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

Podobne dokumenty
METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

Rozdział 6. Równania Maxwella. 6.1 Pierwsza para

Analiza wektorowa. Teoria pola.

Różniczkowe prawo Gaussa i co z niego wynika...

Całki krzywoliniowe skierowane

cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

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

Rachunek całkowy - całka oznaczona

Całki powierzchniowe w R n

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Ładunek elektryczny. Zastosowanie równania Laplace a w elektro- i magnetostatyce. Joanna Wojtal. Wprowadzenie. Podstawowe cechy pól siłowych

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Wyprowadzenie prawa Gaussa z prawa Coulomba

opracował Maciej Grzesiak Analiza wektorowa

Potencjał pola elektrycznego

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

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

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

ABC matematyki dla początkujących fizyków. Elementy analizy wektorowej

Całka podwójna po prostokącie

z pokryciem (O i ) i I rozkładu jedności (α i ) i I. Zauważmy najpierw, że ( i I α i )ω dω = d(1 ω) = d d(α i ω). Z drugiej jednak strony

Analiza na rozmaitościach Calculus on Manifolds. Matematyka Poziom kwalifikacji: II stopnia

Strumień Prawo Gaussa Rozkład ładunku Płaszczyzna Płaszczyzny Prawo Gaussa i jego zastosowanie

Potencjalne pole elektrostatyczne. Przypomnienie

Teoria pola elektromagnetycznego

WYKŁAD 3 OGÓLNE UJĘCIE ZASAD ZACHOWANIA W MECHANICE PŁYNÓW. ZASADA ZACHOWANIA MASY. 1/15

Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

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

24. CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

SIMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14,

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Funkcje wielu zmiennych (wykład 14; )

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

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

ZAKRESY NATERIAŁU Z-1:

Teoria Pola Elektromagnetycznego

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Elementy analizy wektorowej. Listazadań

1. Podstawy matematyki

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

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

W. Np. pole prędkości cieczy lub gazu, pole grawitacyjne, pole elektrostatyczne, magnetyczne.

WYKŁAD 12 ENTROPIA I NIERÓWNOŚĆ THERMODYNAMICZNA 1/10

4 Równania różniczkowe w postaci Leibniza, równania różniczkowe zupełne

Równania dla potencjałów zależnych od czasu

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz V Całka powierzchniowa zorientowana

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Bardziej formalnie, wektor to wielkość, której współrzędne zmieniają się w określony sposób przy obrót prostokątnego układu współrzędnych.

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

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

Iloczyn skalarny, wektorowy, mieszany. Ortogonalność wektorów. Metoda ortogonalizacji Grama-Schmidta. Małgorzata Kowaluk semestr X

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

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 = }

Zwój nad przewodzącą płytą METODA ROZDZIELENIA ZMIENNYCH

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 12

Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

POLE MAGNETYCZNE. Magnetyczna siła Lorentza Prawo Ampere a

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

Moment pędu fali elektromagnetycznej

27. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE CZĄSTKOWE

Przykładowe zadania/problemy egzaminacyjne. Wszystkie bezwymiarowe wartości liczbowe występujące w treści zadań podane są w jednostkach SI.

Pole elektromagnetyczne

Elektrodynamika Część 2 Specjalne metody elektrostatyki Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

MECHANIKA II. Praca i energia punktu materialnego

RÓWNANIA MAXWELLA. Czy pole magnetyczne może stać się źródłem pola elektrycznego? Czy pole elektryczne może stać się źródłem pola magnetycznego?

Elektrodynamika Część 5 Pola magnetyczne w materii Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Rozdział 3. Tensory. 3.1 Krzywoliniowe układy współrzędnych

Matematyka dla studentów ekonomii : wykłady z ćwiczeniami/ Ryszard Antoniewicz, Andrzej Misztal. Wyd. 4 popr., 6 dodr. Warszawa, 2012.

[ A i ' ]=[ D ][ A i ] (2.3)

Elementy geometrii analitycznej w R 3

Podstawy elektrodynamiki / David J. Griffiths. - wyd. 2, dodr. 3. Warszawa, 2011 Spis treści. Przedmowa 11

PDE. czyli równania różniczkowe cząstkowe [Partial Differential Equation(s)] wstęp do wstępu. Zbigniew Koza. Wydział Fizyki i Astronomii Wrocław, 2016

Księgarnia PWN: David J. Griffiths - Podstawy elektrodynamiki

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

1. BILANSOWANIE WIELKOŚCI FIZYCZNYCH

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty)

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Geometria Różniczkowa II wykład piąty

