Геометрические и физические приложения кратных интегралов




 

1) Площадь плоской области S: (11)

Пример 1.

Найти площадь фигуры D, ограниченной линиями

у = 2, у = 5.

Решение.

 

 

Эту площадь удобно вычислять, считая у внешней переменной. Тогда границы области задаются уравнениями и

 

 

где вычисляется с помощью интегрирования по частям:

 

 

Следовательно,

 

2) Объем цилиндроида, то есть тела, ограниченного частью поверхности S: z = f(x,y), ограниченной контуром L, проекцией D этой поверхности на плоскость Оху и отрезками, параллельными оси Оz и соединяющими каждую точку контура L с соответствующей точкой плоскости Оху:

 

(12)

 

3) Площадь части криволинейной поверхности S, заданной уравнением z = f(x,y), ограниченной контуром L:

 

(13)

 

где D – проекция S на плоскость Оху.

4) Момент инерции относительно начала координат О материальной плоской фигуры D:

 

(14)

 

Пример 2.

Найти момент инерции однородной круглой пластинки

(x – a)2 + (y – b)2 < 4b2 относительно начала координат.

Решение.

В силу однородности пластинки положим ее плотность γ(х,у) = 1.

 

Центр круга расположен в точке C(a, b), а его радиус равен 2b.

Уравнения границ пластинки имеют вид

 

 

Вычислим каждый из полученных интегралов отдельно.

Для вычисления интеграла I1 сделаем замену:

 

при x = a – 2b при x = a + 2b

 

Для вычисления интеграла I2 преобразуем подынтегральную функцию по формуле разности кубов:

 

Тогда

 

Следовательно,

Моменты инерции фигуры D относительно осей Ох и Оу:

 

(15)

5) Масса плоской фигуры D переменной поверхностной плотности γ = γ (х, у):

 

(16)

 

Пример 3.

Найти массу пластинки D плотности γ = ух3, если

Решение.

 

 

 

Координаты центра масс плоской фигуры переменной поверхностной плотности γ = γ (х, у):

 

(17)

Пример 4.

Найти центр тяжести однородной пластины D, ограниченной кривыми у2 = ах и

Решение.

Так как пластина однородна, т.е. ее плотность постоянна, то можно принять ее за единицу.

 

 

Тогда

 

Найдем массу пластины, а для этого определим абсциссу точки пересечения ограничивающих ее линий:

Соответственно

 

 

6) Объем тела V:

 

(18)

Пример 5.

Найти объем тела V, ограниченного поверхностями

 

 

Решение.

Найдем проекцию тела на плоскость Оху (при этом заметим, что плоскость проектируется на эту плоскость в виде прямой х = 0):

 

Определим абсциссу точки пересечения кривых у = х2 и х + у = 2:

посторонний корень. Тогда, используя формулу (18), получаем:

 

 

7) Масса тела V плотности γ = γ (x, y, z):

 

(19)

 

8) Моменты инерции тела V относительно координатных осей и начала координат:

 

(20)

(21)

 

где γ (х, y, z) – плотность вещества.

Статические моменты тела относительно координатных плоскостей Oyz, Oxz, Oxy:

 

(22)

 

9) Координаты центра масс тела:

 


II. Криволинейные и поверхностные интегралы

Криволинейные интегралы

 

Рассмотрим на плоскости или в пространстве кривую L и функцию f, определенную в каждой точке этой кривой. Разобьем кривую на части Δsi длиной Δsi и выберем на каждой из частей точку Mi. Назовем d длину наибольшего отрезка кривой: .

Криволинейным интегралом первого рода от функции f по кривой L называется предел интегральной суммы , не зависящий ни от способа разбиения кривой на отрезки, ни от выбора точек Mi:

 

(24)

 

Если кривую L можно задать параметрически:

 

x = φ(t), y = ψ(t), z = χ(t), t0 ≤ t ≤ T,

 

то способ вычисления криволинейного интеграла первого рода задается формулой

 

(25)

 

В частности, если кривая L задана на плоскости явным образом:

у=φ(х), где х1 ≤ х ≤ х2, формула (40) преобразуется к виду:

. (26)

Теперь умножим значение функции в точке Mi не на длину i-го отрезка, а на проекцию этого отрезка, скажем, на ось Ох, то есть на разность xi – xi-1 = Δxi.

