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

Математический анализ II Учебное Пособие

.pdf
Скачиваний:
87
Добавлен:
14.04.2015
Размер:
7.4 Mб
Скачать

n 1

σn = f (ξk ,ηk ) xk . k =0

Измельчая дробление и устремляя ранг дробления к нулю, ищем предел

I = limσn .

λ0 n →∞

Если этот предел существует, то он называется криволинейным интегралом второго рода от функции f (x ,y ) по кривой A B и обозначается

так:

 

I = f (x ,y )dx .

Итак, короче:

A B

n 1

 

f (x ,y )dx = limλ0 f (ξk ,ηk ) xk .

A B

n →∞ k =0

Определение относится к плоской кривой. Точно так же определяется интеграл по пространственной кривой f (x ,y ,z )dx .

 

A B

 

 

Аналогично определяются

интегралы

f (x ,y ,z )dy

и f (x ,y ,z )dz .

 

 

A B

A B

Сумму интегралов по кривой A B обозначают так:

 

P (x ,y ,z )dx + Q (x ,y ,z )dy + R (x ,y ,z )dz =

A B

A B

A B

 

P (x ,y ,z )dx +Q (x ,y ,z )dy +R (x ,y ,z )dz

A B

Всё сказанное не исключает случая, когда точка A совпадает с точкой B , т.е. кривая A B представляет собой замкнутый контур K , в этом случае криволинейный интеграл второго рода обозначается так:

f (x ,y )dx ,

K

причём безразлично, в какой точке следует начать движение по контуру. Следует заметить, что если K - есть плоский замкнутый самонепересекающийся контур, то у такого контура различают положительное и отрицательное направление обхода, а именно: за положительное направление обхода принимают такое направление, при котором область, ограниченная контуром K , остается слева, если наблюдатель движется по контуру. В таком случае, если K - пространственная кривая, то направление обхода контура оговаривается особо. Иногда для интегралов по замкнутому самонепересекающемуся контуру употребляют такие обозначения:

f (x ,y )dx и f (x ,y )dy .

2.Теорема существования криволинейного интеграла

84

второго рода

Теорема. Пусть кривая A B

задана уравнениями x =ϕ(t ) , y =ψ(t ), где

ϕ(t ) и ψ(t ) непрерывны на

промежутке

[p ,q ] , причём ϕ (t ) также

существует и непрерывна на [p ,q ] , причём,

когда параметр t возрастает

от p до q , то кривая A B (или контур K ) описывается в одном и том же

направлении от A до B .

Пусть также в каждой точке кривой A B задана непрерывная функция f (x ,y ) .

Тогда криволинейный интеграл второго рода от функции f (x ,y ) по кривой A B существует и выражается через определённый интеграл так:

f (x ,y )dx = b f [ϕ(t ),ψ(t )]ϕ(t )dt .

A B

a

задана уравнением y =ψ (t ), где

Частный случай. Если кривая A B

ψ (t ) - непрерывная на промежутке [a ,b]

функция, и если в каждой точке

кривой A B задана непрерывная функция f (x ,y ) , то тогда криволинейный

интеграл второго рода I = f (x ,y )dx

существует и выражается через оп-

A B

 

ределенный интеграл так:

 

f (x ,y )dx = b f [x ,ψ(x )]dx .

A B

a

3. Свойства криволинейного интеграла второго рода

Остановимся на некоторых свойствах и применениях криволинейного интеграла второго рода, причём не будем упоминать и доказывать свойства, которые очевидны.

1. При определении криволинейного интеграла второго рода I = f (x ,y )dx нужно различать начало и конец пути интегрирования, а

A B

именно:

f (x ,y )dx = − f (x ,y )dx .

A B B A

Это свойство станет очевидным, если для одного и того же способа разбиения составить интегральные суммы для интегралов, стоящих в левой и прямой части равенства.

