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

Теория функций нескольких переменных. Дифференциальное и интегральное исчисление. Учебное пособие

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
15.08.2026
Размер:
842 Кб
Скачать

Задачи для самостоятельного решения:

Вычислить криволинейные интегралы II рода: 1) xydx + (x + y)dy , где

L

а) L – отрезок прямой, соединяющий точки О(0,0) и А(1,1); б) L – дуга параболы y=x2 , соединяющая точки О(0,0) и А(1,1).

в) L – ломаная ОВА: О(0,0), В(0,1) и А(1,1).

2) ydx xdy ,

L

Ответы: 1) а)

где L – первая арка циклоиды x = 2(t − sin t)

, t [0,2π ] .

 

 

 

 

 

 

 

y = 2(1− cost)

 

 

4

, б)

17

, в)

3

; 2) 24π.

 

 

 

 

 

 

 

 

3

12

2

 

 

 

 

 

2.9. Формула Грина

Формула Грина устанавливает связь между криволинейным интегралом II рода и двойным интегралом.

Пусть в области D, ограниченной кусочно-гладкой кривой L, заданы функции Р(x,y) и Q(x,y), непрерывно дифференцируемые в замкнутой области D. Тогда справедлива формула Грина:

 

P(x, y)dx + Q(x, y)dy = ∫∫(

Q P )dxdy,

(40)

 

L

 

D

x

y

 

где кривая L обходится против хода часовой стрелки.

 

Пример 2.9.

 

 

 

 

 

Применяя формулу Грина, вычислить интеграл (х2 + у2)dx – 2xy 2dy

по

 

 

 

 

 

L

 

контуру треугольника ABC с вершинами в точках А(1,0), В(3,0) и С(3,2).

 

Решение:

 

 

 

 

 

Применим формулу Грина (40).

 

 

 

При P(x,y) = x2 + y2

и

Q(x,y) = - 2xy2

находим разность

 

Q

P = –2 у2 – 2 у

и подставляем в интеграл

 

x

y

 

 

 

 

 

(х2 + у2)dx – 2xy 2dy= ∫∫ (–2 у2 – 2 у)dxdy,

где D – треугольник АВС.

L

 

 

АВС

 

 

 

Уравнения сторон

ABC следующие: АВ: у = 0; ВС: х = 3; СА: у = х – 1.

71

y

С

А В x

Расставим пределы в двойном интеграле и вычислим его:

 

 

 

 

2

 

 

 

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

∫∫ (–2 у2

– 2 у)dxdy = (– 2y

2

– 2y)dy

dx = – 2 (y2 + y)dy x | 3у+1 =

 

АВС

 

 

 

0

 

 

 

у +1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

y

4

 

y

3

+ y2)| 02

 

= – 2 (y2 + y)(2 – y) dy = – 2

 

(– y

3 + y2 + 2y) dy = – 2(

 

+

 

=

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

4

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= – 2(– 4 +

 

8

+ 4) = –

 

16

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ можно проверить непосредственным интегрированием по контуру L, являющимся замкнутой ломаной со звеньями АВ, ВС, СА, пробегая его против часовой стрелки.

Задачи для самостоятельного решения:

Применяя формулу Грина, вычислить интегралы:

1)

(x3 − 2y + x2 sin(x3 + y3 ))dx + (2xy + y 2 sin(x3 + y3 ))dy,

 

L

где L – окружность с уравнением х2+ у2 = 2х.

2)

(2cos x + xy)dx + (2cos y xy)dy, где L – контур четырехугольника с

 

L

вершинами О(0,0), А(2,2), В(5,2) и С(3,0), указанными в порядке обхода.

Ответы: 1) 2π; 2) 21.

2.10. Условие независимости криволинейного интеграла II рода от пути интегрирования. Восстановление функции по ее дифференциалу

Пусть функции Р(x,y) и Q(x,y) непрерывны вместе со своими частными производными в замкнутой односвязной области D. Тогда следующие утверждения эквивалентны:

72

1) Значение криволинейного интеграла II рода P(x, y)dx + Q(x, y)dy не

AB

зависит от пути интегрирования вдоль произвольной дуги кривой АВ, для любых точек А и В из области D.