Układ współrzędnych dwu trój Wykład 2 "Układ współrzędnych, system i układ odniesienia"

Fale elektromagnetyczne. Gradient pola. Gradient pola... Gradient pola... Notatki. Notatki. Notatki. Notatki. dr inż. Ireneusz Owczarek 2013/14

Fale elektromagnetyczne

5.6 Klasyczne wersje Twierdzenia Stokes a

opracował Maciej Grzesiak Całki krzywoliniowe

Elementy rachunku różniczkowego i całkowego

Kinematyka płynów - zadania

Opis przedmiotu. Karta przedmiotu - Matematyka II Katalog ECTS Politechniki Warszawskiej

E-N-1112-s1 MATEMATYKA Mathematics. Energetyka. I stopień ogólnoakademicki. studia stacjonarne. Katedra Matematyki dr Andrzej Lenarcik

Opis przedmiotu: Matematyka II

STAN NAPRĘŻENIA. dr hab. inż. Tadeusz Chyży

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

II. RÓŻNICZKOWANIE I CAŁKOWANIE NUMERYCZNE Janusz Adamowski

Wykład 11 i 12. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ i 18 listopada 2011

Transkrypt:

Rozdział 5 Twierdzenia całkowe 5.1 Twierdzenie o potencjale Będziemy rozpatrywać całki krzywoliniowe liczone wzdłuż krzywej w przestrzeni trójwymiarowej, I) = A d r, 5.1) gdzie A = A r) jest funkcją polem) wektorowym, natomiast d r jest infinitezymalnym wektorem łączącym dwa nieskończenie bliskie siebie punkty na krzywej. We współrzędnych kartezjańskich I) = A 1 dx 1 + A dx + A 3 dx 3 ). 5.) Zauważmy, że zmieniając kierunek całkowania na przeciwny, czyli formalnie przechodząc od krzywej, otrzymujemy wartość całki ze zmienionym znakiem, I ) = I). 5.3) Wartość całka krzywoliniowej na ogół zależy od krzywej. Istnieje jednak przypadek, gdy tak nie jest. Jeżeli pole A jest polem potencjalnym, tzn. można je przedstawić jako gradient z funkcji φ = φ rpotencjału), A = φ, 5.4) otrzymujemy φ d r = φ r B ) φ r A 5.5) gdzie r A to położenie początku krzywej, natomiast r B to położenie jej końca. Krzywa może więc być dowolną krzywą łączącą te punkty, a wartość całki 1

krzywoliniowej I zależy tylko od wartości potencjału φ na brzegach tej krzywej. W szczególności dla krzywej zamkniętej, gdy r A = r B, otrzymujemy φ d r = 0 5.6) Tak więc, dla pola potencjalnego całka po krzywej zamkniętej wynosi zero. Ćwiczenie - Pokazać, że pole wektorowe E = κ r ˆr, r ˆr r, 5.7) gdzie κ jest stałą, a ˆr jest jednostkowym wektorem wodzącym, jest polem potencjalnym. Znaleźć postać potencjału. 5. Twierdzenie tokesa Rozważmy całkę krzywoliniową po krzywej zamkniętej I) = A d r. 5.8) Pokażemy, że można ją wyrazić poprzez całkę po dowolnej powierzchni dwuwymiarowej rozpiętej na krzywej. Niech będzie taką powierzchnią. Można ją przybliżyć przez sumę infinitezymalnych powierzchni dwuwymiarowych, które są na tyle małe, iż można je traktować jako powierzchnie płaskie. Ich brzegi są infinitezymalnymi krzywymi zamkniętymi po których całkujemy w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara. ałki po części wewnętrznych krzywych znoszą się dla sąsiadujących ze sobą powierzchni, gdyż całkowanie po wspólnej części krzywej odbywa się dwa razy w przeciwnych kierunkach. To co pozostaje to całka po brzegu obszaru dwuwymiarowego, czyli całka po krzywej. Tak więc, należy najpierw rozpatrzyć wkład od inifnitezymalnej krzywej otaczającej obszar płaski, a następnie dodać wkłady od wszystkich takich całek by otrzymać całkę I). Niech taką krzywą będzie prostokąt o bokach o długości x i położony na płaszczyźnie x,y), tak, że jego środek znajduje się w punkcie 0,0) kartezjańskiego układu współrzędnych. Policzymy całkę po brzegu tego prostokąta w kierunku przeciwnym do ruch wskazówek zegara, mnożąc długość boku