85

2. В том случае, если кривая A B замкнута, т.е. представляет собой замкнутый контур K , то

f (x ,y )dx = − f (x ,y )dx ,

т.е. изменение направления обхода контура K меняет знак интеграл на противоположный.

3. Если функция f (x ,y )

интегрируема на кривой A B и если точка C

разбивает кривую на два участка A C и C B , то

f (x ,y )dx = f (x ,y )dx + f (x ,y )dx .

A B

A C

C B

Для доказательства этого свойства достаточно составить интегральную сумму, а точку C включить в число точек дробления.

4. Очевидно, что если кривая A B есть прямолинейный отрезок, перпендикулярный оси O x , то при любой f (x ,y ) интеграл I = f (x ,y )dx суще-

A B

ствует и равен нулю.

4. Связь криволинейных интегралов первого и второго рода

Рассмотрим

интеграл

 

 

B

I = P (x ,y )dx ,

где P (x ,y ) - непре-

y

 

β

τ

A B

 

 

 

рывная функция в каждой точке кривой

 

 

 

 

α

A B , а кривая A B задана уравнением

 

 

A

 

 

y =ψ(x ) , причём

ψ(x ) непрерывна и

M

 

 

 

 

 

имеет непрерывную производную ψ (x )

 

 

 

на промежутке [a ,b], где a <b и

0

рис. 4

x

a является абсциссой точки A ,

 

 

b - абсциссой точки B (рис. 4)

При выполнении таких условий кривая A B в каждой точке имеет касательную. Мы будем рассматривать касательную, имеющую направление, совпадающее с направлением кривой A B . Обозначим через α угол между положительным направлением касательной и осью O x . В силу геометриче-

 

ского смысла производной следует, что tgα =ψ (x ) , а тогда

cosα =

1

.

1 +[ψ(x )]2

Интеграл I мы можем записать так:

I = P [x ,ψ(x )]cosα 1+ψx2dx .

A B

86

Перейдём в правой части к определённому интегралу:

b

[

]

[

 

]

2

 

 

I = P

x ,ψ(x ) cosα

 

 

dx .

1 + ψ (x )

 

 

a

Точно такому же определённому интегралу равен криволинейный интеграл первого рода

I 1 = P (x ,y )cosαdS ,

A B

т.е. I =I 1 .

Окончательно получаем

P (x ,y )cosαdS = P (x ,y )dx .

A B A B

Совершенно аналогично можно доказать и такую формулу:

Q (x ,y )cos βdS = Q (x ,y )dy ,

A B A B

где β - угол между положительным направлением касательной к осью O y .

Скатывая почленно две последние формулы, получим соотношение, устанавливающее связь между криволинейными интегралами первого и второго рода по кривой A B , лежащей в плоскости xO y :

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy =

AB

=[P (x ,y )cosα +Q (x ,y )cos β]dS

A B

Между левой и правой частям равенства здесь такое согласование: следа интеграл вычисляется по кривой A B от A к B , а справа через α и β обо-

значены углы касательной, направление которой совпадает с направлением кривой A B , с координатными осями.

Если A B - пространственная кривая, α , β , γ - углы касательной, совпадающей по направлению с кривой A B , с координатными осями O x , O y и O z соответственно, то справедливо такое соотношение:

P (x ,y ,z )dx +Q (x ,y ,z )dy +R (x ,y ,z )dz =

AB

=[P (x ,y ,z )cosα +Q (x ,y ,z )cos β +R (x ,y ,z )cosγ ]dS

AB

5.Вычисление работы с помощью криволинейного интеграла

87

Мы получили ранее выражение для ра-

y

 

F

B

боты силы F по перемещению материаль-

 

 

γ

 

 

 

ной точки M по кривой A B через криво-

 

 

 

 

 

 

 

линейный

интеграл

первого

рода:

 

 

θ

α τ

A = F cosθdS .

