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

Podobne dokumenty
Całki krzywoliniowe. SNM - Elementy analizy wektorowej - 1

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

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz V Całka powierzchniowa zorientowana

Całki krzywoliniowe skierowane

Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Olsztynie

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

24. CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA

opracował Maciej Grzesiak Całki krzywoliniowe

Matematyka 2. Elementy analizy wektorowej cz IV Całka powierzchniowa niezorientowana

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

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

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

22. CAŁKA KRZYWOLINIOWA SKIEROWANA

Elementy analizy wektorowej. Listazadań

Elementy analizy wektorowej

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

Całka podwójna po prostokącie

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

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

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

Całki powierzchniowe

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

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

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

Całki powierzchniowe w R n

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

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

METODY MATEMATYCZNE I STATYSTYCZNE W INŻYNIERII CHEMICZNEJ

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

Elementy analizy wektorowej

SIMR 2012/2013, Analiza 2, wykład 14,

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

ANALIZA MATEMATYCZNA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ

Analiza Matematyczna Praca domowa

Całka oznaczona zastosowania (wykład 9; ) Definicja całki oznaczonej dla funkcji ciagłej

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

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

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

ZASTOSOWANIA CAŁEK OZNACZONYCH

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

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 = }

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych.

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Podstawy elektromagnetyzmu. Wykład 1. Rachunek wektorowy

Rachunek całkowy - całka oznaczona

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

Funkcje wielu zmiennych

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

opracował Maciej Grzesiak Analiza wektorowa

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

Elementy równań różniczkowych cząstkowych

1 Funkcje dwóch zmiennych podstawowe pojęcia

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 15

1 Układy równań liniowych

IX. Rachunek różniczkowy funkcji wielu zmiennych. 1. Funkcja dwóch i trzech zmiennych - pojęcia podstawowe. - funkcja dwóch zmiennych,

Analiza matematyczna 2 zadania z odpowiedziami

III. RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

ANALIZA MATEMATYCZNA 2 zadania z odpowiedziami

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

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

Określenie całki oznaczonej na półprostej

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

GEOMETRIA ANALITYCZNA W PRZESTRZENI

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

ANALIZA MATEMATYCZNA 2.2B (2017/18)

gdzie M to mówimy, że na tym obszarze jest określone pole skalarne u( M) u( r)

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

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

ANALIZA MATEMATYCZNA

Elementy geometrii analitycznej w R 3

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

Biotechnologia, Chemia, Chemia Budowlana - Wydział Chemiczny - 1

Lista zadań nr 2 z Matematyki II

Opis efektów kształcenia dla modułu zajęć

Przykładowe zadania z Analizy Matematycznej II

J. Szantyr - Wykład 3 Równowaga płynu

SYLABUS DOTYCZY CYKLU KSZTAŁCENIA (skrajne daty)

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

Analiza Matematyczna. Zastosowania Całek

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

2 Całkowanie form różniczkowych i cykle termodynamiczne

Pole magnetyczne magnesu w kształcie kuli

Wykład 9. Matematyka 3, semestr zimowy 2011/ listopada 2011

Tensory mały niezbędnik

Analiza Matematyczna II dla Inżynierii Biomedycznej Lista zadań

Rachunek caªkowy funkcji wielu zmiennych

Funkcje dwóch zmiennych

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Wykłady 11 i 12: Całka oznaczona

Jacek Cichoń Katedra Informatyki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej

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

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

Wykład Ćwiczenia Laboratorium Projekt Seminarium Liczba godzin zajęć zorganizowanych w Uczelni 45 45

FUNKCJE ZESPOLONE Lista zadań 2005/2006

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Funkcje dwóch i trzech zmiennych

6. Punkty osobliwe, residua i obliczanie całek

RACHUNEK CAŁKOWY FUNKCJI DWÓCH ZMIENNYCH

ZAGADNIENIA DO EGZAMINU MAGISTERSKIEGO

Transkrypt:

