Файл: Математический анализ в примерах и задачах.pdf

Добавлен: 15.02.2019

Просмотров: 9012

Скачиваний: 110

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

14.6. Поверхностные интегралы 

187 

113. 

dx dy dz

du

x

y z

 

 

.   114. 

2

2

1

1

.

y

x

x

xy

du

dx

dy

dz

y

z

z

y

z

  

 

С помощью формулы Грина вычислить КИ-2. 

115. 

2

2

l

xy dy

x ydx

-

т

С

, где l – окружность 

2

2

2

x

y

R

116. 

(

)

(

)

l

x

y dx

x

y dy

+

-

-

т

С

, где l – эллипс 

2

2

2

2

/

/

1

x

a

y

b

117.  Вычислить 

l

xdy

ydx

-

т

С

,  где  l  –  простой  замкнутый  кон-

тур, пробегаемый в положительном направлении.  

У к а з а н и еРассмотреть случаи:  1) начало координат нахо-

дится  вне  контура  l; 2) контур l  окружает начало координат.  

118.  В  каждой  точке  эллипса 

2

2

2

2

/

/

1

x

a

y

b

  приложена 

сила 

F

, равная по величине  расстоянию от точки   до центра эл-

липса  и  направленная  к  центру  эллипса.  Найти  работу 

F

при  пере-

мещении  в  положительном  направлении:  а)  вдоль  дуги  эллипса  в 
первом октанте; б) вдоль всего эллипса. 

119.  Сила  по  величине  обратно  пропорциональна  расстоянию 

точки  ее приложения  от оси Oz , перпендикулярна к этой  оси и на-
правлена  к  ней.  Найти  работу  этой  силы  по  окружности 

cos ,

1,

sin

x

t y

z

t

 от точки 

(1; 1; 0)

M

 до точки 

(0; 1; 1)

N

.   

У к а з а н и е. 

2

2

2

2

,  

,  0

kx

ky

F

x

y

x

y

 

 

 
 
14.6.   ПОВЕРХНОСТНЫЕ ИНТЕГРАЛЫ 

 

14.6.1. ДВУСТОРОННИЕ ПОВЕРХНОСТИ И ИХ ОРИЕНТАЦИЯ 

 

Гладкая  поверхность 

  называется  двусторонней  поверхно-

стью,  если  при  возвращении  в  исходную  точку  после  обхода  замк-
нутого  контура,  лежащего  на 

  и  не  имеющего  общих  точек  с  ее 

границей, направление нормали к поверхности не меняется.  

Совокупность всех точек поверхности  с приписанными  в них 

по указанному правилу нормалями называется определенной сторо-
ной
 поверхности. 

Выбор  определенной  стороны  поверхности  называется  ориен-

тацией  поверхности.  Выбранная  сторона  –  это  положительная  сто-
рона поверхности. Для замкнутой поверхности положительной счи-
тается внешняя сторона. 

 


background image

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

188 

Если 

  задана  неявным  уравнением 

( , , )

0

F x y z

,  то  сторона 

характеризуется одним из единичных нормальных векторов 

2

2

2

/

,

,

,

,

x

y

z

x

y

z

n

n

n

n

F

F

F

n

F

F

F

 

.    (14.31) 

Если 

 задана явным уравнением 

( , )

z

z x y

( , )

xy

x y

S

, то сторона 

характеризуется одним из векторов 

o

/

,

{

,  

, 1}

x

y

n

n

n

n

z

z

 

 

2

2

1

x

y

n

z

z

.        (14.32) 

  
 

14.6.2.  ПОВЕРХНОСТНЫЙ ИНТЕГРАЛ ПЕРВОГО РОДА (ПИ-1) 

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

гладкой)  поверхности 

  из  пространства 

3

, ,

R

x y z

,  ограни-

ченной  кусочно-гладким  контуром,  определена  ограниченная  ска-
лярная  функция  ( , , )

f x y z ;  2) 

1

2

,

, ...,

n

 

  –  произвольное  раз-

биение 

  на  n  частей 

i

  с  площадями 

i



  и  диаметрами 

i

d

3)

( ,

,

)

i

i

i

i

i

M

   

  (

1, 2, .., )

i

n

  –  произвольный  набор  точек; 

4)

1

( ,

,

)

n

n

i

i

i

i

i

I

f

   

  –  интегральная  сумма,  соответствующая 

данному разбиению поверхности 

 и выбору точек 

i

Определение.  Конечный  предел  интегральной  суммы 

n

I

  при 

0

 

 

 

(

sup

)

i

d

 

,  не  зависящий  ни  от  способа  разбиения  по-

верхности 

,  ни  от  выбора  точек 

i

,  называется  поверхностным 

интегралом первого рода от функции  ( , , )

f x y z  по поверхности 

:  

                               

lim

( , , )

n

n

I

f x y z d





 
 

ВЫЧИСЛЕНИЕ ПИ-1 

 
Теорема  14.10.
  Если:  1)  поверхность 

  задана  неявным  урав-

нением   

( , , )

0

F x y z

  и 

( , )

z

z x y

есть  решение  этого  уравнения 

при 

( , )

xy

x y

S

 или 

( , )

y

y x z

 – решение уравнения при 

( , )

yz

y z

S

или 

( , )

x

x y z

 – решение уравнения при  ( , )

yz

y z

S

, где 

,

,

xy

xz

yz

S

S

 

– проекции 

 на плоскости 

,

,

Oxy Oxz Oyz  соответственно; 2) между 

точками 

  и  ее  соответствующей  проекцией  установлено  взаимно 

однозначное соответствие, то 

 


background image

14.6. Поверхностные интегралы 

189 

 

                    

( , ,, )

( , , ( , ))

cos

xy

S

dxdy

f x y z d

f x y z x y

 





 

                                  

( , ( , ), )

cos

xz

S

dxdz

f x y x z z



                  , 

                                 

( ( , ), , )

cos

yz

S

dydz

f x y z y z



                              (14.33) 

 

причем ПИ-1 существует,  если существуют соответствующие двой-
ные  интегралы.  Здесь  cos , cos , cos

  –  координаты  вектора 

 

и  находятся  по  формулам  (14.31).    ПИ-1  не  зависит  от  выбора  сто-
роны поверхности. 

Следствие. При явном задании 

 : 

( , ), ( , )

xy

z

z x y

x y

S

 в си-

лу (14.32) из (14.33) получим 

2

2

( , , )

( , , ( , )) 1

xy

x

y

S

f x y z d

f x y z x y

z

z dxdy

 





     (14.34) 

 

НЕКОТОРЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ ПИ-1 

 
1.  Масса  материальной  поверхности.  Пусть 

( , , )

x y z

  

–  

поверхностная  плотность  материальной  поверхности 

  площади  s

Тогда масса этой поверхности 

( , , )

m

x y z d

 



2. Площадь искривленной поверхности 

 . Если принять в пре-

дыдущей  формуле  ( , , ) 1

x y z

,  то  масса  поверхности 

  численно 

равна площади s , т.е.  

s

d



3. Статические моменты материальной поверхности 

 с по-

верхностной  плотностью 

( , , )

x y z

  

  и  массой  m  относительно 

плоскостей 

,

,

Oxy Oxz Oyz   соответственно  равны: 

xy

M

zd

  



,  

xz

M

yd

 



yz

M

xd

 



4. Координаты центра тяжести материальной поверхности 

 : 

/ ,

/ ,

/

c

yz

xz

c

xy

x

M

m y

M

m z

M

m

Задания. 1. Записать линейные свойства ПИ-1. 
                 2. Записать свойство аддитивности для ПИ-1. 


background image

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

190 

Пример 23. Вычислить ПИ-1  I

zd



, где 

 – часть плоско-

сти 

/

/

/

1

x a

y b

z c

,  вырезанная  цилиндром 

2

2

2

x

y

R

  

(рис. 14.26). 

 

 

о 

 

-R 

 

Рис. 14.26 

 

  Поверхность 

  проектируется  на  плоскость  Oxy   в  круг 

2

2

2

:

S

x

y

R

. По формуле (14.34)  

2

2

( , )

1

x

y

S

I

zd

z x y

z

z dxdy

 





Из  уравнения 

  следует: 

(1

/

/ )

z c

x a y b

/ ,

x

z

c a

  

   

/ ,

y

z

c b

  

 

2

2

2

2

2

2

1

1

/

/

x

y

z

z

c

a

c

b

k

 

 

; тогда  

(1

/

/ )

S

I

ck

x a

y b dxdy



 

 

2

2

2

переходим  к  полярным  координатам:

0

2 ,

cos , ,

sin ,

:

0

,

,

x

y

S

P

R

dxdy

d d

x

y

R

R

   

 

 

   

   

  

 

=

1

1

1

cos

sin

P

ck

d d

a

b

 

  

    



 

=

2

0

0

1

1

1

cos

sin

R

ck

d

d

a

b

 

 

  

  

 


background image

14.6. Поверхностные интегралы 

191 

=

2

0

0

1

1

(

sin

cos )

R

ck

d

a

b

    

  

 

2

2

2

2

2

0

2

1

/

/

R

c k

d

R c

c

a

c

b

 

   

 

Пример  24.  Вычислить  ПИ-1 

I

xd



, где 

 – полная поверхность 

тетраэдра,  отсекаемого  от  первого  ок-
танта плоскостью 

1

x

y

z

  

  Полная  поверхность 

  тетра-

эдра складывается из его граней: 

1

2

3

4

     

где 

1

2

3

,

,

,

AOB

AOC

BOC

  

  

  

 

4

ABC

  

  (рис. 14.27).  

Выпишем  уравнения  поверхно-

стей 

i

  и  вычислим  для  них  элемен- 

ты 

d

:  

а) 

2

2

1

:

0,

1

x

y

z

d

z

z dxdy

dxdy

 

б) 

2

2

2

:

0,

1

x

z

y

d

y

y dxdz

dxdz

 

в) 

2

2

3

:

0,

1

y

z

x

d

x

x dydz

dydz

 

г) 

2

2

4

:

1

,

1

3

y

z

x

z

y d

x

x dydz

dydz

  

 

Задав уравнения поверхностей в явном виде, мы определили тем са-
мым плоскости проектирования их; 

i

– области, на которые проек-

тируются 

i

1

2

3

4

I

xd

     



   

 

1

2

3

4

0

(1

)

D

D

D

D

xdydx

xdxdz

dydz

y

z dydz

 









По поводу последней записи напомним, что следует в подынтегральной 
функции 

( , , )

f x y z

  независимые  переменные  (переменные  из  об-

ласти 

i

)  оставлять  без  изменения,  зависимую  переменную  заме-

нить  из  явного  уравнения  соответствующей  поверхности,  а 

d

  за-

менить выражением, полученным выше, причем 

3

4

D

D

.  

 

Рис. 14.27