 

 

 

A

M

 

A B

 

 

 

 

 

 

 

Здесь θ - угол между вектором F и ка-

0

 

 

x

сательной, направление которой совпадает

 

рис. 5

с направлением кривой A B .

Найдём выражение для этой работы с помощью криволинейного интеграла второго рода (рис. 5). Пусть α - угол между направлением касательной и осью O x , β - угол между вектором F и осью O y , тогда ясно, что

θ = ±(γ α).

Обозначим через P (x ,y ) и Q (x ,y ) проекции силы F на координатные оси. Очевидно, что

F (x ,y )cosγ =P (x ,y ), F (x ,y )sinγ =Q (x ,y ) ,

кроме того,

cosθ = cosγ cosα +sinγ sinα ,

тогда

A = [F (x ,y )cosγ cosα +F (x ,y )sinγ sinα]dS =

AB

=[P (x ,y )cosα +Q (x ,y )sinα]dS

AB

Принимая во внимание формулу, устанавливающую связь между криволинейными интегралами первого и второго рода, получим окончательно

A = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy .

A B

Итак, всякий криволинейный интеграл второго рода вида

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy

A B

можно истолковать как работу силы, имеющей своими проекциями на координатные оси P (x ,y ) и Q (x ,y ) , по перемещению материальной точки

вдоль кривой A B из точки A в точки B .

88

Удалено:

§ 3. Формула Грина

Пусть задана некоторая область D , ограниченная снизу кривой y =ϕ(x ) , сверху - кривой y = Φ(x ) , а с боков - отрезками B C и A D , параллельными

 

 

 

 

 

 

 

оси O y

(рис. 6), и пусть в этой об-

y

D

y = Φ(x )

 

 

ласти

определена

непрерывная

 

 

 

C

функция P (x ,y ) , имеющая непре-

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

рывную

частную

производную

 

 

 

 

 

Py(x ,y ) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

y =ϕ(x )

B

Вычислим

P (x ,y )

 

 

 

 

 

I = ∫∫

dxdy .

 

 

 

 

 

 

 

0

 

a

 

 

b x

 

y

 

 

 

 

D

 

 

 

 

Переходя к повторному интегра-

 

 

рис. 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лу, получим

 

 

 

 

b

Φ(x )

P (x ,y )

 

b

 

 

 

 

 

I = dx

dy

= [P (x ,Φ(x ) P (x ,ϕ(x )]dx

 

 

 

 

 

a

ϕ(x )

y

 

 

a

 

 

 

С другой стороны, интеграл по контуру области D :

 

P (x ,y )dx = P (x ,y )dx + P (x ,y )dx + P (x ,y )dx + P (x ,y )dx =

K D

 

A B

 

 

B C

C D

 

D A

 

 

= b P [x ,ϕ(x )]dx b P [x ,Φ(x )]dx .

 

 

 

 

a

 

 

 

a

 

 

 

 

Правые части двух последних формул отличаются только знаком, следовательно,

 

 

∫∫

P (x ,y )

dxdy = −∫∫P (x ,y )dx .

 

 

y

 

 

D

K D

 

 

 

y

x =ϕ(y )

x = Φ(y )

Полученная формула называется ма-

d

 

 

 

 

 

 

лой формулой Грина. Можно доказать,

 

D

 

 

что она справедлива и для области, изо-

 

 

 

браженной на рис. 7.

 

 

 

 

c

 

 

 

Нетрудно доказать также, что эта

 

 

 

формула справедлива для любой области,

0

 

 

x

рис. 7

 

распадающейся на конечное число час-

 

 

 

тей, изображенных на рис. 6 и рис. 7.

 

 

 

 

Если в области D определена и непрерывна функция Q (x ,y ), имеющая

непрерывную частную производную Q (x ,y ) , то совершенно аналогично

x

можно доказать вторую малую формулу Грина:

89

∫∫Q(xx ,y ) = ∫∫Q (x ,y )dy .

