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

MI_T2TerekhovSV

.pdf
Скачиваний:
281
Добавлен:
13.04.2015
Размер:
14 Мб
Скачать
☆

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIII. Тензорная алгебра

Вариант 23

1. Найти матрицу преобразования, если новая система координат получена из старой путем поворота на угол π вокруг оси ординат.

 

 

−2

 

2. Найти координаты вектора

 

=

2

в новой системе координат п.1. Вы-

a

 

 

 

−1

 

числить длину данного вектора в старой и новой системах координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

3

−2

3. Выделить симметричную и антисимметричную части тензора

1

1

7

 

и найти его свёртку.

 

 

 

 

 

−2

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− 2

 

 

1

 

 

 

4. Найти внешнее произведение вектора

 

=

2

и вектора

 

 

=

− 2 .

 

 

 

a

b

 

 

 

 

 

−1

−1

 

 

 

5. Найти главные значения и главные векторы симметричного тензора 2 ран-

 

1

1

0

 

га

1

4

0

.

 

0

0

−1

 

6.Найти главный декартов базис для тензора п. 5 и записать тензор в этом базисе.

7.Вычислить линейный, квадратичный и кубичный инварианты симметрич-

− 2

− 2

−1

 

ного тензора второго ранга

− 2

3

1

.

 

−1

1

− 2

 

 

 

8. Представить тензор п.7 в виде суммы девиатора и шарового тензора.

 

4

0

0

 

9. Состояние среды задаётся тензором напряжений:

0

0

0

. Какие дей-

 

0

0

2

 

 

 

ствия произведены над средой? Найти вектора ϕ(n1 ) , ϕ(n2 ) , ϕ(n3 ) .

10. Найти вектор напряжений для случая, описанного в п.7, на площадке с

−1

нормальным вектором n = 0 , а также его нормальную и касательную сос-

1

тавляющие.

11. Найти тензор деформаций, если поле смещений определяется выражением u (r )=10−3 ((4x + y)i + (x + z)j + (2 y − z)k ), определить тип деформаций и вы-

числить объёмную деформацию.

340

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIII. Тензорная алгебра

Вариант 24

1. Найти матрицу преобразования, если новая система координат получена из старой путем поворота на угол π вокруг оси аппликат.

 

 

3

 

2. Найти координаты вектора

 

=

4

в новой системе координат п.1. Вы-

a

 

 

 

1

 

числить длину данного вектора в старой и новой системах координат.

2

4

−3

3. Выделить симметричную и антисимметричную части тензора

2

0

4

 

 

1

2

4

 

и найти его свёртку.

 

 

3

 

− 2

 

4. Найти внешнее произведение вектора

 

=

4

и вектора

 

 

=

3

.

a

b

 

 

 

1

 

 

0

 

5. Найти главные значения и главные векторы симметричного тензора 2 ран-

 

3

0

0

 

га

0

2

−1

.

0

−1

−1

 

6.Найти главный декартов базис для тензора п. 5 и записать тензор в этом базисе.

7.Вычислить линейный, квадратичный и кубичный инварианты симметрич-

4

4

2

 

ного тензора второго ранга

4

1

−1

.

 

2

−1

−1

 

 

 

8. Представить тензор п.7 в виде суммы девиатора и шарового тензора.

 

0

0

0

 

9. Состояние среды задаётся тензором напряжений:

0

1

0

. Какие дей-

 

0

0

−1

 

 

 

ствия произведены над средой? Найти вектора ϕ(n1 ) , ϕ(n2 ) , ϕ(n3 ) .

10. Найти вектор напряжений для случая, описанного в п.7, на площадке с

−1

нормальным вектором n = 0 , а также его нормальную и касательную сос-

1

тавляющие.

11. Найти тензор деформаций, если поле смещений определяется выражением u (r )=10−4 ((x −3y)i +(y +3z)j +(z −3x)k ), определить тип деформаций и вы-

числить объёмную деформацию.

341

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIII. Тензорная алгебра

Вариант 25

1.

