Учебное пособие 1868

где L – контур, ограничивающий искомую площадь, а интегрирование по этому контуру ведется в положительном направлении, т.е. чтобы область D оставалась слева.

Для вычисления площади с помощью криволинейного ин-

Решение. Воспользуемся формулой (3.18). Найдем: dx = - a sin t dt, dy= b cos t dt.

Подынтегральное выражение по этой формуле равно: x dy – y dx = (a bcos2 t + a bsin2 t)dt = a b dt.

Получим:

Ответ: S a b (кв.ед.).

Задача 3.21. Определить площадь, ограниченную одной аркой циклоиды (рис. 3.2).

Решение.

61

лении, указанном стрелками. На отрезке ОА у = 0 и dу = 0. Поэтому на этом отрезке подынтегральное выражение примет вид: x dy – y dx = 0.

Задачи для самостоятельного решения

Задача 3.22. Определить площадь, ограниченную астрои-

Задача 3.23. Найти площадь, ограниченную кардиоидой:

4.ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ

4.1.Поверхностные интегралы первого рода

Вычисление поверхностного интеграла от скалярной функции

Пусть в точках кусочно-гладкой поверхности Σ с кусочногладкой границей C определена некоторая ограниченная функция f(M). (Поверхность Σ может быть, в частности, замкнутой). Поверхностный интеграл от функции

Σf (M) по поверхности Σ и обознача-

Точку M поверхности Σ можно задать декартовыми координатами x, у, z. Поэтому функцию f (М), определенную на Σ, мы будем обозначать также f(x,у,z), а соответствующий поверхностный интеграл

- f(x, у, z)ds. Приведем поверх-

ностный интеграл к двойному интегралу.

Рассмотрим сначала простейший случай, когда поверхность задана уравнением в декартовых координатах.

Пусть Σ – гладкая поверхность, заданная уравнением z = z(x, y), (x, y) є D, где D – замкнутая ограниченная область, a

63

f(x, y, z)-некоторая ограниченная функция, определенная на поверхности Σ. Тогда справедливо равенство

При этом поверхностный интеграл, стоящий слева, существует, если существует двойной интеграл, стоящий в правой части равенства.

Замечание. Пусть поверхность Σ состоит из нескольких частей, каждая из которых может быть представлена уравнением вида x= x(y, z), y= y(z, х) или z= z(x, y). Для сведения поверхностного интеграла, взятого по такой поверхности к двойному интегралу можно, воспользоваться тем, что поверхностный интеграл по поверхности Σ равен сумме интегралов, взятых по составляющим эту поверхность частям.

Легко проверить, что эти формулы остаются в силе, когда поверхность не гладкая, а кусочно-гладкая.

преобразовать в двойной и вычислить с помощью полярной системы координат (x = r cos υ , y = r sin υ, 0≤ r ≤1, 0≤ υ≤ π/2)

64

где – D проекция поверхности Σ на плоскость XOY

(D: x2 + y2 ≤ 1).

Применения поверхностных интегралов механике

Поверхностные интегралы первого рода часто встречаются в физических задачах. С такими интегралами приходится иметь дело при изучении распределения масс по поверхности, например при нахождении координат центра масс, моментов инерции материальных поверхностей. Вывод этих формул ничем не отличается от вывода формул, которые описывают распределение массы в плоской области или вдоль кривой.

Пусть по поверхности Σ (гладкой или кусочно-гладкой) распределена некоторая масса с поверхностной плотностью ρ(х, у, z), представляющей собой непрерывную функцию на Σ. Такую поверхность Σ будем кратко называть материальной по-

2) Координаты центра масс материальной поверхности оп-

Для однородной поверхности ρ= const .

3) Моменты инерции поверхности Σ относительно осей

Jx= (z2 + y2) ρ(x, y, z) ds.

Задача 4.2. Вычислить координаты центра тяжести плоскости x + y + z =1; x , y , z 0,1 (плотность постоянна и равна

1).

Решение. Так как z = 1 – x – y, то z /x = -1, z /y = -1.

Поверхностные интегралы от векторных функций. Общее понятие поверхностного интеграла первого рода

Выше были рассмотрены поверхностные интегралы от скалярных функций. Это понятие можно перенести на вектор-

ные функции. Пусть F (M) = P i + Q j + R k - некоторая вектор-

ная функция, заданная на поверхности Σ. Определим интеграл от этой функции по поверхности Σ, положив

Мы назовем его поверхностным интегралом первого рода

от векторной функции F . Значение такого интеграла представ-

ляет собой вектор. Вопросы условия существования поверхностного интеграла первого рода от векторной функции, о сведении его к двойному, о его свойствах сводятся к соответствующим вопросам для интегралов от скалярных функций Р, Q и R

(компонент вектора F ).

В понятии поверхностного интеграла было существенно то, что каждый «интегральный элемент» f (M) ds зависел от величины элемента площади ds и значения функции f(M) (скалярной или векторной) в данной точке. Существуют задачи, в которых ориентация элемента ds играет существенную роль. К ним относится задача о расчете количества жидкости, протекающей через поверхность за единицу времени, а также и ряд других. Эти задачи приводит к другому понятию поверхностного интеграла, так называемому поверхностному интегралу второго рода. Поверхностные интегралы первого и второго рода связаны между собой простыми формулами.

4.2. Поверхностные интегралы второго рода

Для того чтобы определить поверхностный интеграл второго рода, нужно ввести понятие стороны поверхности, аналогичное понятию ориентации кривой.

Пусть Σ – гладкая поверхность. Возьмем на Σ некоторую внутреннюю точку М0, проведем через нее нормаль к поверхности Σ и выберем на этой нормали одно из двух возможных направлений. Это можно сделать, зафиксировав определенный

единичный вектор n , нормальный к поверхности Σ в точке М0. Проведем теперь на поверхности Σ через точку М0 какой-либо замкнутый контур С, не имеющий общих точек с границей по-

верхности, и будем двигать единичный вектор n из точки M0

67

вдоль С так, чтобы этот вектор все время оставался нормальным к Σ и чтобы его направление менялось при этом движении

непрерывно. Поскольку вектор n все время остается нормальным к Σ, то имеются две возможности: при возвращении в точ-

ку M0 вектор n возвращается в первоначальное положение; в

результате обхода по контуру С вектор n меняет свое направление на противоположное.

Гладкая поверхность Σ называется двусторонней, если обход по любому замкнутому контуру, лежащему на поверхности Σ и не имеющему общих точек с ее границей, не меняет направления нормали к поверхности. Если же на поверхности существует замкнутый контур, по которому направление нормали меняется на противоположное (при движении ее по контуру), то поверхность называется односторонней. Если поверхность Σ двусторонняя, то в каждой ее точке М можно выбрать единич-

ный вектор нормали n (М) так, чтобы вектор n (М) зависел от

точки М непрерывно ( n (М) будет называться «непрерывным полем нормалей» на поверхности Σ). На односторонней поверхности нельзя построить ни одного непрерывного поля нормалей. Выбор на поверхности Σ определенного непрерывного поля нормалей будет называться выбором стороны этой поверхности.

Замечания:

1.Двустороннюю поверхность называют ориентируемой, а выбор определенной ее стороны – ориентацией поверхности. Односторонние поверхности называют не ориентируемыми.

2.В отличие от таких свойств, как гладкость поверхности могут иметь или не иметь места в отдельных точках (локальные свойства), свойство ориентируемой поверхности (или не ориентируемой) – это свойство, характеризующее всю поверхность в целом (глобальное свойство).

68

Пусть Σ – ориентированная поверхность, ограниченная одним или несколькими контурами. Определим ориентацию каждого контура L, входящего в состав границы поверхности Σ, (согласованную с ориентацией поверхности Σ) по следующему правилу. Направление обхода контура L считается положительным (согласованным с ориентацией Σ), если наблюдатель, расположен на поверхности так, что направление вектора нормали совпадает с направлением от ног к голове, обходит контур L, оставляя поверхность Σ все время слева от себя. Противоположное направление считается отрицательным. Если L произвольный замкнутый контур ограничивающий какую-либо часть ориентированной поверхности Σ, то направлением обхода этого контура, согласованным с ориентацией поверхности Σ, мы считаем опять-таки то, при котором ограниченная этим контуром часть поверхности Σ (рис. 4.2) остается слева. Если в качестве поверхности Σ взята ориентированная плоскость, то определение согласованности ориентации контура и поверхности сводится к правилу, по которому контур считается ориентированным положительно, если его обход совершается против часовой стрелки, и ориентированным отрицательно в противоположном случае.

3. Правило согласования ориентации поверхности Σ и ограничивающего ее контура L можно сформулировать таким об-

разом: пусть n - единичный вектор нормали к поверхности Σ в некоторой точке М, принадлежащей L, и пусть - вектор, нор-

мальный к L и к n и направленный в ту сторону, с которой расположена поверхность Σ. Тогда положительное направление об-

хода контура L указывается вектором [ , n ]

69

(рис. 4.3).

Определение поверхностного интеграла второго рода

Рассмотрим задачу о вычислении потока жидкости через некоторую поверхность.

Пусть пространство заполнено движущейся жидкостью,

скорость которой в точке (х, у, z) задается вектором V (х, у, z) c

компонентами Р = Р(х, у, z),Q = Q(x, у, z), R = R(x, у, z).

Вычислим количество жидкости П, протекающей за единицу времени через некоторую ориентированную поверхность Σ.

Рассмотрим бесконечно малый элемент dσ поверхности Σ. Количество жидкости, протекающее через dσ за единицу вре-

мени, равно dП = Vn, где Vn – проекция скорости V на направ-

ление нормали n к dσ. Записав dП как скалярное произведение вектора V на единичный вектор нормали п к элементу dσ, имеем

dП =[Р cos ( n , х)+ Q cos ( n , у) + R cos ( n , z)] dσ.

70