D K D

Складывая почленно обе малые формулы Грина, получим формулу

Q (x ,y )

 

P (x ,y )

 

∫∫

 

 

dxdy = ∫∫P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy .

x

y

D

 

 

K D

Эта формула называется большой формулой Грина или просто формулой Грина. Она устанавливает связь между двойным интегралом по области D и криволинейным интегралом по контуру этой области.

Замечание (о вычислении площади области с помощью криволинейного интеграла). Положим в формуле Грина P (x ,y ) = −y ,

Q (x ,y ) =x тогда получим

Q (x ,y )

P (x ,y )

=1+1 = 2.

x

y

 

 

При таких значениях функции P (x ,y ) и Q (x ,y ) интеграл, стоящий в ле-

вой части формулы Грина, даёт нам удвоенную площадь области D , откуда следует

SD = 12 KD xdy y dx .

По этой формуле можно вычислить площадь области D , ограниченной контуром K D .

Пример. Вычислить площадь эллипса x =a cost , y =a sint

Решение. Очевидно, что когда параметр t изменяется от 0 до 2π , точ-

ка (x ,y )

обегает полный контур эллипса в положительном направлении.

Учитывая, что xt′ = −a sint , y t′ =b cost , получим

 

 

SЭЛЛ =

1

xdy ydx =1 2π[a cost bcost +bsint a sint ]dt =

1ab2πdt =πab кв. ед.

 

2K

ЭЛЛ

2 0

2

0

 

 

 

 

 

§ 4. Криволинейные интегралы, не зависящие от пути интегрирования

Пусть функции P (x ,y ) и Q (x ,y ) определены и непрерывны в некоторой открытой области S и имеют в ней непрерывные частные производные

Q (x ,y )

и

P (x ,y )

. Мы будем рассматривать кривые, целиком лежащие в

x

y

 

 

 

 

 

90

области S и допускающие представление x =ϕ(t ) , y =ψ(t ), при нём функции ϕ(t ) и ψ(t ) непрерывны и имеют непрерывные производные ϕ(t ) и ψ(t ) при любом t [p ,q ].

Определение 1. Говорят, что интеграл I = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy

A B

не зависит от пути интегрирования, если результаты интегрирования по любой кривой, соединяющей точки A и B , совпадают, т.е. если (рис. 8).

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy .

A M B A N B

Замечание. Интегралы, не зависящие от пути интегрирования, иногда записывают так:

y

 

(x ,y )

N

B

I = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy ,

 

 

(x0 ,y 0 )

A

S

где A (x 0 ,y 0 ) и B (x1,y1 ) , а под кривой, по

M

 

которой ведется интегрирование, пони-

0

x

маем любую кривую A B , лишь бы на

ней не нарушались условия теоремы су-

рис. 8

 

ществования криволинейного интеграла.

 

 

Определение 2. Говорят, что интеграл по замкнутому контуру ра-

вен нулю, если для любого замкнутого самонепересекающегося контура L , целиком лежащем в S , оказывается

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = 0 .

L

Лемма. Определения 1 и 2 эквивалентны.

1. Докажем , что если криволинейный интеграл не зависит от пути интегрирования, то тогда по любому замкнутому контуру он равен нулю (рис. 8).

Действительно пусть

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy

A M B

A N B

 

Отсюда следует:

 

 

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = 0 =>

A M B

A N B

 

=> P (x,y )dx +Q(x,y )dy +

P (x,y )dx +Q(x,y )dy =

Pdx +Qdy =0

AMB

BNA

AMBNA

Теперь достаточно только обозначить замкнутую кривую A M B N A буквой L и оказывается

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = 0 .

L

91

2. Второе утверждение: Если интеграл по замкнутому контуру равен нулю, то он не зависит от пути интегрирования, доказывается аналогично, для чего достаточно разбить замкнутый контур L на два участка.

(Докажите самостоятельно).

