Файл: Математический анализ в примерах и задачах.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 9013

Скачиваний: 110

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

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

182 

 

14.5.2.  КРИВОЛИНЕЙНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ВТОРОГО РОДА (КИ-2) 

   
 Пусть:  1)  в  точках  непрерывной  кривой  AB  из  пространства 

3

{( , , )}

R

x y z

  определены  ограниченные  скалярные  функции 

( , , ),

( , , ),

( , , )

P x y z

Q x y z

R x y z ;    2) 

1

2

{ ,

, ...,

}

n

l l

l

  –  произвольное 

разбиение кривой AB на элементарные дуги 

i

l

с длинами 

i

l

 и про-

екциями 

1

i

i

i

x

x

x

  

1

i

i

i

y

y

y

  

1

i

i

i

z

z

z

  

  на  соответст-

вующие оси координат;  3) 

( ,

,

)

(

1, 2, ..., )

i

i

i

i

i

M

l

i

n

   

 – произ-

вольный набор точек;  4)  

1

( ,

,

)

( ,

,

)

n

n

i

i

i

i

i

i

i

i

i

I

P

x

Q

y

    

    

  

( ,

,

)

i

i

i

i

R

z

    

–  интегральная  сумма,  соответствующая  данному 

разбиению и данному выбору точек. 

Определение.  Конечный  предел  интегральной  суммы 

n

I

  при 

  

 

 

sup

i

l

 

, не зависящий ни от способа разбиения AB, ни 

от  выбора  точек  

i

,  называется криволинейным интегралом вто- 

 
рого рода
 от функций  , ,

P Q R по пути AB:    

0

lim

( , , )

n

AB

I

P x y z dx



  

( , , )

( , , )

Q x y z dy

R x y z dz

Механически КИ-2 представляет собой работу переменной силы 

,

,

F

P Q R

, точка приложения которой описывает кривую AB.  

 

ВЫЧИСЛЕНИЕ КИ-2 

 

Теорема  14.7.  Если  линия  AB  задана  в  параметрической  фор-

ме: 

1

2

( ),

( ),

( ),

x

x t

y

y t

z

z t

t

t

t

 

,  где  ( ), ( ), ( )

x t

y t

z t –  непре-

рывно    дифференцируемые  функции,  и  при  изменении  параметра  t 
от 

1

t

к 

2

 кривая описывается именно от точки A к точке B,  то   

 

      

2

1

( , , )

( , , )

( , , )

[ ( ( ), ( ), ( ))

( ( ), ( ), ( ))

( ( ), ( ), ( )) ]

AB

t

t

t

t

t

P x y z dx Q x y z dy

R x y z dz

P x t y t z t x

Q x t y t z t y

R x t y t z t z dt

  ,           (14.28) 

 

 

причем КИ-2 существует, если существует определенный интеграл. 


background image

14.5.  Криволинейные интегралы 

183 

Следствия. а) Для плоской  линии AB

1

2

( ),

( ),

x

x t

y

y t

t

t t

 

 

и функций 

( , ),

( , )

P x y Q x y

, 

( , )

x y

AB

: 

( , )

( , )

AB

P x y dx

Q x y dy

2

1

( ( ), ( ))

( ( ), ( ))

t

t

t

t

P x t y t x

Q x t y t y dt

. 

б) Для заданной явно плоской линии 

:

( ),

AB y

y x

a

x

b

 

 

( , )

( , )

[ ( , ( ))

( , ( ))

]

b

x

AB

a

P x y dx Q x y dy

P x y x

Q x y x y dx

.     (14.29) 

   

НЕЗАВИСИМОСТЬ КИ-2 ОТ ПУТИ ИНТЕГРИРОВАНИЯ 

 

Теорема  14.8.  Если  функции  ( , , ),

( , , ),

( , , )

P x y z

Q x y z

R x y z  

непрерывны вместе со своими частными производными первого по-
рядка в некоторой замкнутой ограниченной поверхностно односвяз-
ной области V, то равносильны следующие четыре утверждения: 

1) 

0

l

Pdx Qdy

Rdz

+

+

=

т

,  где  l  –  замкнутый  контур,  лежащий 

внутри V

2) 

l

Pdx Qdy

Rdz

 не зависит от выбора пути интегрирования; 

3)  Pdx qdy

Rdz

  есть  полный  дифференциал  некоторой  од-

нозначной функции  ( , , )

x y z

, заданной в точках V

4) выполняются равенства: 

,

,

P

Q

P

R

R

Q

y

x

z

x

y

z

Функция  ( , , )

x y z

может быть найдена, например, по формуле 

0

0

0

0

0

0

( , , )

0

(

,

,

)

0

0

( , , )

( , , )

( , , )

( , , )

(

,

, )

,

x y z

y

x

x y z

x

y

z

z

x y z

d

x y z

P x y z dx

Q x y z dy

R x y z dz

c

  (14.30) 

где 

0

0

0

(

,

,

)

x

y

z

– некоторая фиксированная точка области Vc – про-

извольная постоянная. 
 

СВЯЗЬ МЕЖДУ КИ-1 И КИ-2 

 

Пусть спрямляемая (не имеющая особых точек) линия AB име-

ет  в  каждой  точке  касательную,  положительное  направление  кото-
рой составляет с осями координат углы  , ,

  

. Тогда  

( cos

cos

cos )

AB

AB

Pdx Qdy

Rdz

P

Q

R

dl

 

 


background image

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

184 

 

СВЯЗЬ КИ-2 С ДВОЙНЫМ ИНТЕГРАЛОМ (ФОРМУЛА ГРИНА) 

 

Теорема 14.9. Пусть:  1) функции  ( , ), ( , )

P x y Q x y  непрерывны 

и  имеют  непрерывные  частные  производные  в  открытой  односвяз-
ной области  G

Oxy

; 2) – кусочно-гладкий контур, ограничиваю-

щий  область 

S

G

,  и  при  положительном  обходе  l  ближайшая 

часть области S находится слева от наблюдателя. Тогда справедлива 
формула  

l

Pdx Qdy

S

Q

P

dxdy

x

y



  Площадь  плоской  области.  Площадь  s  фигуры  S,  ограни-

ченной простым кусочно-гладким контуром l, равна  

1

2

l

l

l

s

xdy

ydx

xdy

ydx

 

  Пример  20.  Вычислить  КИ-2 

2

(

)

l

I

ydx

y

x dy

,  где  L  – 

дуга  параболы 

2

2

y

x

x

,  проходимая  от  точки  (2; 0)

A

  до  точки 

(0; 0)

O

 Кривая  l  представлена на рис. 14.24. По формуле (14.29) име-

ем

2

(

)

l

I

ydx

y

x dy

0

2

2

2

2

(2

)

(2

)(2 2 )

O

A

x

x

x

x dx

x

x

x

x dx

 

=

0

2

3

2

(

)

4

x

x

 

 

 

  Пример  21.  Вычислить  КИ-2 

l

I

ydx

xdy

zdz

,  где  l  – 

замкнутый контур, полученный пересечением сферы 

2

2

2

2

x

y

z

R

 

и  цилиндра 

2

2

x

y

Ry

  (

0,

0)

R

z

,  обходимый  против  часовой 

стрелки, если смотреть из начала координат (рис. 14.25).  

 

 

Рис. 14.24 

Рис. 14.25 

. . . . 

у 

 1 

 2 

 

 


background image

14.5.  Криволинейные интегралы 

185 

    Для  вычисления  КИ-2  представим  l  в  параметрической 

форме.  Поверхность 

2

2

x

y

Ry

запишем  в  виде 

2

2

(

/ 2)

x

y

R

 

2

(

/ 2)

R

.  Последнее  равенство  выполнится  тождественно,  

если  положить,  например, 

(

/ 2) sin

x

R

t

(

/ 2)(1 cos )

y

R

t

,  

0

2

t

  

.  Тогда  из  уравнения  сферы  имеем 

2

2

2

2

z

R

x

y

=

2

2

2

2

2

(

/ 4) sin

(

/ 4)(1 cos )

R

R

t

R

t

2

(

/ 2)(1 cos )

R

t

=

2

2

sin ( / 2)

R

t

Отсюда,  помня,  что 

0,

z

 

0

2

t

  

,  имеем 

sin( / 2)

z

R

t

.  Итак, 

:

sin ,

(1 cos ),

sin

,

[0; 2 ]