2) Вдоль любого замкнутого контура L D криволинейный интеграл II рода равен нулю: P(x, y)dx + Q(x, y)dy = 0 .

L

 

 

 

3) В области D выполняется равенство

P =

Q .

 

 

y

x

4) Если P(x, y)dx + Q(x, y)dy = dU , то функцию U=U(x,y) можно

 

( x , y )

 

 

воссстанвить по формуле U (x, y) =

P(x, y)dx + Q(x, y)dy, (x, y),(x0 , y0 ) D .

 

( x0 , y0 )

 

 

(2,3)

Пример 2.10.1. Вычислить интеграл J = (х + 3у)dx + ( y + 3x)dy .

(1,0)

Решение:

Данный интеграл не зависит от пути интегрирования, так как выполняется

условие

Q

=

P

, где P(x,y) = x + 3y, Q(x,y) = y + 3x и производные равны

x

y

P = 3,

Q = 3.

 

y

x

 

 

 

Таким образом, в качестве пути интегрирования выберем ломаную АCВ с вершинами в точках А(1,0), C(2,0) и В(2,3):

y * В

*

*

x

АС

Тогда участок пути АC будет задаваться уравнениями у=0, dy=0, 1x2,

участок CВ : х=2 , dx=0, 0y3.

Следовательно,

(2,3)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = (х + 3у)dx + ( y + 3x)dy = (х + 3у)dx + (y + 3x)dy +

 

 

 

 

 

 

(1,0)

 

АС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

3

x

2

 

 

2

 

(y

+

6)

2

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ (х + 3

у)dx + (y + 3x)dy = xdx + ( y+ 6)dy =

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

2

 

 

CB

1

0

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1

=2 (4 - 1) + 2 (81 - 36) = 24.

73

Пример 2.10.2. Восстановить функцию u(x,y) по ее дифференциалу du = (y + ln(x+1))dx +(x + 1 - ey)dy.

Решение:

Имеем P(x,y) = y + ln(x+1), Q(x,y) = x+1-ey.

Найдем функцию u(x,y) с помощью криволинейного интеграла по формуле

х

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u(x,y) = P(x, y)dx + Q(x0 , y)dy , здесь в качестве пути интегрирования

х0

 

 

y0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

взята ломаная, звенья которой параллельны координатным осям .

 

 

 

Пусть x0=0, y0=0, тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

 

 

y

 

 

 

 

 

 

х +

х

 

 

 

 

| у =

u(x,y) = ( y + ln(x

+ 1))dx + (1 − e y )dy = ух|

ln(x + 1)dx + у| у еу

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

 

 

u = ln(x + 1),

dv = dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= xy + y – e y + 1 + ln(x + 1)dx =

du =

 

1

 

dx,

v = x

= xy + y – e y + 1 +

 

 

0

 

 

x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

х

х

dx

 

 

y

 

 

 

 

 

х

(x + 1) −1

 

+ xln(x+1)| 0

x

 

= xy + y – e

 

 

+ 1 + xln(x+1) –

 

 

 

dx =

 

x +1

 

 

 

x + 1

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= xy + y – e y + 1 + xln(x+1) – (1 −

 

 

)dx = xy + y – e y + 1 + xln(x+1) –

 

 

 

 

 

 

0

 

x + 1

 

 

 

 

 

 

 

(x – ln(x+1))| х

= y(x+1) – e y + 1 – x + (x+1)ln(x+1).

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, u(x,y) = y(x+1) – e y + 1 – x + (x+1)ln(x+1).

Задачи для самостоятельного решения:

Вычислить интегралы:

 

(2,1)

(2,1)

ydx xdy

 

(1,2)

 

 

 

 

 

 

 

1)

2хуdx + x2 dy ;

2)

; 3)

e x+ y (dx + dy).