Найти матрицу преобразования, если новая система координат получена

из старой путем поворота на угол 2π / 3 вокруг оси аппликат.

 

 

 

− 2

 

2.

Найти координаты вектора

 

=

−1

в новой системе координат п.1. Вы-

a

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

числить длину данного вектора в старой и новой системах координат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

3

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

1

1

 

3. Выделить симметричную и антисимметричную части тензора

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

0

 

и найти его свёртку.

 

 

 

 

 

 

−2

 

− 2

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Найти внешнее произведение вектора a =

−1

 

и вектора b

=

−5

.

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Найти главные значения и главные векторы симметричного тензора 2 ран-

 

1

0

0

 

га

0

− 2

2

.

 

0

2

1

 

6.Найти главный декартов базис для тензора п. 5 и записать тензор в этом базисе.

7.Вычислить линейный, квадратичный и кубичный инварианты симметрич-

 

4

− 2

8

 

ного тензора второго ранга

− 2

1

3

.

 

8

3

− 2

 

8. Представить тензор п.7 в виде суммы девиатора и шарового тензора.

1

0

0

 

9. Состояние среды задаётся тензором напряжений:

0

0

0

. Какие дей-

 

0

0

2

 

ствия произведены над средой? Найти вектора ϕ(n1 ) , ϕ(n2 ) , ϕ(n3 ) .

10. Найти вектор напряжений для случая, описанного в п.7, на площадке с

−1

нормальным вектором n = 0 , а также его нормальную и касательную сос-

1

тавляющие.

11. Найти тензор деформаций, если поле смещений определяется выражени-

ем u (r )=10−4 ((z − x − y)i +(2x −3y + z)j +(x −8y + z)k ), определить тип деформа-

ций и вычислить объёмную деформацию.

342

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Модульный блок № 7

Задания для самостоятельного решения

XIV. Функции нескольких переменных

Вариант 1

1. Изобразить область определения функции z =

x2

+ y 2

 

−

x

−9 +ln

3

.

 

 

 

 

 

 

2. Найти первые (а) и вторые (б) частные производные функций:

 

а) z = −2

x − y

+3sin (xy);

 

 

 

б) z = 2x3 y − 4x2 y2 + e x −2 y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x + y

 

 

 

 

 

 

 

3.

Найти первые частные производные сложной и неявной функ-

ций:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

 

 

 

 

 

 

 

а) z = 5sin

 

, u = x + 4 y ,

v = y − 2x ;

б) z3 + y −9x + 4 x −2 y +3z −3 = 0 .

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

4.

Удовлетворяет ли функция z = sin 2 (2 y − x) соотношению: 4 zxx'' = z'yy' .

5.

Найти градиент

и

 

производную

по направлению от функции

z =sin (x − y) в точке M0

π

;

π

 

при α =

3π

.

 

 

 

 

3

4

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

6.Составить уравнение касательной плоскости и нормали для по-

верхности z = 2xx−−yy в точке M0 (1; −1; 3).

7.Найти экстремумы функции z = x2 + xy + y 2 − 2x − y .

8.Найти наименьшее и наибольшее значения функции

z = x2 + 3y 2 + x − y в области D :

0 ≤ x ≤1

.

 

1− x ≤ y ≤1

 

9. Найти условные экстремумы функции z = x2 + y 2 + 2x − 2 y на линии

4x 2 + 9y 2 =1.

10. Записать двойной интеграл ∫∫f (x; y) dx dy двумя способами через

D

x y = 4

повторные интегралы, если область D : y = x .

x = 4

11. Изменить порядок интегрирования в двойном интеграле

2

 

4−y

2

 

 

 

 

∫0

 

f ( x ; y) dx dy .

 

2−∫y

 

 

 

 

 

 

 

343

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

12. Вычислить интеграл

2

 

4−y 2

 

 

∫

(x− y) dx dy в полярной системе коорди-

 

∫

 

 

2

 

 

0

 

1−y

 

 

нат.

13. Вычислить площадь плоской фигуры (области D ), где D :

x y =4

 

.

