24. CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA



Podobne dokumenty
Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Niektóre zastosowania całki krzywoliniowej niezorientowanej 1.Długość l łuku zwykłego gładkiego Γ

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz V Całka powierzchniowa zorientowana

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 2. CAŁKA PODWÓJNA Całka podwójna po prostokącie

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 3. CAŁKA POTRÓJNA

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

Wstęp. W razie zauważenia jakichś błędów w tym tekście proszę o sygnał, na przykład mailowy: michal.musielak@utp.edu.pl.

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

Całka podwójna po prostokącie

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

opracował Maciej Grzesiak Całki krzywoliniowe

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

Całki krzywoliniowe skierowane

x y = 2z, + 2y f(x, y) = ln(x3y ) y x

x y = 2z. + 2y f(x, y) = ln(x3y ) y x

opracował Maciej Grzesiak Analiza wektorowa

Elementy analizy wektorowej. Listazadań

Całki powierzchniowe

Wstęp. W razie zauważenia jakichś błędów w tym tekście proszę o sygnał, na przykład mailowy:

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz IV Całka powierzchniowa niezorientowana

y(t) = y 0 + R sin t, t R. z(t) = h 2π t

Elementy analizy wektorowej

Liczby zespolone. Zadanie 1. Oblicz: a) ( 3+i)( 1 3i) b) (3+i)2 (4i+1) i

SIMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14,

Rozdział 5. Twierdzenia całkowe. 5.1 Twierdzenie o potencjale. Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej C w przestrzeni

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

3. Znaleźć długość krzywej l = {y = x, 0 x 1}. 4. Obliczyć objętość bryły powstałej w wyniku obrotu dookoła osi OX krzywej

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

2 Całkowanie form różniczkowych i cykle termodynamiczne

AB = x a + yb y a + zb z a 1

Geometria analityczna

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

Całki powierzchniowe w R n

1 x + 1 dxdy, gdzie obszar D jest ograniczo-

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

Wykład 14 i 15. Równania różniczkowe. Równanie o zmiennych rozdzielonych. Definicja 1. Równaniem różniczkowym zwyczajnym rzędu n nazywamy równanie

5 Równania różniczkowe zwyczajne rzędu drugiego

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

Analiza Matematyczna Praca domowa

Elementy równań różniczkowych cząstkowych

Lista 3 CAŁKI KRZYWOLINIOWE I POWIERZCHNIOWE. K cykloida c x y ds K x y x r t t t y r t t t t ) ( 2 ) + ( 2 ) = {(, ) : 1 1 = }

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych.


1 Układy równań liniowych

Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych

1 Równania różniczkowe zwyczajne

x y = 2z. + 2y, z 2y df

Zestaw zadań z Analizy Matematycznej II 18/19. Konwencja: pierwsze litery alfabetu są parametrami, do tego zazwyczaj dodatnimi

Spis treści 1. Macierze, wyznaczniki, równania liniowe 2 2. Geometria analityczna 7 3. Granice, pochodne funkcji i ich zastosowania 10 4.

Spis treści 1. Liczby zespolone 2 2. Macierze, wyznaczniki, równania liniowe 4 3. Geometria analityczna 9 4. Granice, pochodne funkcji i ich

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

(8) Oblicz wyznacznik dowolnie wybranej macierzy stopnia czwartego. (9) Rozwi aż podany układ równań stosuj ac wzory Cramera:

ANALIZA MATEMATYCZNA 2

ANALIZA MATEMATYCZNA 2.2B (2017/18)

Całki podwójne. Małgorzata Wyrwas. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

Analiza Matematyczna. Zastosowania Całek

Analiza Matematyczna MAEW101 MAP1067

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Matematyczne Metody Fizyki II

6. Punkty osobliwe, residua i obliczanie całek

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

Elementy geometrii analitycznej w R 3

Obliczanie długości łuku krzywych. Autorzy: Witold Majdak

1. Liczby zespolone Zadanie 1.1. Przedstawić w postaci a + ib, a, b R, następujące liczby zespolone (1) 1 i (2) (5)

Pole elektryczne. Zjawiska elektryczne często opisujemy za pomocą pojęcia pola elektrycznego wytwarzanego przez ładunek w otaczającej go przestrzeni.

RACHUNEK CAŁKOWY FUNKCJI DWÓCH ZMIENNYCH

RÓŻNICZKOWANIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH: rachunek pochodnych dla funkcji wektorowych. Pochodne cząstkowe funkcji rzeczywistej wielu zmiennych

Metoda mnożników Lagrange a i jej zastosowania w ekonomii

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Analiza Matematyczna II dla Inżynierii Biomedycznej Lista zadań

Analiza Matematyczna 3 Całki wielowymiarowe

Funkcje dwóch zmiennych

Matematyka z el. statystyki, # 4 /Geodezja i kartografia I/

FUNKCJE WIELU ZMIENNYCH

1. Liczby zespolone Stwierdzić kiedy kwadrat liczby zespolonej jest liczbą. (i) rzeczywistą, (ii) ujemną, (iii) tylko urojoną?