 

 

 

 

(0,0)

(1,2)

y 2

(0,0)

 

 

 

 

 

 

 

4)

Найти функцию u(x,y), если du = (1 +

1

)dx + (

2

 

x

)dy .

 

y

 

y 2

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

5)

Решить дифференциальное уравнение

 

 

 

 

 

 

(4x3 y3 − 3y 2 + 8)dx + (3x4 y 2 − 6xy −1)dy = 0 .

 

 

 

 

 

 

Ответы: 1) 4; 2) 3

; 3) е2-1; 4) u(x, y) = ln x + 2ln y +

x

−1 + C;

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

5) 8x + x4 y3 − 3xy 2 y = C.

74

Варианты типовых заданий

Вариант 1

I. Кратные интегралы

1.Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: y=2x, y=x, x=1.

2.Вычислить интеграл:

∫∫ ( y x)dxdy , ∂D : y = x + 1, y = x − 3, x = −1, x = 2 .

D

3.Найти координаты центра тяжести однородной фигуры, ограниченной линией r = a cos2 ϕ .

4.Найти объём тела , заданного ограничивающими его поверхностями:

z=15y, z=0, x 2 + y 2 =8, x= 2y .

5.Вычислить тройной интеграл:

∫∫∫yzdxdydz, W :1 £ z £ 4 - x 2 - y 2 , x ³ 0, y ³ 0 .

Ω

6.Найти массу тела Ω плотности ρ , если

Ω: 0 ≤ x ≤ 1, 0 ≤ y ≤ 2, 0 ≤ z ≤ 1 и ρ(x, y, z) = x + y + z.

II. Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) (х + у)dx + xdy , L: y = x2, 0x1.

L

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

 

(1 + у)dx + xdy , L: x=2(t – sint), y=2(1 – cost), 0

t ≤ π /2.

 

L

 

 

 

 

3.

 

2

1

 

 

Найти массу дуги кривой

L: y=x +

2

, 0 x 2

с линейной

плотностью

f(x,y) = 2x 4у −1.

 

 

 

 

4.Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

2(x2 + y2 )dx + (x + y)2dy ,

ABC: A(1,1), B(2,2), C(1,3).

 

АВС

 

 

 

 

(1,2)

 

x

 

5.

Вычислить интеграл (2хyex2 + ln у)dx + (ex2 +

+ e y )dy .

 

 

(2,1)

 

y

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу du = (2x3 + xy2)dx + (2y3 + x2y)dy.

75

76

Вариант 2

I. Кратные интегралы

1. Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: y = x2 , y=x, x 0,5.

2.

Вычислить интеграл:

 

 

 

 

 

∫∫( yx +1)dxdy , ∂D : y = −

1 x +

7

, y = −

1 x + 5, x = 0, x = 5.

 

D

3

3

 

3

3.Найти массу пластинки плотности γ (x, y) = y, ограниченной линией r = 2(1+ sinϕ) .

4.Найти объём тела заданного ограничивающими его поверхностями

 

x + z = 4, z = 0, y = x , y = 2 x .

5.

Вычислить тройной интеграл:

 

∫∫∫xdxdydz, W : 3z ³ x 2 + y 2 , x ³ 0, 5 - 2z ³ x 2 + y 2 .

 

Ω

6.

Найти массу тела Ω плотности ρ , ограниченного данными

поверхностями: x+y+z=1, x=0, y=0, z = 0 и ρ(x, y, z) = z .

II. Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) (2х у)dx + (x + у)dy вдоль кривой L: y = 2x +1 от точки А(1,3)

L

до В(2,5).

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

 

(х + у)dx + xdy , L: x=2(t – sint), y=2(1 – cost),

0

 

t ≤ π .

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Найти массу дуги кривой L: y=sin2x , π /4≤ x≤ π /2

с линейной

плотностью

f(x,y) =

 

 

у2соs2x

.

 

 

 

 

 

 

 

5

− 4y 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

 

 

 

АВС

1

dx

1

dy

, ABC: A(1,1), B(2,1), C(2,2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1,π / 4)

2y

3

x

3

 

+ 4y3 + 3y

2

5.

Вычислить интеграл (3x2tgy

)dx + (

 

 

)dy .

x3

cos2

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2,0)

 

x2

 

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу

du = (

x

+

1

+

1 )dx +(

y

+

1

x

)dy.

x2 + y2

 

x2 + y2

 

y2

 

 

x

 

y

 

y

 

 

Вариант 3

I. Кратные интегралы

1. Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: xy = 1, y = x, x = 2

2.Вычислить интеграл:

∫∫(x + 2y)dxdy , D : y = x, y = 3x, x = 2

D

3.Найти координаты центра тяжести однородной фигуры ограниченной линией r = 2 + cosϕ .

4.Найти объём тела заданного ограничивающими его поверхностями

z = 2( x 2 + y 2 ), z = 0, x + y = 2, x = 0, y = 0.

5.Вычислить тройной интеграл:

∫∫∫xdxdydz, W : x 2 + y 2 ³ z 2 , x ³ y, 2z ³ x 2 + y 2 .

Ω

6.Найти массу тела Ω плотности ρ , ограниченного данными

поверхностями: z 2 = x 2 + y 2 , z = h и ρ(x, y, z) = z .

II. Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) хуdx ydy , L: y = x3, 1x3.

L

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

(x − 2у)dx + ydy , L: x=et, y=e-t, 0 t 1.

L

3.

Найти массу дуги кривой L: x=t+2, y=lnt, 1 t e2 с линейной

плотностью f(x,y) =

3y 2 + 2y − 5

 

.

 

 

 

 

1 + (x − 2)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

 

 

y(ydx xdy) , ABC: A(0,0), B(2,1), C(2,3).

 

 

 

АВС

 

 

 

 

 

5.

Вычислить интеграл

(π / 2,2)

sin 2x

+ x)dx + ( y

sin2 x

)dy .

(

y

y2

 

 

 

 

(π / 4,1)

 

 

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу

 

x2

+ у2

x2 + у2

dy.

du = (2x +

 

 

)dx -

 

 

 

xy2

 

x2 y

 

77

Вариант 4

I. Кратные интегралы

1. Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: y=4- x 2 , y=x, y=0.

2.Вычислить интеграл:

∫∫(x - 3y)dxdy , y = x, y = 2x, y = 2.

D

3. Найти площадь фигуры, ограниченной линией r = 2 + cos 2ϕ.

4.Найти объём тела заданного ограничивающими его поверхностями

z = 2( x 2 + y 2 ), z = 0, x + y = 3, x = 0, y = 0.

5.Вычислить тройной интеграл:

∫∫∫2zxdxdydz, W : x 2 + y 2 + z 2 £ 8, x ³ 0, z ³ x 2 + y 2

Ω

6.Найти массу тела W плотности ρ , ограниченного данными

поверхностями:

x 2 + y 2 £ az , z ³ 0, x 2 + y 2 £ a 2 и ρ(x, y, z) = z.

II. Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) ( у − 2x)dx + xdy , L: y = 2x2, 0x1.

L

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

(x2 + у2 )dx + xydy , L: x=3cost, y=3sint, 0 t ≤ π /2.

L

3.Найти массу дуги кривой L: x=3cost, y=3sint, 0 t ≤ π /6 с линейной плотностью f(x,y) = x2 – y 2.

4.Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

2x(y −1)dx x2dy ,

L: y=x2, y=9.

 

L

 

 

 

(1,2)

5.

Вычислить интеграл

(e y + уex )dx + (xe y ex )dy .

(0,0)

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу du = (3x2 - 2x - y)dx + (2y – x + 3y 2) dy.

78

Вариант 5

I. Кратные интегралы

1. Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: y=x, y = -x, y = 2.

2.Вычислить интеграл:

∫∫(x y + 2)dxdy , D : y = x 2 , y = 5x − 6 .

D

3.Найти массу пластинки плотности γ (x, y) = 1 , ограниченной линией

x

r= a cos2 2ϕ .

4.Найти объём тела, заданного ограничивающими его поверхностями

z + x = 2, z = 0, x 2 + y 2 = 1, x ³ 0 , y ³ 0 .

5.Вычислить тройной интеграл:

 

∫∫∫dxdydz , Ω : x 2 + y 2 + z 2 ≤ 2z,

x 2 + y 2 z 2 .

6.

Ω

плотности ρ , ограниченного данными

Найти массу тела W

поверхностями:

x 2 + y 2 + z 2 = a 2 , x 2 + y 2 = z 2 и ρ = x 2 + y 2 + z 2 .

II.Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) (3х + у)dx + (x y)dy , L: y = - x +1, 1x3.

L

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

(x + 2у)dx + xdy , L: x=t, y=t3, 0 t 1.

L

3.

Найти массу дуги кривой L: y = 4 – x 2, 1 x 2 с линейной

 

 

4xy

плотностью

f(x,y) =

 

.

17 − 4y

4.Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

xy2 + 8x + y3

dx + 2x2dy ,

L: y=x2, y=x1/2.

 

 

 

 

 

 

L

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

(3,4)

(

 

x

y

)dx + (

y

+ 1)dy .

Вычислить интеграл

 

 

+ y 2

 

x2 + y 2

 

(2,0)

 

x2

 

x2

x

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу du = (siny +ysinx)dx +(xcosy - cosx)dy.

79

Вариант 6

I. Кратные интегралы

1. Расставить пределы в интеграле ∫∫ f (x, y)dxdy и изменить порядок

D

интегрирования, если границы области D: y = x 2 , y = 2x + 3.

2.Вычислить интеграл:

∫∫(3x y)dxdy , D : y 2 = 4 − x, y 2 = x.

D

3.Вычислить площадь фигуры, ограниченной кривой r = 2(1+ sin 2ϕ) .

4.Найти объём тела, заданного ограничивающими его поверхностями

z + x = 2, z = 0, x 2 + y 2 = 4 , x ³ 0 , y ³ 0 .

5.Вычислить тройной интеграл:

∫∫∫

 

dxdydz

 

,

W : x + y + z £ 1, x ³ 0 , y ³ 0 , z ³ 0

(1

+ x + y + z)

3

Ω

 

 

 

 

 

 

 

 

6.Найти массу тела W плотности ρ , ограниченного данными

поверхностями:

z = H, z = 0, x 2 + y 2 = R 2 и ρ = x 2 + y 2 + z 2

II. Криволинейные интегралы

1.Вычислить криволинейный интеграл II рода (в декартовых

координатах) (х2 + у)dx + 2ydy вдоль кривой L: y = - x2 от точки А(-1,-1) до

L

В(0,0).

2.Вычислить криволинейный интеграл II рода (через параметр)

 

(x − 3у)dx + (2y x)dy , L: x=4cost, y=2sint, -π /2≤ t 0.

 

L

3.

Найти массу дуги кривой L: y = 2x − x2 , 0 x 2 с линейной

плотностью f(x,y) =(3x2 – 2x)y .

4.Применяя формулу Грина, вычислить интеграл

 

(y2 − 2xy)dx + (x2 − 2xy)dy ,

L: y=x2, y=x2 - 2, x=0, x=2.

 

L

 

 

 

 

 

 

 

5.

(2,1)

2x dx +

y

2

− 3x

2

dy .

Вычислить интеграл

 

 

 

 

y4

 

 

(−1,2)

y3

 

 

 

 

 

6.Восстановить функцию по ее дифференциалу

du =

y + sin x cos2 (xy)

dx +(

x

+ sin y )dy.

 

cos2 (xy)

 

cos2 (xy)

 

80

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]