 

=0

y + x −5

 

14. Вычислить с применением тройного интеграла объём цилиндри-

x 2 + y 2 + z 2 =2z

ческого тела (области V ), если V : .

x 2 + y 2 = z

15. Вычислить массу тела (область D ) и координаты его центра

тяжести, если область D : x y =4 , а поверхностная плотность ве-

y +x −5=0

щества γ (x; y) = x2 y .

16. Вычислить моменты инерции тела (область D ), если поверхно-

стная плотность вещества в области D : x y =1

равна γ (x ;

y) = y .

y + x −4 =0

 

 

17. Вычислить криволинейный интеграл 1-го рода ∫(x + 2 y)dl

по тре-

L

угольной области ABC : A(1; 1) , B(2 ; −1) , C(1; 3) .

18. Вычислить криволинейный интеграл 2-го рода ∫[ y dx + x dy ] не-

ГD

 

посредственно и по формуле Грина, если область D : x y =1

.

y + x −4 =0

 

19. Найти результат действия операторов grad и ∆ на скалярный по-

тенциал f (r) =

3

. Выяснить, является ли данная функция гармони-

r 2

 

 

ческой.

 

20. Найти результат действия операторов rot и div на векторный по-

тенциал F = ( x − 2 y + 3z ; x − y + 5 z ;

x z ). Если для данного поля от-

сутствует циркуляция, то найти уравнения силовых линий.

21. Вычислить поток вектора J =(

x ; 5z; −x+2y−z ) через поверхность

единичной сферы, которая описывается уравнением x 2 + y 2 + z 2 =1.

344

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIV. Функции нескольких переменных

Вариант 2

1.

Изобразить область определения функции

 

z =

 

x

2

y

2

 

2 + x

 

 

 

4

 

−

 

−1 +arccos

.

 

 

 

 

 

3

 

 

3

2.

Найти первые (а) и вторые (б) частные производные функций:

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

а) z = 5xe2x − y + 7 cos

 

;

 

 

 

б) z = 6x2 − 4 y + x +tg y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

3.

Найти первые частные производные сложной и неявной функ-

ций: а) z = −2 cos (u v), u = x2 , v = y3 ;

 

б) 4 y2 z +3xy −sin(z + 2x − y) = 0 .

4.

Удовлетворяет ли функция z =

y

соотношению: (x2 zx' )' = y 2 z 'yy' .

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x

5.

Найти градиент

и

производную по направлению от функции

z = cos (x + y) в точке M0

π

; −

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

в направлении S =(0; 1) .

 

 

3

 

 

 

 

 

 

6.

Составить уравнение касательной плоскости и нормали для по-

верхности z 2 − 2xy + e x −3z +1 = 0 в точке M0 (3; 1; 2).

7.Найти экстремумы функции z = x3 + 4xy + y3 − 2x2 − 2 y2 .

8.Найти наименьшее и наибольшее значения функции z = 4 − x2 − y 2 в

области

−1

≤ x ≤1

.

D :

 

≤ y ≤ 1−x2

 

− 1−x2

 

 

 

 

 

 

9. Найти условные экстремумы функции z = x2 − y2 + 2xy − 4 y на линии

x2 −y 2 =1.

10. Записать двойной интеграл ∫∫f (x; y) dx dy двумя способами через

D

y = x 2

повторные интегралы, если область D : y =1−x.

y =1+x

11. Изменить порядок интегрирования в двойном интеграле

 

 

 

1

 

y

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

∫f (x; y)dx dy.

 

 

 

0

y

 

 

 

 

 

 

 

 

12. Вычислить интеграл

∫0

 

∫0

2

 

 

1−(x2

 

3

 

9−y

+y2)dx dy в полярной системе ко-

 

 

 

 

 

 

 

ординат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

345

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

13. Вычислить площадь плоской фигуры (области D ), где D :

y = xy =5x.x=1

14. Вычислить с применением тройного интеграла объём цилиндри-

 

2

+ y

2

= z

 

x

 

 

.

ческого тела (области V ), если V :

x 2 + y 2

 

 

= z

 

 

 

 

 

 

 

 

15. Вычислить массу тела (область D ) и координаты его центра

y = x

тяжести, если область D : y =5x, а поверхностная плотность веще-

x=1

ства γ (x ; y) = 2x + y .

16. Вычислить моменты инерции тела (область D ), если поверхно-

стная плотность вещества в области D : y = 2x

равна γ (x ;

y) = x .

y = 4 x, x =1

 

 

 

 

17. Вычислить криволинейный интеграл 1-го рода ∫(x − y)dl

по тре-

угольной области ABC : A(0 ; −1) , B(4 ; −1) , C(4 ; 1) .

L

 

 

 

 

 

 

 

18. Вычислить криволинейный интеграл 2-го рода

∫[ x 2 y dx + xy 2 dy ]

 

ГD

 

 

 

непосредственно и по формуле Грина, если область D : y = 2x

1

.

 

y = 4 x, x =

 

19.Найти результат действия операторов grad и ∆ на скалярный потенциал f (r) = −2 r . Выяснить, является ли данная функция гармони-

ческой.

20.Найти результат действия операторов rot и div на векторный по-

 

 

 

 

 

y − z

 

z − x

 

 

 

 

 

 

 

 

тенциал

 

 

 

x − y

;

;

 

. Если для данного поля отсутствует

 

 

 

 

 

F =

y + z

 

 

 

 

 

x + y

 

 

z + x

 

циркуляция, то найти уравнения силовых линий.

21. Вычислить поток вектора

 

 

 

2x

 

y

 

4z

 

через поверхность

 

 

 

 

 

 

J = −

 

 

;

 

 

; −

 

 

y+1

3z+2

 

 

 

 

 

 

 

x+1

 

единичной сферы, которая описывается уравнением x 2 + y 2 + z 2 =1.

346

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIV. Функции нескольких переменных

Вариант 3

1. Изобразить область определения функции z = 5 x .

y2 − x

2. Найти первые (а) и вторые (б) частные производные функций:

 

 

 

 

 

 

 

 

а)

z = 8ctg

x − 2 y

 

−log

3

(sin(x −3y)); б) z = x4 y2

+5x − y2

+ arcsin y .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x +3y

 

 

 

 

 

 

3. Найти первые частные производные сложной и неявной функ-

ций: а) z = ctg(u + v), u = e xy ,

v = 3x − 2 y2 ;

б) cos(z 2 − x4 ) − y2 x + arccos( y + 2z) = 5 .

4. Удовлетворяет ли функция z = ln(e x + e y )соотношению:

 

 

 

zxx'' z'yy' = (zxy'' )2 .

5. Найти градиент и

 

производную по направлению от функции

 

π

;

π

π

.

z = ctg(2x − y) в точке M0

4

при α =

6

 

 

2

 

6.Составить уравнение касательной плоскости и нормали для по-

верхности z = y 2 arcsin( x +1) в точке M0 (0; 2; −2) .

7.Найти экстремумы функции z = −x2 − xy − y2 + 6x + 2 .

8.Найти наименьшее и наибольшее значения функции

z = 3x2 − xy −4x + y в области D :

 

−2 ≤ x ≤2

.

 

 

2

 

 

 

 

 

≤ y

≤4

 

 

x

 

 

9. Найти условные экстремумы функции

z = x 2 − 4 xy − 4 x на линии

2 x − 4 y = 12 .

 

 

 

 

 

 

10. Записать двойной интеграл ∫∫f (x; y) dx dy

двумя способами через

D

 

 

 

 

 

 

x 2 + y 2 =4

 

 

 

 

2 .

 

 

повторные интегралы, если область D : y =−x

 

 

 

 

2

 

 

 

y =−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Изменить порядок интегрирования в двойном интеграле

 

 

 

4

3x

 

 

 

 

∫ ∫f (x;

 

 

 

1

x

 

 

12

 

144−y

2

12. Вычислить интеграл

 

 

 

∫0

 

 

∫0

 

 

 

 

 

 

 

y)dy dx.

x2 + y 2 dy dx в полярной системе ко-

ординат.