Niektóre zastosowania całki krzywoliniowej niezorientowanej 1.ługość l łuku zwykłego gładkiego l = 1dl = b a (x (t)) 2 + (y (t) 2 ) + (z (t)) 2 dt 2.Pole powierzchni walcowej = {(x, y, z) : (x, y), 0 z f(x, y)}, pole = 3.Masa M łuku gładkiego o gęstości liniowej masy λ M = λ(x, y, z)dl f(x, y)dl 4. Moment statyczny MS x łuku R 2 względem osi Ox MS x = yλ(x, y)dl 5. Moment bezwładności I x łuku R 2 względem osi Ox I x = y 2 λ(x, y)dl 6.Współrzędne środka masy łuku R 2 (x m, y m ) = ( MS y M, MS x M ) 7. Moment statyczny MS xy łuku R 3 względem płaszczyzny xoy MS xy = zλ(x, y, z)dl 8.Współrzędne środka masy łuku R 3 (x m, y m, z m ) = ( MS yz M, MS xz M, MS xy M ) 9. Moment bezwładności I x łuku R 3 względem osi Ox I x = (y 2 + z 2 )λ(x, y, z)dl 10. Moment bezwładności I x łuku R 3 wzg.punktu (0,0,0) I O = (x 2 + y 2 + z 2 )λ(x, y, z)dl 1

CAŁKA KRZYWOLINIOWA ZORIENTOWANA efinition 1 Łuk zwykły niezamknięty, na którym ustalono początek i koniec nazywamy łukiem zorientowanym. Łuk o orientacji przeciwnej do łuku oznaczamy. Jeśli ze wzrostem parametru łuku zorientowanego poruszamy się po nim w kierunku orientacji to mówimy, że parametryzacja łuku jest zgodna z jego orientacją. Twierdzenie 1 a)jeśli 1. łuk = {(x(t), y(t)), t [a, b]} jest niezamknięty i gładki; 2. orientacja jest zgodna z jego parametryzacją; 3. Pole wektorowe F = (P, Q) jest ciągłe na łuku to b P (x, y)dx + Q(x, y)dy = [P (x(t), y(t))x (t) + Q(x(t), y(t))y (t)]dt a podobnie b) Jeśli 1. łuk = {(x(t), y(t), z(t)), t [a, b]} jest niezamknięty i gładki; 2. orientacja jest zgodna z jego parametryzacją; 3. Pole wektorowe F = (P, Q, R) jest ciągłe na łuku to P (x, y, z)dx + Q(x, y, z)dy + R(x, y, z)dz = b a [P (x(t), y(t), z(t))x (t)+q(x(t), y(t), z(t))y (t)+r(x(t), y(t), z(t))z (t)]dt. W notacji wektorowej dwa ostatnie wzory mają postać: F ( )r d r = b a [ F ( r(t) ) r (t)dt] Twierdzenie 2 ( całka krzywoliniowa z pola potencjalnego) Jeśli 1. pole wektorowe F = (P, Q, R) jest ciągłe na obszarze V R 3 2. pole wektorowe F jest potencjalne na V z potencjałem U to P (x, y, z)dx+q(x, y, z)dy+r(x, y, z)dz = U(x 2, y 2, z 2 ) U(x 1, y 1, z 1 ) gdzie jest dowolnym zorientowanym, kawałkami gładkim łukiem o poczatku w punkcie (x 1, y 1, z 1 ) i końcu w punkcie (x 2, y 2, z 2 ) całkowicie zawartym w obszarze V. 2 efinition 2 (znak orientacji) Niech będzie kawałkami gładkim łukiem zamkniętym w R 2, bez

