Криволинейный интеграл II рода (по координатам)

Общий вид криволинейного интеграла II рода (по координатам):

,

где BC – это дуга пространственной линии от точки B до точки C с указанным на ней направлением, P (x, y, z), Q (x, y, z), R (x, y, z) – некоторые функции, заданные во всех точках дуги BC.

В двумерном случае: , где BC xOy.

Если P (x, y), Q (x, y) – проекции на оси O x и O y вектора переменной  силы , то

 А =                             (13)

– это работа силы  при перемещении точки ее приложения вдоль участка дуги B C.

Пусть кривая  BC задана параметрически:  причем функции x (t)  и  y (t) – непрерывны и дифференцируемы по  t, а t_B, t_C – значения параметра для начала и конца кривой (в точках B и C). Тогда

и вычисление криволинейного интеграла сводится к вычислению определенного интеграла по переменной t:

.

 

Векторная функция скалярного аргумента

Если каждому значению параметра t  из некоторого промежутка  ставится в соответствие по некоторому правилу определенный вектор, то говорят, что задана вектор-функция скалярного аргумента t: .

Откладывая векторы  при  от начала координат, получаем траекторию движения конца вектора, называемую годографом вектор-функции .

Проекции вектора  на оси координат являются функциями аргумента t, поэтому можно записать вектор-функцию в координатной форме:

,

где векторы  – это орты координатных осей Ox, Oy и Oz.

Первую, вторую и т.д. производные вектор-функции  находят дифференцированием ее проекций x(t), y(t) и z(t) по аргументу t:

,

.

Если параметр t – это время, то векторное уравнение  называют уравнением движения точки, а годограф вектор-функции  является траекторией движения. Тогда вектор-производная называется скоростью движения точки в момент времени t:

.          (14)

Скорость движения – это вектор, направленный по касательной к траектории движения (годографу) в соответствующей точке в сторону возрастания параметра t. Вектор

            (15)

называется ускорением движения точки в момент времени t.

Векторное поле

5.1. Поток векторного поля через поверхность

Если в любой точке M(x, y, z) области V xOyz задан вектор , то говорят, что в области V задано векторное поле .

Примеры: силовое поле , поле скоростей  текущей жидкости, поле электростатических напряженностей .

Векторное поле является заданным, если задана векторная функция  от координат точки M(x, y, z). Как правило, функцию задают в виде , где P (x, y, z), Q (x, y, z), R (x, y, z) являются функциями, о которых предполагают, что они непрерывны и имеют непрерывные частные производные по x, y, z в области V (область V  может совпадать со всем пространством).

Аналогично определяют плоское векторное поле  в двумерной области D: .

Пусть в области V xOyz задана двусторонняя поверхность σ , в каждой точке которой определен орт внешней нормали  – единичной вектор, коллинеарный нормали к поверхности в этой точке и направленный в сторону, которую условились считать «внешней» стороной поверхности.

Поток векторного поля  через поверхность σ  – это интеграл по поверхности σ  от скалярного произведения вектора  на орт нормали  к поверхности (рис. 6):

.

Поток – это интегральная характеристика векторного поля, она является скалярной величиной. Например, для поля скоростей  текущей жидкости поток характеризует количество жидкости, проходящей через поверхность σ в направлении «внешней» нормали в единицу времени.

Если поверхность σ задана уравнением F(x, y, z) = 0, то вектор ее нормали коллинеарен градиенту функции, задающей поверхность: , следовательно, орт нормали

.

Для вычисления поверхностного интеграла  поверхность σ проектируют на одну из координатных плоскостей, например, в область D x O y. Тогда , и вычисление потока сводится к вычислению двойного интеграла:

,                       (16)

где знак «+» следует брать в случае, когда вектор  и орт «внешней» нормали , указанный в задаче, совпадают по направлению; если эти векторы противоположны по направлению, следует брать знак «–».

     При вычислении двойного интеграла  нужно подынтегральную функцию выразить через переменные x, y, используя заданное уравнение поверхности F(x, y, z) = 0.

Поток вектора через замкнутую поверхность σ в направлении ее «внешней» нормали обозначают .

5.2. Формула Остроградского-Гаусса. Дивергенция

Формула Остроградского-Гаусса устанавливает связь между интегралом по замкнутой поверхности σ  в направлении ее «внешней» нормали и тройным интегралом по области V, ограниченной этой поверхностью:

.

Пусть  – векторное поле, заданное в области V x O yz. Д ивергенцией векторного поля  называется скалярная функция

,                    (17)

которая характеризует наличие источников (если > 0) и стоков (если < 0), или их отсутствие (если = 0) векторного поля в точке М.

Используя выражения для дивергенции и для потока вектора  через замкнутую поверхность σ , можно записать формулу Остроградского-Гаусса в векторном виде:

,               (18)

т.е. поток вектора  через замкнутую поверхность σ в направлении ее «внешней» нормали (рис. 7) равен тройному интегралу от дивергенции этого поля по области V, ограниченной поверхностью σ .

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: