Файл: Математический анализ в примерах и задачах.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 8947

Скачиваний: 108

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

Г л а в а  14.  Кратные, криволинейные, поверхностные интегралы 

192 

Находим: 

1

1

0

1

:

0

1

D

x

xdxdy

D

y

x

 

   



 

1

1

1

1

2

3

0

0

0

0

(1

)

(

/ 2

/ 3)

1/ 6

x

xdx

dy

x

x dx

x

x

2

2

0

1

:

1/ 6

0

1

D

x

xdxdz

D

z

x

 

   



,  так  как  области 

1

и 

2

D

  перехо-

дят одна в другую заменой  у  на   z

3

0

0

D

dydz



;

4

3

4

0

1

(1

) 3

:

0

1

D

D

y

y

z

dydz

D

z

y

 

 

   



 

1

0

1

1

1

2

0

0

0

3

(1

)

3 / 2

(1

)

z

y

z

y

dy

y

z dz

y

z

dy

 

 

 

 

 

 

1

2

0

3 / 2)

(1

)

y dy

1

3

0

3

3

(1

)

6

6

y

1 / 6 1 / 6 0

3 / 6

(2

3) / 6

I

 

 

.

 

 

Задачи для самостоятельного решения 

 

Вычислить поверхностные интегралы первого рода. 
120. 

xyzd



, где 

 –  часть плоскости 

1

x

y

z

  

,  лежащая 

в первом октанте. 

121. 

xd



,  где 

  –    часть  сферы 

2

2

2

2

x

y

z

R

,    лежащая  

в первом октанте. 

122. 

yd



, где 

 –  полусфера 

2

2

2

z

R

x

y

123. 

2

2

2

R

x

y d



, где 

 –  полусфера 

2

2

2

z

R

x

y

124. 

2

d

r



, где 

 – цилиндр 

2

2

2

x

y

R

, ограниченный плос-

костями 

0,

z

z

H

, а  r – расстояние от точки поверхности до на-

чала координат. 

125. 

(

)

xy

yz

zx d



, где 

  –  часть конической поверхности 

2

2

z

x

y

, вырезанная поверхностью 

2

2

2

x

y

ax


background image

14.6. Поверхностные интегралы 

193 

126. Найти массу сферы, если поверхностная плотность в каж-

дой  точке  численно  равна  расстоянию  этой  точки  от  некоторого 

фиксированного диаметра сферы. 

127. Найти массу параболической оболочки 

2

2

(

) / 2 (0

1)

z

x

y

z

 

плотность которой меняется по закону 

z

 

128.  Найти  массу  полусферы 

2

2

2

2

(

0)

x

y

z

a

z

,  плот-

ность которой в каждой ее точке равна 

/

z

a

129.  Найти  координаты  центра  тяжести  части  однородной  по-

верхности 

2

2

z

x

y

, вырезанной поверхностью 

2

2

x

y

ax

 
 

14.6.3.  ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО РОДА (ПИ-2) 

 

Пусть:  1)  в  точках  двусторонней  гладкой  (или  кусочно-глад-

кой) поверхности 

 задана ограниченная функция 

( , , )

f x y z ; 2) вы-

брана положительная сторона поверхности; 3) 

1

2

,

, ...,

n

 

 – раз-

биение 

  на  n  частей 

i

  с  площадями 

i



  и  диаметрами 

i

d

;  

4) 

( ,

,

)

(

1, 2, ..., )

i

i

i

i

i

M

i

n

   

  –  произвольный  набор  точек;  

5) 

xy i

S



 – проекция  элемента 

i

 на плоскость  Oxy  (проекция оп-

ределенной стороны поверхности связана со знаком  « +  » или « – »); 

6) 

1

( ,

,

)

n

n

i

i

i

xy i

i

I

f

S

 

   

–  интегральная  сумма,  соответствую-

щая данному разбиению и выбору точек. 

Определение.  Конечный  предел 

n

I

  при 

 

0 (

sup

)

i

d

 

 

 

называется поверхностным интегралом второго рода от   ( , , )

f x y z  

по определенной стороне поверхности 

:  

lim

( , , )

n

n

I

f x y z dxdy





 

(здесь  dxdy  напоминает о проекции 

i

 на  Oxy  и содержит знак). 

При  проектировании  ориентированной  поверхности 

  на 

плоскости  Oyz  и 

Oxz

 получаем ПИ-2:            

( , , )

,

( , , )

f x y z dydz

f x y z dxdz





 
 

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПИ-2 

 

Теорема  14.11.  Пусть  ориентированная  гладкая  поверхность 

  задана явно. Тогда: 

а) если 

:

( , ), ( , )

xy

z

z x y

x y

S

, то  

( , , )

f x y z dxdy



( , , ( , ))

xy

S

f x y z x y dxdy

 



;      (14.35а) 


background image

Г л а в а  14.  Кратные, криволинейные, поверхностные интегралы 

194 

б) если  :

( , ), ( , )

xz

y

y x z

x z

S

, то  

( , , )

f x y z dxdz



, ( , ),

xz

S

f

x y x z

z dxdz



;         (14.35б) 

в) если 

:

( , ), ( , )

yz

x

x y z

y z

S

, то  

( , , )

f x y z dydz



  

( , ), ,

yz

S

f

x y z

y z dydz

 



.    (14.35в) 

 
 

СВЯЗЬ МЕЖДУ ПИ-1 И ПИ-2 

 
Теорема  14.12.  
Если 

  –  гладкая  двусторонняя  поверхность, 

ориентация 

  характеризуется  нормалью 

cos

, cos , cos

n

 

 

=

/

,

n

n

 

( , , ),

( , , ),

( , , )

P x y z

O x y z

R x y z   –  функции,  определен-

ные и непрерывные на 

, то 

(

cos

cos

cos )

Pdydz Qdxdy

Rdxdy

P

Q

R

d

 

 

 





.  (14.36) 

 

СВЯЗЬ МЕЖДУ ПИ-2 И ТРОЙНЫМ ИНТЕГРАЛОМ 

 (ФОРМУЛА ГАУССА – ОСТРОГРАДСКОГО) 

 
Теорема  14.13.  
Пусть  функции 

( , , ),

( , , ),

( , , )

P x y z Q x y z

R x y z

  – 

непрерывные  вместе  со  своими  частными  производными  (первого 
порядка)  в  некоторой  пространственной  области  V,  ограниченной 
гладкой замкнутой поверхностью 

 с положительной внешней  сто-

роной. Справедлива формула Гаусса-Остроградского 

          

Pdydz Qdxdz

Rdxdy



V

P

Q

R

dxdydz

x

y

z



    . 

З а м е ч а н и е. О приложениях ПИ-2 смотри в разделе «Эле-

менты теории поля». 

Пример  25.  Вычислить  ПИ-2: 

2

2

,

x y zdxdy



  где 

2

2

x

y

 

 

2

z

R

 

 – положительная (внешняя) сторона сферы. 

  Для  вычисления  ПИ-2  замкнутую  поверхность 

необхо-

димо разбить на 

1

с уравнением 

2

2

2

z

R

x

y

 и 

2

 с уравнени-

ем 

2

2

2

z

R

x

y

 

  (рис.  14.28).  Тогда  на  основании  (14.32)  по-

ложительная  сторона  поверхности 

1

характеризуется  нормальным 

вектором 

1

{

,

, 1}

x

y

n

z

z

, ибо угол между 

1

n

 и положительным на- 


background image

14.6. Поверхностные интегралы 

195 

правлением  Oz,  т.е.  (

1

,

Oz), – острый, 

а  положительная  сторона  поверхност- 
ности 

2

  –  вектором 

2

{

, 1}

x y

n z z

  

,  ибо 

угол (

2

,

Oz) –  тупой. Проекция каждой 

из  поверхностей 

1

  и 

2

  есть  область 

2

2

2

:{

}

S

x

y

R

 – круг радиуса R с  цен-

тром  в  начале  координат.  Поэтому    по 

формуле (14.35а)  

2

2

2

2

2

S

I

x y

R

x

y dxdy



+

2

2

2

2

2

(

)(

)

S

x y

R

x

y

dxdy



2 2

2

2

2

2

S

x y

R

x

y dxdy

 



 

(

перехо- 

дим к полярным координатам: 

cos ,

x

 

 

sin ,

y

dxdy

d d

 

   

: 0

2 ; 0

S

P

R

   

  

)

 = 

=

5

2

2

2

2

2

sin

cos

P

R

d d

  



 =

2

5

2

2

2

2

0

0

2

sin

cos

R

R

d

d

 

 

 = 

(

двойной  интеграл  «расщепился»  в  произведение  определенных 

интегралов

)

 =

1 2

2I I 

 

5

2

2

4

2

2

2

2

1

0

0

1

(

)

2

R

R

I

R

d

R

d R

 

    

 

  

 

2

2

2

2

2

,

,

0

н

в

R

t

R

t

t

R

t

    

=

2

0

2

2

7

1

(

)

8

/ 105

2

R

R

t

tdt

R

;  

2

2

2

2

2

0

0

1

sin

cos

(1 cos 4 )

/ 4

8

I

d

d

  

   

Итак, 

7

1 2

2

4

/105

I

I I

R

 

 

Пример  26.  Вычислить  ПИ-2  об-

щего вида:  

2

2

I

y dydz



2

2

4

x dxdz

z dxdy

где 

  –  внешняя  сторона  конической 

поверхности 

2

2

z

x

y

,  ограничен-

ной плоскостью = 2. 

  Внешняя  сторона  поверхности 

характеризуется  нормальным  векто-

ром,  который  составляет  тупой  угол  
с положительным направлением оси Oz  

                                                  (рис. 4.29), а потому  

Рис. 14.28 

o

1

n

 

1

 

2

 

Рис. 14.29 

  z 

 2 

o

 


background image

Г л а в а  14.  Кратные, криволинейные, поверхностные интегралы 

196 

,   , 1

x

y

n

z

z

  

2

2

2

2

,

, 1

x

y

x

y

x

y

 

2

2

1

x

y

n

x

z

2

2

2

2

2

2

/(

)

/(

) 1

2

x

x

y

y

x

y

 

 

Тогда    

o

{cos , cos , cos }

n

              

2

2

cos

,

2

x

x

y

 

 

             

2

2

1

cos

, cos

2

2

y

x

y

 

  

 

Данный ПИ-2 можно вычислять по-разному. Первый способ – 

вычислять три ПИ-2, составляющих данный поверхностный инте-

грал. Второй способ – использовать связь ПИ-2 с ПИ-1, что и сдела-
ем. По формуле (14.36) 

 

   

2

2

2

2

4

I

y dydz

x dxdz

z dxdy



 

   =

2

2

2

(2

cos

cos

4

cos )

y

x

z

d

 

 

 



=

2

2

2

2

2

1

2

4

2

y x

x y

z

d

x

y



.  Последний  поверхностный  инте-

грал есть ПИ-1. Проекция 

2

2

z

x

y

 на плоскость Oxy есть об-

ласть 

2

2

2

:{

2 }

S

x

y

 – круг радиуса 2 с центром в начале коорди-

нат.  Так  как 

2

2

1

/ cos

2

x

y

d

z

z dxdy

dxdy

dxdy

 

 

,  то  по 

формуле (14.33) [или (14.34)]  

2

2

2

2

2

2

1

2

4(

)

2

2

S

y x

x y

I

x

y

dxdy

x

y



(

переходим  к  полярным 

координатам: 

cos ,

sin

x

y

dxdy

d d

 

  

   

    

: 0

2 ; 0

S

P

R

      

)

=

2

2

2

2

2

2

sin

cos

sin cos

4

)

P

d d

  

     



=  

2

2

3

2

2

0

0

(2sin

cos

cos

sin

4)

d

d

 

 

 

 

  

2

2

4

3

3

0

0

2

cos

sin

4

4

3

3

 

 

 

 

32