samoprzecięć,tzw.krzywą Jordana. Mówimy,że orientacja łuku jest dodatnia względem wnętrza, jeśli podczas ruchu po w kierunku jego orientacji, odszar leży po lewej stronie łuku. W przeciwnym przypadku mówimy, że orientacja łuku jest ujemna. Twierdzenie 3 ( wzór Greena) Jeśli 1.obszar domknięty R 2 jest normalny względem obu osi układu współrzędnych, 2.łuk zamknięty, który jest brzegiem jest zorientowany dodatnio, 3.pole wektorowe F = (P, Q) jest różniczkowalne w sposób ciagły na to P dx + Qdy = ( Q x P y )dxdy Wniosek W polu potencjalnym całka krzywoliniowa zorientowana po łuku zamkniętym kawałkami gładkim wynosi zero. 3 efinition 3 P (x, y, z)dx + Q(x, y, z)dy + R(x, y, z)dz nazywamy cyrkulacją pola F = (P, Q, R) po łuku zamkniętym. Zastosowania całki krzywoliniowej zorientowanej 1.o obliczania pól obszaru: 1dxdy = xdy = ydx = ( 1 2 xdy 1 2 ydx) 2.Praca wykonana w polu wektorowym F = (P, Q, R) po łuku W = P dx + Qdy + Rdz = F d r CAŁKA POWIERZCHNIOWA NIEZORIENTOWANA efinition 1 Niech będzie zbiorem normalnym na płaszczyżnie oraz r(u, v) = (x(u, v), y(u, v), z(u, v)) będzie funkcja ciągłą i różnowartościową na R 2 to = { r(u, v), (u, v) } nazywamy płatem powierzchniowym Jeśli r(u, v) jest różniczkowalna w sposób ciągły na i r u r v 0 to

4 nazywamy płatem powierzchniowym gładkim Równania parametryczne ważniejszych płatów powierzchniowych. 1. Płaszczyzna przechodząca przez punkt (x 0, y 0, z 0 ) i rozpięta na wektorach a = [a 1, a 2, a 3 ] i b = [b 1, b 2, b 3 ] x = x 0 + ua 1 + vb 1 y = y 0 + ua 2 + vb 2, (u, v) R 2 z = z 0 + ua 3 + vb 3 2. Sfera (x x 0 ) 2 + (y y 0 ) 2 + (z z 0 ) 2 = r 2 ma przedstawienie parametryczne: x = x 0 + r cos u cos v y = y 0 + r sin u cos v z = z 0 + r sin v, u [0, 2π], v [ π, π]. 2 2 3. Powierzchnia walca x 2 + y 2 = r 2 gdzie 0 z H ma przedstawienie parametryczne: x = r cos u y = r sin u, u [0, 2π], v [0, H]. z = v 4. Powierzchnia stożka z = c x 2 + y 2 gdzie x 2 +y 2 r 2 ma przedstawienie parametryczne: x = v cos u y = v sin u, u [0, 2π], v [0, r]. z = cv

5. Powierzchnia paraboloidy z = c(x 2 + y 2 ) gdzie x 2 + y 2 r 2 ma przedstawienie parametryczne: x = v cos u y = v sin u, u [0, 2π], v [0, r]. z = cv 2 5 Twierdzenie 1 Pole płata powierzchniowego gładkiego wyraża się wzorem = r u r v dudv. Jeśli płat gładki jest wykresem funkcji z = z(x, y) to powyższy wzór ma postać: = 1 + ( z x )2 + ( z y )2 dxdy. Twierdzenie 2 (o zamianie całki powierzchniowej niezorientowanej na całkę podwójną) Jeżeli 1.obszar R 2 jest regularny; 2.płat = { r(u, v), (u, v) } jest gładki; 3.funkcja f : R jest ciągła to f(x, y, z)ds = f( r(u, v)) r u r v dudv. Jeżeli płat gładki jest wykresem funkcji z = z(x, y) to powyższy wzór ma postać: f(x, y, z)ds = f(x, y, z(x, y)) 1 + ( z x )2 + ( z y )2 dxdy. Zastosowania całek powierzchniowych niezorientowanych 1. o obliczania pola płata. 2. Masa M płata powierzchniowego o gęstosci powierzchniowej masy σ(x, y, z) wyraża sie wzorem M = σ(x, y, z)ds

3. Moment statyczny MS xy płata o gęstości σ(x, y, z) względem płaszczyzny xoy wyraża się wzorem MS xy = zσ(x, y, z)ds 4. Wspólrzędne środka masy płata o gęstości σ(x, y, z) to x 0 = MSyz,, y M 0 = MSxz,,z M 0 = MSxy. M 5. Moment bezwładności płata o gęstości σ(x, y, z) względem prostej Ox wyraża sie wzorem I x = (y 2 + z 2 )σ(x, y, z)ds. 6. Moment bezwładności płata o gęstości σ(x, y, z) względem punktu (0,0,0) wyraża sie wzorem I O = (x 2 + y 2 + z 2 )σ(x, y, z)ds. 6 CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA efinition 1 Płat powierzchniowy dwustronny na którym wyróżniono jedną ze stron nazywamy płatem zorientowanym. Wyróżnioną stronę płata nazywamy strona dodatnią. la płatów zamkniętych za stronę dodatnią przyjmujemy jego stronę zewnętrzną. la płatów będacych wykresami funkcji z = z(x, y), y = y(x, z), x = x(y, z) za stronę dodatnią przyjmujemy górną stronę płata. Wersor normalny n do płata gładkiego = { r(u, v), (u, v) } w punkcie (x 0, y 0, z 0 ) wyraża się wzorem n = ± r r u v r r u v gdzie pochodne cząstkowe obliczamy w punkcie (u 0, v 0 ), a znak przed n ustalamy na podstawie orientacji płata. Jeśli płat jest wykresem funkcji z = z(x, y) to wektor normalny w (x 0, y 0, z 0 ) ma postać i wtedy wersor nomalny n = v v. v = ( z x (x 0, y 0 ), z y (x 0, y 0 ), 1)

Całką powierzchniową zorientowaną z pola wektorowego F = (P, Q, R) po gładkim płacie zorientowanym definiujemy wzorem P (x, y, z)dydz + Q(x, y, z)dxdz + R(x, y, z)dxdy = = F (r) n(r)ds 7 Twierdzenie 1 (o zamianie całki powierzchniowej zorietowanej na całkę podwójną) Jeśli = { r(u, v), (u, v) } jest gładkim płatem zorientowanym, gdzie jest obszarem regularnym na R 2, i pole wektorowe F = (P, Q, R) jest ciągłe na płacie to F (r) n(r)ds = ± F (r) ( r u r v )dudv Jeśli jest wykresem funkcji z = z(x, y) to P (x, y, z)dydz + Q(x, y, z)dxdz + R(x, y, z)dxdy = ( = P (x, y, z(x, y)) z Q(x, y, z(x, y)) z + R(x, y, z(x, y))dxdy x y efinition 2 Jeśli pole wektorowe F = (P, Q, R) jest różniczkowalne w sposób ciągły na obszarze V R 3 to dywergencją pola wektorowego F nazywamy funkcję divf = P x + Q y + R z Twierdzenie 2 (twierdzenie Gaussa) Jeśli = { r(u, v), (u, v) } jest kawałkami gładkim płatem zamkniętym, który jest brzegiem obszaru domkniętego V R 3, pole wektorowe F = (P, Q, R) jest rózniczkowalne w sposób ciagły na obszarze V to F (r) n(r)ds = divf dv. V

Twierdzenie 3 (wzór Stokesa) Jeśli = { r(u, v), (u, v) } jest kawałkami gładkim płatem zorientowanym, którego brzeg jest łukiem kawałkami gładkim zorientowanym zgodnie z orientacją i pole wektorowe F = (P, Q, R) jest rózniczkowalne w sposób ciagły na to F d r = (rotf ) ds Wzór Stokesa po rozwinięciu ma postać P dx+qdy+rdz = ( R y Q z )dydz+( P z R x )dxdz+( Q x P y )dxdy Niektóre zastosowania całek powierzchniowych zorientowanych 1.Objętość obszaru V ograniczonego płatem zamkniętym zorientowanym na zewnątrz wynosi V = zdxdy = xdydz = ydxdz = 1 xdydz+ydxdz+zdxdy 3 8