Теорема 1. Для того, чтобы интеграл I = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy не

A B

зависел от пути интегрирования, необходимо и достаточно, чтобы в каждой точке области S было выполнено условие

P (x ,y )

=

Q (x ,y )

.

(1)

y

 

 

x

 

Доказательство. Достаточность. Допустим, что в каждой точке области S выполнено условие (1). Возьмём замкнутый самонепересекающийся контур L , лежащий в S и ограничивающий область D (рис. 9). По формуле Грина

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q (x ,y )

 

 

P (x ,y )

 

 

 

 

 

 

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = ∫∫

 

 

 

 

 

 

dxdy .

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как выполнено условие (1) ,

то

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy = 0 , а тогда в си-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 0

ρ

 

 

B

лу

леммы

криволинейный

интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ

 

 

D

 

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy

не

зависит

от

 

 

 

 

A

 

 

 

L ρ

 

S

A B

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пути интегрирования.

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рис. 9

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимость. Допустим, что условие (1) не выполнено всюду в S

и

пусть

найдётся

некоторая

 

точка

 

 

 

M 0 (x 0 ,y 0 ),

в

 

которой

 

P (x ,y )

Q (x ,y )

. Пусть для определённости в этой точке

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q (x ,y )

P (x ,y )

 

> 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как

частные производные

 

Q (x ,y )

 

 

и

 

P (x ,y )

 

непрерывны, то

 

 

 

 

 

x

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

можно найти круг

ρ с центром в точке M 0 столь малого радиуса ρ , что

последнее неравенство во всех точках области

 

ρ . Пусть L ρ - контур об-

ласти ρ . Для этой области справедлива формула Грина, но т.к. в каждой

точке области ρ

Q

P

> 0 , то двойной интеграл

 

x

 

y

 

 

 

 

 

92

∫∫ρ

Q

P

,

x

y

 

 

 

 

dxdy > 0

следовательно, нашелся контур L ρ такой, что

P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy > 0 .

L ρ

Теорема 2. Если в каждой точке области S функции P (x ,y ) и Q (x ,y )

непрерывны

и

имеют

непрерывные

частные

производные

 

P (x ,y )

=

Q (x ,y )

,

то выражение P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy

является пол-

 

y

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

ным

(x ,y )

дифференциалом

непрерывной

 

функции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Φ(x ,y ) = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy ,

 

 

 

 

 

 

(a ,b )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. d Φ(x ,y ) =P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy .

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

x

Доказательство. Пусть в каждой

 

 

 

 

 

 

 

точке области

S выполнено

условие

 

 

 

 

M (x ,y ) N (x + x ,y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1). Закрепим

 

точку A (a ,b)

и пусть

 

S

 

M (x ,y ) - какая-нибудь точка области

A

x

S . Тогда P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy за-

0

 

A M

 

 

висит от точки M

, но не зависит от ли-

 

рис. 10

 

 

 

нии A M .

 

 

 

 

 

Это означает, что написанный интеграл является функцией переменных x и y . Обозначим через Φ(x ,y ) , тогда можно написать:

(x ,y )

Φ(x ,y ) = P (x ,y )dx +Q (x ,y )dy .

(a ,b )

Попробуем продифференцировать функцию Φ(x ,y ) по переменной x (рис. 10). Для этого, исходя из точки M (x ,y ) , дадим x приращение x , взяв его столь малым, чтобы отрезок M N , соединяющий точки M (x ,y ) и N (x + x ,y ) , целиком лежал в области S , тогда будет

(xx ,y )

(x ,y )

(x,y )

Φ(x x,y ) =

P (x,y )dx +Q(x,y )dy = Pdx +Qdy +

Pdx +Qdy =>

(a ,b)

(a ,b)

(x ,y )

(x x ,y )

=> ΔΦ(x ,y ) = Φ(x + x ,y ) −Φ(x ,y ) = P dx +Q dy .

(x ,y )

93