Если существует конечный предел при интегральной суммы , не зависящий от способа разбиения кривой на отрезки и выбора точек Mi, то он называется криволинейным интегралом второго рода от функции f(M) по кривой L и обозначается

 

. (27)

 

Подобным образом можно определить и криволинейные интегралы 2-го рода вида

 

 

Если вдоль кривой L определены функции P(M)=P(x, y, z), Q(M) = Q(x, y, z), R(M) = R(x, y, z), которые можно считать компонентами некоторого вектора , и существуют интегралы

 

,

 

тогда их сумму называют криволинейным интегралом второго рода (общего вида) и полагают

.

 

Если кривая L задана параметрическими уравнениями

x = φ(t), y = ψ(t), z = χ(t), α ≤ t ≤ β,

где φ, ψ, χ – непрерывно дифференцируемые функции, то

 

. (28)

 

Связь между двойным интегралом и криволинейным интегралом 2-го рода задается формулой Грина:

 

(29)

 

где L – замкнутый контур, а D – область, ограниченная этим контуром.

Необходимыми и достаточными условиями независимости криволинейного интеграла

 

 

от пути интегрирования являются:

 

. (30)

 

При выполнении условий (30) выражение Pdx + Qdy +Rdz является полным дифференциалом некоторой функции и. Это позволяет свести вычисление криволинейного интеграла к определению разности значений и в конечной и начальной точках контура интегрирования, так как

 

При этом функцию и можно найти по формуле

 

(31)

 

где (x0, y0, z0) – точка из области D, a C – произвольная постоянная.

 

Поверхностные интегралы

 

Рассмотрим некоторую поверхность S, ограниченную контуром L, и разобьем ее на части S1, S2,…, Sп (при этом площадь каждой части тоже обозначим Sп). Пусть в каждой точке этой поверхности задано значение функции f(x, y, z). Выберем в каждой части Si точку

Mi (xi, yi, zi) и составим интегральную сумму

 

 

Если существует конечный предел при этой интегральной суммы, не зависящий от способа разбиения поверхности на части и выбора точек Mi, то он называется поверхностным интегралом первого рода от функции f(M) = f(x, y, z) по поверхности S и обозначается

 

. (32)

Если поверхность S задается явным образом, то есть уравнением вида z = φ(x, y), вычисление поверхностного интеграла 1-го рода сводится к вычислению двойного интеграла:

 

(33)

 

где Ω – проекция поверхности S на плоскость Оху.

Разобьем поверхность S на части S1, S2,…, Sп, выберем в каждой части Si точку Mi(xi, yi, zi), и умножим f(Mi) на площадь Di проекции части Si на плоскость Оху. Если существует конечный предел суммы

 

,

 

не зависящий от способа разбиения поверхности и выбора точек на ней, то он называется поверхностным интегралом второго рода от функции f(M) по выбранной стороне поверхности S и обозначается

 

(34)

 

Подобным образом можно проектировать части поверхности на координатные плоскости Оxz и Оyz. Получим два других поверхностных интеграла 2-го рода:

 

и .

 

Рассмотрев сумму таких интегралов по одной и той же поверхности соответственно от функций P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z), получим поверхностный интеграл второго рода общего вида:

 

(35)

 

Если D, D΄ и D΄΄ - проекции поверхности S на координатные плоскости Оху, Oxz и Oyz, то

 

(36)

 

Связь между тройным интегралом по трехмерной области V и поверхностным интегралом 2-го рода по замкнутой поверхности S, ограничивающей тело V, задается формулой Гаусса-Остроградского:

 

(37)

 

где запись «S+» означает, что интеграл, стоящий справа, вычисляется по внешней стороне поверхности S.

Формула Стокса устанавливает связь между поверхностным интегралом 1-го рода по поверхности σ и криволинейным интегралом 2-го рода по ограничивающему ее контуру λ с учетом ориентации поверхности:

(38)

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2019-06-03 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: