( ) =

 

( ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

λ → 0

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, получаем формулу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , , ) = ∫0| | ( ) = ∫0| | ( ( ), ( ), ( ))

.

 

 

 

Полученная формула показывает, что вычисление криволинейного интеграла 1 рода сводится к вычислению определенного интеграла.

Однако эта формула имеет чисто теоретический интерес: при вычислениях она мало пригодна, так как задать конкретную кривую с помощью естественной параметризации удается крайне редко. Необходимо получить формулу для вычисления криволинейного интеграла 1 рода при произвольной параметризации кривой.

5

2.2.2. Вычисление интеграла вдоль пространственной кривой

Рассмотрим гладкую кривую , заданную параметрическими уравнениями:

= ( )

{ = ( ), [ ; ], где ( ), ( ), ( ) - непрерывно-дифференцируемые функции.

= ( )

Для дальнейших выкладок нам потребуется формула для длины кривой. Как известно (см. [4], . ), длина кривой вычисляется по формуле:

 

 

| | = ∫ √( )2 + ( )2 + ( )2

 

.

 

 

 

 

 

 

̆

 

- имеем:

Соответственно, для длины дуги = | |, где ( ( ), ( ), ( ))

 

= ( ) = ∫ √( )2 + ( )2 + ( )2

,

≤ ≤ .

 

При этом производная функции ( ) равна:

 

 

 

 

 

 

( ) = √( ( ))2 + ( ( ))2 + ( ( ))2 > 0

[ ; ], что обеспечивает строгое

возрастание функции ( ).

Теорема 2.5.

Пусть - гладкая кривая - задана параметрическими уравнениями:

= ( )

{ = ( ), [ ; ]; пусть функция ( , , ) непрерывна на кривой .

= ( )

Тогда справедлива формула:

( , , ) = ∫ ( ( ), ( ), ( )) ∙ √( )2 + ( )2 + ( )2

 

.

Доказательство.

 

В пункте 2.2.1 получена формула:

( , , ) = ∫0| | ( ( ), ( ), ( )) .

Сделаем замену переменной в этом определенном интеграле:

= ( ) = ( ) = √( )2 + ( )2 + ( )2 [ ( ) = ( ( )) = ( ), ( ) = ( ( )) = ( ), ( ) = ( ( )) = ( )]

0 ≤ ≤ | | ≤ ≤

0| | ( ( ), ( ), ( )) = ∫ ( ( ), ( ), ( ))√( )2 + ( )2 + ( )2 .

Теорема доказана.

Пример 2.2.

Вычислить криволинейный интеграл 1 рода = ∫ , где - коническая

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

винтовая линия (винтовая линия на конусе):

{ = ∙ , [0; √2].

 

 

 

 

=

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙ ,

= ∙ , =

 

 

 

∫ = [

( ) = − ∙ ,

( ) = + ∙ ,

( ) = 1

 

 

 

 

 

] =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= √( )2 + ( )2 + ( )2 = √2 + 2

= ∫0√2 √2 + 2 = 12 0√2 √2 + 2 (2 + 2) = 13 √(2 + 2)3|02 = 13 (8 − 2√2) = 23 (4 − √2). Ответ: = 23 (4 − √2).

6

2.2.3. Вычисление интеграла вдоль плоской кривой

= ( )

Вслучае плоской кривой , заданной параметрическими уравнениями: { = ( ),

[ ; ] - имеем следующую формулу для вычисления криволинейного интеграла 1 рода:

∫ ( , ) = ∫ ( ( ), ( ))√( )2 + ( )2 .

Если кривая задана явным уравнением: = ( ), [ ; ] - то формула принимает вид:

∫ ( , ) = ∫ ( , ( ))√1 + ( ( ))2 .

Если кривая задана уравнением в полярных координатах: = ( ), [ ; ] - то формула примет вид:

∫ ( , ) = ∫ [ ( ) , ( ) ]2 + ( )2 .

Эти формулы являются следствием формул длины плоской кривой при различных способах задания этой кривой ([4], . ):

| | = ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| | = √1 + ( ( ))2

 

 

| | = 2

+ ( )2

 

( )2 + ( )2

,

,

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислить криволинейный интеграл 1 рода = ∫

1

,

где – отрезок прямой,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

соединяющей точки (1; 1)

 

 

и (2; 3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение отрезка прямой линии , проходящей через две заданные точки (1; 1) и

(2; 3) имеет вид (рис. 2.3):

 

 

 

= 2 − 1, [1; 2].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применим формулу:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ( , ) = ∫ ( , ( ))√1 + ( ( ))2 ,

 

 

 

 

 

 

 

где = ( ) = 2 − 1,

 

( ) = 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

2 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ =

1 √1 +

 

= ∫1 (2 −1)√5 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= √51

 

 

 

 

 

= √51 (

 

 

 

) =

 

 

 

 

1

2

 

(2 −1)

2 −1

 

 

 

 

 

 

 

 

(

2 −1

) |2

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

= √5

= √5(

− 1) = √5

1,5.

 

 

Рис. 2.3. Иллюстрация

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

к Примеру 2.3

 

Ответ:

= √51,5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Приложения криволинейного интеграла 1 рода

Физические приложения

Масса кривой:

= ∫ ( , , ) - для пространственной кривой,

= ∫ ( , ) - для плоской кривой,

где ( , , ) или ( , ) - линейная плотность массы, распределенной вдоль кривой .

Электрический заряд кривой:

= ∫

(, , ) - для пространственной кривой,

= ∫

(, ) - для плоской кривой,

где ( , , ) или ( , ) - линейная плотность заряда, распределенного вдоль кривой .

7

Геометрические приложения

Длина кривой: | | = ∫

1∙ .

 

 

 

 

 

 

 

 

Площадь цилиндрической поверхности:

 

 

 

 

(цил.) = ∫ ( ) =

∫ ( , ) .

 

= ( , )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Здесь цилиндрическая поверхность цил.

 

 

 

(рис. 2.4) задается условиями:

 

 

 

 

- образующая параллельна оси ;

 

 

 

 

- направляющей служит кривая , лежащая

 

 

цил.

 

 

 

в плоскости ;

 

 

 

 

 

 

 

- сверху поверхность ограничена кривой:

 

 

 

 

 

= ( , )

 

Рис. 2.4. Площадь цилиндрической

{ ( , ) .

 

 

поверхности

Механические приложения

Статические моменты плоской кривой относительно координатных осей и :

= ∫

)

,

= ∫

)

.

(,

(,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Статические моменты пространственной кривой относительно координатных плоскостей , и :

 

=

 

 

 

 

 

)

,

 

 

 

 

=

 

 

 

)

,

 

 

=

 

 

)

.

 

 

(, ,

 

 

 

 

(, ,

 

(, ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Координаты центра тяжести (0, 0) - плоской кривой

и (0, 0, 0) -

 

 

пространственной кривой:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

1

∙ ,

 

=

1

- для плоской кривой;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

∙ ,

=

1

 

,

 

=

1

- для пространственной кривой.

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моменты инерции плоской кривой относительно осей координат , и

 

точки - начала координат:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

2

 

 

)

 

 

=

 

2

 

 

 

 

)

,

= + = ∫ (

2

+

2)

 

)

.

 

 

(, ,

 

(,

 

 

(,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Моменты инерции пространственной кривой относительно координатных плоскостей , и , относительно координатных осей , и и относительно точки - начала координат:

 

= ∫

 

2

 

 

 

)

 

 

 

 

 

=

 

2

)

,

 

 

= ∫

 

2

)

,

 

 

(, , ,

 

 

 

 

(, ,

 

 

(, ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

∫ (2 + 2)(, , ) ,

=

( 2 + 2)(, , ) ,

=

∫ ( 2 + 2)(, , ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

+

=

1

( + + ) =

( 2 + 2 + 2)(, , ) .

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти длину одного витка винтовой линии

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

[0; 2 ] (рис. 2.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

: { = ∙ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применим формулу: | | = ∫

1∙ ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где = √()2 + ()2 + ()2 . Здесь имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= −∙ ,

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.5. К Примеру 2.4

= ∙ ,

 

= ,

= √2 + 2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

 

В результате получим: | | = ∫02 2 + 2

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 22 + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: | | = 22 + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти площадь боковой поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямого кругового цилиндра с радиусом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

основания и высотой .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введем систему координат так, чтобы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

основание цилиндра лежало в плоскости ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

начало координат совпадало с центром круга, а ось

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

была параллельна образующей цилиндра (рис. 2.6).

 

 

 

 

Рис. 2.6. К Примеру 2.5

 

 

Направляющей цилиндрической поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

будет окружность радиуса . Ограничивающая сверху кривая имеет уравнение:

 

 

 

 

 

= ( , ) = , где ( , ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(цил.) = ∫

( , ) = ∫ =

= | | = 2∙ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: бок.

цил. = 2∙ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти площадь той части боковой поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

прямого кругового цилиндра, которая лежит «под»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

винтовой линией: { = ∙ sin , [0; 2 ] (рис. 2.7).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.7. К Примеру 2.6

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( , ) = [ = ∙ sin ] = ∫02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(цил.) = ∫

()2

+ ()2

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫0 √(− ∙ sin )

2

+ ( ∙

)2

= 0

=

 

|0

 

= 2

.

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

Ответ: (

 

) = 22

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

цил.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.7.

 

 

Найти массу эллипса 2 + 2 = 1, если

2

плотность массы в точке ( , ) равна (, ) = | |.

Решение.

Учитывая симметричность эллипса относительно осей координат (рис. 2.8) и четность функции | |, можно найти массу четверти эллипса и умножить результат на 4.

1

√2

Рис. 2.8. К Примеру 2.7

Эллипс можно задать параметрическими уравнениями: { = √2 ∙ , [0; 2 ].

=

Применим формулу для вычисления массы:

 

 

 

( , ) = ∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

( ( ), ( ))

()2 + ()2

.