2

2

2

R

R

t

l x

t y

t

z

R

t

cos

2

t

R

x

t

 

sin

2

t

R

y

t

  

cos

2

2

t

R

t

z

 

. По формуле (14.28) 

l

I

ydx

xdy

zdz

 

=

2

0

(1 cos )

cos

sin

sin

2

2

2

2

R

R

R

R

t

t

t

t

sin

cos

2 2

2

t R

t

R

dt



 

=

2

2

2

2

2

0

0

(1 cos

sin )

(

sin

cos )

4

4

2

R

R

R

t

t dt

t

t

t

.

 

Пример  22.  Найти  первообразную  функции  ( , , )

u x y z ,  если 

(6

7

)

(6

7

)

(6

7

)

du

x

yz dx

y

xz dy

z

xy dz

  По формуле (14.30) при 

0

o

o

o

x

y

z

 получим 

0

0

0

( , , )

(6

7

)

6

6

y

x

z

u x y z

x

yz dx

ydy

zdz

c

 

 

2

2

2

0

0

0

(3

7

)

3

3

y

z

x x

x

x

xyz

y

z

c


 

 

2

2

2

3(

) 7

x

y

z

xyz c

 

 

Задачи для самостоятельного решения 

 
Вычислить криволинейные интегралы второго рода. 

97. 

l

xdy

,  где  l  –  отрезок  прямой  /

/

1

x

a

y

b

  от  точки  пе-

ресечения ее с осью Ox до точки пересечения с осью Oy.  

98. 

2

2

(

)

l

x

y dy

, где l – контур четырехугольника с вершинами 

(0; 0),

(2; 0),

A

B

  (4; 4),

(0; 4)

C

D

, указанными в порядке обхода l


background image

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

186 

99. 

(1;1)

(0;0)

(

)

xydx

y

x dy

 вдоль линий:   1) 

y

x

, 2) 

2

y

x

,  

3) 

2

y

x

,  4) 

3

y

x

100. 

l

ydx

xdy

,  l  –  эллипс 

cos ,

sin

x

a

t y

b

t

,  обходимый  

в положительном направлении. 

101. 

(2

)

(

)

l

a

y dx

a

y dy

 

, где l – первая от начала координат 

арка циклоиды 

(

sin )

x

a t

t

(1 cos )

y

a

t

102. 

(

1)

l

xdx

ydy

x

y

dz

  

, где l – отрезок прямой от точки 

(1; 1; 1) до точки (2; 3; 4). 

103. 

l

yzdx

zxdy

xydz

,  где  l  –  дуга  винтовой  линии 

cos ,

sin ,

/

x

R

t y

R

t z

at

  (0

2 )

t

  

104. 

2

2

2

l

y dx

z dy

x dz

,  где  l  –  линия  пересечения  сферы  

2

2

2

2

x

y

z

R

  и  цилиндра 

2

2

x

y

Rx

  (

0,

0

R

z

),  обходимая 

против  часовой  стрелки,  если  смотреть  из  начала  координат  (часть 
кривой Вивиани). 

Убедиться,  что  подынтегральное  выражение  является  полным 

дифференциалом, и вычислить КИ-2.  

105. 

(2; 1)

2

(0; 0)

2xydx x dy

.                 106. 

(5;12)

2

2

(3; 4)

xdx ydy

x

y


. 

107. 

(3; 2;1)

(1; 2;3)

yzdx zxdy xydz

.    108. 

(5; 3; 1)

2

(7; 2; 3)

(

)

zxdy

xydz

yzdx

x

yz

  (кон-

турное интегрирование не пересекает поверхность   

/ )

z

x y

Найти первообразную функцию и по полному дифференциалу. 

109. 

2

2

4(

)(

)

du

x

y

xdx

ydy

110. 

2

2

(2 cos

sin )

(2 cos

sin )

du

x

y

y

x dx

y

x

x

y dy

. 

111. 

2 2

2

2 (1

)

1

(1

)

1

y

y

x

e

e

du

dx

dy

x

x

. 

112. 

2

2

2

(

2

)

(

2

)

(

2

)

du

x

yz dx

y

xz dy

z

xy dz