Spis treści 1. Macierze, wyznaczniki, równania liniowe 2 2. Geometria analityczna 7 3. Przestrzenie liniowe Granice, pochodne funkcji i ich

Algebra z geometrią analityczną zadania z odpowiedziami

ANALIZA MATEMATYCZNA

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

Geometria analityczna - przykłady

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

Czworościany ortocentryczne zadania

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Metoda mnożników Lagrange a i jej zastosowania w ekonomii

Wstęp do Rachunku Prawdopodobieństwa, IIr. WMS

Funkcje wielu zmiennych

Transkrypt:

4. CAŁA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA Płat powierzchniowy gładki o równaniach parametrycznych: x = x( u, v ), y = y( u, v ), z = z( u, v ),, (u,v) w którym rozróżniamy dwie jego stron dodatnią i ujemną. nazywamy płatem zorientowanym. Zorientowanie płata ustala kierunek normalnej (w każdym punkcie płata) od strony ujemnej do strony dodatniej. Płaty i są przeciwnie zorientowane. Jeżeli powierzchnia jest zamknięta to za stronę dodatnią przyjmujemy jej zewnętrzną stronę. Gdy zaś powierzchnia nie jest zamknięta, to za stronę dodatnią przyjmujemy tę stronę, dla której cosinus kąta jaki tworzy normalna do tej powierzchni z osią OZ jest dodatni w każdym punkcie tej powierzchni. Niech na płacie gładkim zorientowanym będą dane funkcje ciągłe P ( z ), Q ( z ), R ( z ). 4.1

Oznaczmy przez α, β, γ kąty jakie tworzy z osiami współrzędnych wektor normalny n r skierowany od strony ujemnej do strony dodatniej płata i rozważmy iloczyn skalarny wektorów F = [ P ( z ), Q ( z ), ( z ) n R ] [ α,cos β, cos γ ] = cos. = P ( z ) cos α + Q( z ) cos β + R( z ) cos γ. gdzie kropka oznacza iloczyn skalarny Wtedy całka powierzchniowa zorientowana = s F n d P( z ) cos αd + Q( z ) cos βd + istnieje i zależy od orientacji płata. = R( z ) cos γd Całkę tę nazywamy całką powierzchniową zorientowaną funkcji P( z), Q( z), R( z) po płacie i zapisujem po wprowadzeniu oznaczeń cos αd = dydz, cos βd = dxdz, cos γd = dxdy, w postaci P( z ) dydz + Q( z ) dxdz + R( z ) dxdy Przy przyjętych założeniach można wykazać, że Pdydz + Qdxdz + Rdxdy = [ P Q, R] ( ru rv )dudv r r, () 4.

r gdzie r = [ x, y, z ], r = [ x, y, z ] u u u u r v v v v i wektor r r u jest wektorem normalnym płata skierowanym od strony ujemnej do dodatniej. v Gdy powierzchnia dodatnio zorientowana dana jest w postaci jawnej: z = f(y), ( y) 1 to z ) dxdy = R ( R( f ( y )) dxdy. 1 Analogicznie, gdy powierzchnia dodatnio zorientowana dana jest w postaci jawnej: to z ) dydz = x = g(z), ( z) P ( P( g( z ), z ) dydz, oraz gdy powierzchnia dodatnio zorientowana dana jest w postaci jawnej: to z ) dxdz = y = h(z), ( z) Q ( Q( h( z ), z ) dxdz. Wtedy Pdydz + Qdxdz + Rdxdy = Pdydz + Qdxdz + Rdxdy 4.

Przykład Obliczyć całkę powierzchniową zorientowaną ( x y ) + dxdy po zewnętrznej stronie górnej połowy sfery x + y + z = R. Rozwiązanie Równanie płata jest następujące: z = R x y, gdzie zmienne x i y należą do koła o równaniu: x + y R. tąd ( x + y ) dxdy = ( x y ) + dxdy Przechodząc do współrzędnych biegunowych x = rcos ϕ, y = r sin ϕ, gdzie r 1, ϕ π, mamy R π R 1 4 π 4 ( x + y ) dxdy = dr r dϕ π r = = R 4 4.1. Twierdzenie Gaussa Ostrogradskiego Jeżeli w obszarze V normalnym względem wszystkich płaszczyzn układu, określone są funkcje P ( z ), Q ( z ), R( z ) ciągłe wraz z pochodnymi cząstkowymi rzędu pierwszego wewnątrz V i na jego brzegu będącego powierzchnią gładką zorientowaną dodatnio, to + Qdxdz + Rdxdy = ( Px + Qy + Rz ) Pdydz dxdydz. V 4.4

Przykład Obliczyć całkę ( y z + x) dydz x ydxdz + ( z 4xy) + dxdy zewnętrznej stronie prostopadłościanu ograniczonego płaszczyznami układu współrzędnych i płaszczyznami x =, y = 4, z = 1. po Rozwiązanie Funkcje + P = y z + x, Q = x y, R = z 4xy oraz ich odpowiednie pochodne cząstkowe są równe P = 1, Wtedy x Q y x =, R z = z. ( y z + x) dydz x ydxdz + ( z + 4xy) dxdy = 1 x + x gdzie obszar V opisany jest nierównościami y 4. z 1 Zatem V V ( z ) dxdydz, 1 [ z x z + z ] = ( 1 x + z ) dxdydz = dx dy ( 1 x + z ) dz = 4 dx 4 1 1 = 4 4 ( x ) dx = x x = 1. 4.5

4.. Twierdzenie tokesa Niech będą określone funkcje P ( z ), Q ( z ), R( z ) ciągłe wraz z pochodnymi cząstkowymi rzędu pierwszego w pewnym obszarze otaczającym płat. Jeżeli krzywa jest brzegiem płata tak zorientowanym, że zwrot obiegu po krzywej i strona płata są zgodne, to Pdx + Qdy + Rdz = ( Ry Qz ) dydz + ( Pz Rx ) dxdz + ( Qx Py ) dxdy. Przykład + dz, gdzie Obliczyć całkę ( x y + z) dx + ( y x + z) dy + ( x y z) jest dodatnio zorientowaną krawędzią przecięcia płaszczyzny x + y + 6z = z płaszczyznami układu, Rozwiązanie Mamy P = x y + z, Q = y x + z, R = x y + z oraz Wtedy P P y z = 1, = Q x = R x = 1,. Q = 1 R = ( y + z) dx + ( y x + z) dy + ( x y + z) dz = z x 4dydz + dxdz dxdy y s gdzie jest trójkątem wyciętym z płaszczyzny x + y + 6z = przez płaszczyzny układu dodatnio zorientowanym. 4.6

Powierzchnia opisana jest równaniami parametrycznymi 1 1 1 x = u, y = v, z = u v oraz (u,v), a obszar opisany jest nierównościami x y 1. x Ponieważ Zatem s 1 r = u 1,,, 7 = r v 1 =, 1, 4dydz + dxdz dxdy = dxdy 7 oraz [ 4,, ] 7 = 4 r r 1 1 = 1 u v,,. 1, 1, 1 dxdy =. 4.. Zadania 4.1. Obliczyć całkę powierzchniową ( y z) dydz + ( z x) dxdz + ( x y) dxdy, gdy: a) jest górną strona powierzchni koła x + y 1, z =, b) jest wewnętrzną stroną powierzchni stożka x + y = z znajdującą się między płaszczyznami z = i z = H. 4.7

4.. Obliczyć całki powierzchniowe: a) ydydz + xdxdz + zdxdy, b) xzdydz + xydxdz + yzdxdy, gdy jest górną stroną trójkąta wyciętego z płaszczyzny x y + z = 1 przez płaszczyzny układu, 4.. Obliczyć całki powierzchniowe: a) dydz + dxdz + 6 zdxdy, gdy jest górną stroną trójkąta o wierzchołkach A(,, ), B(,, ), C(,,1), b) xdydz + ydxdz zdxdy, gdy jest zewnętrzną stroną powierzchni z = 1 x y leżącą nad płaszczyzną OXY, c) d) xdydz, gdy jest zewnętrzną stroną powierzchni 4x + y + 4z = 4 dla x >, y >, z >, y dxdz, gdy jest wewnętrzną stroną powierzchni x 9 y + 16 + z 4 = 1 dla y >. 4.4. orzystając z twierdzenia Gaussa Ostrogradskiego obliczyć całkę xdydz + ydxdz + zdxdy, gdy jest: a) wewnętrzną stroną powierzchni x + y + z = R, 4.8

b) zewnętrzną stroną sześcianu ograniczonego płaszczyznami x =, x = 1, y =, y = 1, z =, z = 1, c) wewnętrzną stroną ostrosłupa ograniczonego płaszczyzną x + y + z = 1 i płaszczyznami układu. 4.5. orzystając z twierdzenia Gaussa Ostrogradskiego obliczyć całkę a) ( xy + z ) dydz + ( xz y ) dxdz + ( 6z xy)dxdy, gdy jest zewnętrzną stroną x + y + z = R, b) xdydz + 4 ydxdz + zdxdy, gdy jest wewnętrzną stroną obszaru ograniczonego powierzchnią z = x + y i płaszczyzną z = 1, c) ( z + y ) dydz + xzdxdz + ( y x )dxdy, gdy jest zewnętrzną stroną powierzchni z = x + y 4 leżącej poniżej płaszczyzny OXY. 4.6. orzystając z twierdzenia tokesa obliczyć całkę: + dz, gdzie jest dodatnio a) ( x z) dx + ( x + y + z) dy + ( 1 y) zorientowaną krawędzią trójkąta o wierzchołkach A(1,, ), B(, 1, ), C(,, 1), b) yzdx + xzdy + xydz, gdzie jest ujemnie zorientowanym okręgiem x + y = 4, z = 1, 4.9

x c) e dx + z( x + y ) dy + yz dz, gdzie jest ujemnie zorientowaną krawędzią przecięcia powierzchni z = x + y płaszczyznami x =, y =, x =, y = 1. 4.1