 

 

Вычислим массу первой четверти эллипса:

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ( ), ( ))

()2 + ()2

= ∫

 

 

( )

()2

+ ()2

=

= ∫2

2

4

0

 

0

 

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( ) = ∫1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√22 + 2

= − ∫

 

√2 − 2

 

√2 − 2

=

 

 

= ∫2

2

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

) |10 =

1

 

 

1

 

 

+

1

 

= 4(

 

 

1

) = + 2.

= (

+

∙ √2 − 2

+

=

+

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

√2

 

√2

2

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

4

 

2

 

 

 

Ответ: = + 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 2.8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти координаты центра масс контура

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

однородного сферического треугольника,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

расположенного в первом октанте (рис. 2.9):

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

1

 

2

+

2

+

2

 

 

=

2

, ≥ 0, ≥ 0, ≥ 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пусть (0, 0, 0) - центр масс

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заданного контура. Применим формулы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

=

1

 

(, , ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

(, , ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

 

 

=

1

(, , ) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.9. К Примеру 2.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ ( , , ) .

Учитывая, что контур – однородный, т.е. ( , , ) = = , получаем:

 

 

 

 

= ∫

 

 

=

 

 

 

= | |,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

=

1

 

 

=

1

 

 

 

=

1

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∙| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

1

 

 

=

1

 

 

 

 

=

1

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∙| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

=

 

 

1

=

1

 

 

 

 

 

=

1

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∙| |

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вычислим

 

 

. Разобьем контур на три кривые: = 1 2 3, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

:

{

2 + 2 = 2

,

: {

2 + 2 = 2

 

: {

2

+ 2

= 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- четверти окружностей радиуса ;

1

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

следовательно: | | = 3

2

=

 

3

 

1

 

 

 

=

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

По свойству аддитивности имеем:

 

= ∫ 1 + ∫ 2 + ∫ 3 .

 

 

1 = ∫ 1 0 = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{

= ∙

, 0 ≤ ≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 = [

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

] = ∫0 ∙ ∙ = |0

= ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= √()2 + ()2 = ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ = ∙ ,

0 ≤ ≤ 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= [

 

 

] = ∫

2

∙ ∙ = 2|2

= 2;

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

= √()2

 

+ ()2

= ∙

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ = 0 + 2 + 2 = 22.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Аналогично получим:

= 22

 

и

 

= 22.

Следовательно:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

=

 

 

=

1

 

=

1

 

=

1

=

2

22 =

4

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

0

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| |

 

 

3

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: (

4

,

4

,

4

) - центр масс.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

2.4. Криволинейный интеграл 2 рода

Вначале рассмотрим задачу, которая приводит к понятию криволинейного интеграла 2 рода.

2.4.1. Задача о вычислении работы переменной силы вдоль кривой

Предположим, что материальная точка перемещается вдоль кривой под

 

 

 

 

 

 

 

(рис. 2.10).

 

 

 

 

действием переменной силы

 

 

 

 

Требуется найти работу , которую

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

при перемещении точки

 

 

( )

 

совершает сила

 

 

 

 

из пункта в пункт .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Частный случай этой задачи рассмотрен

 

 

 

 

в работе [4], . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из курса физики известно, что если

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сила постоянна (по величине и направлению),

 

 

0

 

а линия = [ ] - отрезок прямой, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

работа равна скалярному произведению

 

 

 

 

вектора силы на вектор перемещения:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.10. Перемещение точки

= = | || |∙ ,

 

 

 

 

вдоль кривой

 

где - угол между векторами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

Для решения задачи в общем случае разобьем кривую на частичные дуги

 

точками , , … ,

−1

,

 

:

 

 

 

 

 

 

0

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

̆

 

̆

 

 

̆

 

,

 

̆

 

- дуга

(

 

), = 1 ÷ .

 

=

 

2

 

где

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

Далее на каждой частичной дуге выберем произвольную точку ̆ , = 1 ÷ (рис. 2.11).

Если частичные дуги имеют достаточно малые размеры, то вектор силы на этом участке можно считать постоянным и равным ( ), а дугу (−1 ) - можно считать отрезком прямой.

Тогда работа силы на этом участке приближенно равна: ≈ ( ),

( )

−1

Рис. 2.11. Вычисление

работы на частичных дугах

где

 

 

,

= 1 ÷ .

=

 

 

 

−1

 

 

 

 

Вся работа

равна сумме работ на частичных участках:

= ∑=1 ≈ ∑=1 ( ).

Это приближенное равенство тем точнее, чем меньше размеры частичных дуг или модули векторов , = 1 ÷ ; другими словами, чем меньше ранг разбиения

λ = |∆ |, тем точнее эта приближенная формула.

1≤ ≤

В пределе при λ → 0 получим точное равенство:

=

 

 

 

 

 

=1

(

).

 

λ → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.4.2. Понятие криволинейного интеграла 2 рода

Пусть = ̆ - простая кривая на плоскости или в пространстве, на которой задана вектор - функция ( ), . Выберем направление на кривой, идущее от точки

к точке . Выполним следующие действия.

1. Разбиение кривой на частичные дуги точками 0 , 1, … , −1, :