przez wartość odpowiedniej składowej pola wektorowego A w środku tego boku. Dla obliczenia tej wartości posłużymy się rozwinięciem Taylora z dokładnością do wyrazów liniowych w przyrostach, Ax + x/,y + /) = Ax,y) + Ax,y) x + Ax,y), 5.9) gdzie w naszym przypadku x, y) = 0, 0). Tak więc, oznaczając infinitezymalny prostokąt przez, znajdujemy I ) = A d r = A x A x x + A y + A ) y x 5.10) A x + A x x A y A ) y x = Ay A ) x x. 5.11) W wyrażeniu w nawiasie rozpoznajemy z-tową składową rotacji A) z. Wprowadzając wektor powierzchni o długości równej liczbowo polu powierzchni i prostopadły do niej o kierunku określanym przez regułę prawej ręki, = 0,0,ẑ x ), 5.1) całkę I ) możemy zapisać w postaci niezależnej od orientacji powierzchni I ) = rot A. 5.13) umując po wszystkich wkładach otrzymujemy całkę konturową I). tąd twierdzenie tokesa A d r = rot A d s 5.14) gdzie jest dowolną powierzchnią rozpiętą na krzywej. Oznacza to, że powyższa relacja nie zależy od kształtu powierzchni. Twierdzenie tokesa wiąże całkę po powierzchni z rotacji pola wektorowego A z całką krzywoliniową z pola A po brzegu tej powierzchni. Jest to bardzo głęboki matematycznie wynik. Jeżeli rot A = 0 to całka po każdej krzywej zamkniętej znika. Jest to zgodne z faktem, że w przy znikającej rotacji pole A jest polem potencjalnym, a więc słuszna jest relacja 5.6). 3

5.3 Twierdzenie Gaussa Podobną matematycznie relację do twierdzenia tokesa można otrzymać rozważając wypływ strumień) pola wektorowego A poprzez powierzchnie zamkniętą. Rozważamy zatem całkę powierzchniową I) = A d s, 5.15) gdzie różniczka d s jest inifinitezymalnym elementem powierzchni, prostopadłym do niej i skierowanym na zewnątrz w przypadku powierzchni zamkniętej. Pokażemy, że I) można wyrazić przez całkę po objętości ograniczonej powierzchnią zamkniętą. Niech V będzie taką objętością. Można ją przybliżyć przez sumę infinitezymalnych prostopadłościanów. Licząc strumienie pola A poprzez ścianki tych prostopadłościanów stwierdzamy, że strumienie poprzez ścianki wewnętrzne kasują się dla przylegających do siebie prostopadłościanów, gdyż jeśli z punktu widzenia jednego z nich strumień do niego dopływa, to dla jego sąsiada strumień z niego wypływa. To co pozostaje to strumień poprzez ścianki zewnętrzne, które w granicy stanowią powierzchnię. Należy zatem policzyć strumienie pochodzące od każdego prostopadłościanu, a następnie je dodać by otrzymać całkę powierzchniową I). Rozpatrzmy zatem prostopadłościan o bokach o długości x, i, taki, że jego środek leży w punkcie 0, 0, 0) kartezjańskiego układu współrzędnych. Posługując się rozwinięciem Ax + x/,y + /,z + /) = Ax,y,z) + Ax,y,z) x + Ax,y,z) + Ax,y,z), 5.16) gdzie x, y, z) = 0, 0, 0), znajdujemy dla małego prostopadłościanu V, I V ) = A d s 5.17) = A x + A x A x A x x + A y + A y x A y A y x + A z + A z x A z A z ) x ) x 4

co daje I V ) = Ax + A y + A ) z x = div A V. 5.18) umując po sześcianach otrzymujemy całkę powierzchniową I). tąd twierdzenie Gaussa A d s = div A dv 5.19) V gdzie V jest objętością ograniczoną przez zamkniętą powierzchnię. Twierdzenie Greena wiąże całkę objętościową z dywergencji pola wektorowego A ze strumieniem tego pola poprzez powierzchnię będącą brzegiem obszaru V. Jest to głęboki matematycznie wynik. Jeżeli div A = 0, czyli pole A jest bezźródłowe, to strumień tego pola poprzez dowolną zamkniętą powierzchnię wynosi zero. 5.4 Podsumowanie Podsumowując, przedstawione twierdzenia pokazują, że operacja różniczkowania i wzięcia brzegu obszaru są ze sobą powiązane. Wprowadzając bowiem operację wzięcia brzegu w następujący sposób = {A,B}, =, V = 5.0) możemy zapisać omówione twierdzenia tak jak w tabelce. Twierdzenie o gradiencie φ) d r = φb) φb) Twierdzenie tokesa A) d s = A d r Twierdzenie Gaussa A)dV = V V A d s 5