347

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

13. Вычислить площадь плоской фигуры (области D ), где D :

y 2 =10 x + 25.

y2 =6 x +9

14. Вычислить с применением тройного интеграла объём цилиндри-

x 2 + y 2 + z 2 =4

ческого тела (области V ), если V : .

x 2 + y 2 =2x

15. Вычислить массу тела (область D ) и координаты его центра

y =x

тяжести, если область D : y =2−x , а поверхностная плотность

x =0, x =2

вещества γ (x ; y) = 4 .

16. Вычислить моменты инерции тела (область D ), если поверхностная плотность вещества в области D : (x−1)2 +(y −1)2 =1 равна γ (x; y) =5. 17. Вычислить криволинейный интеграл 1-го рода ∫x2 dl по треуго-

L

льной области ABC : A(2 ; 1) , B(2; 4) , C(1; 1) .

18. Вычислить криволинейный интеграл 2-го рода ∫[ 2 dx + y dy] не-

ГD

посредственно и по формуле Грина, если область D : (x −1)2 +(y −1)2 =1.

19.Найти результат действия операторов grad и ∆ на скалярный потенциал f (r) = 5 sin( k r) . Выяснить, является ли данная функция гар-

монической.

20.Найти результат действия операторов rot и div на векторный по-

 

 

 

 

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

тенциал

 

 

 

x

 

;

;

 

. Если для данного поля отсутствует циркуляция,

 

 

 

 

 

F =

z

 

 

 

 

 

y

 

 

x

 

то найти уравнения силовых линий.

21. Вычислить поток вектора J =(2x ; −x+3 z; xy) через поверхность единичной сферы, которая описывается уравнением x 2 + y 2 + z 2 =1.

348

Терехов С.В. Математический инструментарий для студентов-физиков.

Задания для самостоятельного решения

XIV. Функции нескольких переменных

Вариант 4

1. Изобразить область определения функции

z= x − y −3 +log2 (x + y −1).

2.Найти первые (а) и вторые (б) частные производные функций:

а) z = 9x cos y −5

2 y

;

б) z = 5x2 y3 + 6xy + log3 (x − y) .

x2

 

 

 

3. Найти первые частные производные сложной и неявной функ-

ций: а) z = −9 lg(u −v), u = sin(xy2 ) , v = x2 ; б) arctg (z + y) + 6xy + lg(2x + 3 y) + 4 = 0 .

4.

Удовлетворяет ли функция z = x2

−3y2

соотношению: x zxx'' = −y zxy'' .

5.

Найти градиент и производную

по

направлению от функции

z =lg(x2 y)в точке M0 (−1; 1) в направлении S =(1; −1) .

6.Составить уравнение касательной плоскости и нормали для по-

верхности arctg(z −x + y) −4z =0 в точке M0(−2; −1; −1).

7.Найти экстремумы функции z = x3 +3xy2 −15x −12 y .

8.Найти наименьшее и наибольшее значения функции

z = x2 +2xy − y2 −4x в области D :

−1≤ x ≤3

.

 

0 ≤ y ≤ x +1

 

9. Найти условные экстремумы функции z =4x2+8xy−2y 2 −x+y на линии

x + 2 y = 6 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10. Записать двойной интеграл ∫∫f (x; y) dx dy

двумя способами через

 

 

 

D

 

2

 

 

2

 

повторные интегралы, если область

 

− y

=1.

D : x

 

 

 

 

 

 

 

=6

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

11. Изменить порядок интегрирования в двойном интеграле

 

e ln x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ ∫f (x; y) dy dx .

 

 

 

 

 

 

1 0

 

 

 

 

 

 

 

5

 

25 − x 2

 

 

 

 

 

 

12. Вычислить интеграл ∫

 

∫ ( x + y ) dy dx

в полярной системе ко-

0

 

x 2

 

 

 

 

 

 

ординат.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13. Вычислить площадь плоской фигуры (области D ), где D :

 

 

y =sin x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=cos x .

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≥0

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

349

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]