Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Matan__teoria

.pdf
Скачиваний:
25
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1.78 Mб
Скачать

2). Для вычисления интеграла a d r по плоской линии BC с

 

BC

уравнением y = y(x), x [b,c] следует:

а) записать интеграл в координатной форме P(x, y)dx + Q(x, y)dy ,

 

BC

б) заменить y

в функциях P, Q на y(x),

в) заменить dy

на y (x)dx,

г) вычислить получившийся определенный интеграл по отрезку [b, c].

 

 

3). В случае центрального поля a = f (r) r следует учесть, что r 2 = r 2 ;

дифференцируя это равенство, получим 2r d r = 2r d r

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rC

 

 

 

a d r = f (r) r d r = f (r) r d r ,

 

 

BC

BC

 

 

 

rB

 

 

т.е. линейный интеграл поля сведен к определенному интегралу.

 

 

 

 

 

= {x2, yz, z}

 

 

Пример 11.1. Вычислить работу силы F

по прямолинейному пере(

мещению из точки B(1, 2, 1) в точку C (3, 3, 2) .

 

 

Решение. Работа A силы F вычисляется по формуле

 

 

 

A=

 

 

= x2dxyz dy +z dz .

 

F d r

 

BC

 

 

 

BC

 

 

 

 

 

Для вычисления этого интеграла составим уравнение прямой BC :

 

 

x 1

=

y 2

=

z +1

= t .

 

 

 

 

3 1

32

 

 

 

 

 

 

 

2 +1

 

 

Отсюда x = 2t +1, y = t + 2, z = 3t 1;

 

dx = 2dt, dy = dt, dz = 3dt .

Найдем значение параметра t , соответствующее точке B . Для этого подставим

абсциссу x = 1 точки B в формулу x = 2t +1. Получим

tB = 0 . Аналогично найдем

tC =1 . Заменяя в интеграле x, y,

z, dx, dy, dz их выражениями, получим

A =

1

 

2

 

2

 

x dx yz dz + z dz =

(2t +1) 2 (t + 2)(3t

1) + (3t 1) 3 dt = 26 3.

BC

0

 

 

 

Пример 11.2. Найти циркуляцию поля a = yi + 2 x j вдоль линии

─ дуга параболы y 2 = x, OAB ─ ломаная (рис. 67).

y

Решение. Циркуляцию поля a вычислим по формуле

 

C(a) = a d r

a d r

+

a d r +

a d r .

 

 

 

 

 

 

 

 

OABO

[OA]

 

 

[AB]

BO

 

 

На отрезке OA имеем y = 0, dy = 0. Поэтому

 

 

I1 =

a d r =

ydx + 2 xdy = 0 .

 

 

[OA]

 

 

 

[OA]

 

 

 

 

 

0

На отрезке AB имеем x =1,

dx = 0,

0 y 1. Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

I2 =

ydx + 2 xdy = 2dy = 2 .

 

 

 

 

 

 

[AB]

 

 

0

 

OABO , где OB

B(1,1)

Ax

Рис. 67

91

На дуге BO имеем x = y2,

y = y

(y параметр),

 

dx = 2y dy,

y

B

=1,

y = 0 . Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

O

I3 = y dx + 2xdy = 0 (y 2y + 2y

2)dy = 0 4y2dy = 4 .

BO

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Окончательно, C(a) = I + I

2

+ I

3

= 0+ 2 4 = 2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

x

 

 

 

Пример 11.3. Вычислить циркуляцию поля a

=

 

,

 

 

 

по окружности (L)

x2

+ y2

x2

+ y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

радиусом R с центром в начале координат, ориентированной против часовой стрелки.

Решение. Циркуляция поля a вычисляется по формуле

C(a) =

 

a d r =

 

y

dx+

x

dy .

x2 + y2

x2 + y2

 

 

 

 

 

 

(L)

 

(L)

 

 

 

 

 

Для вычисления этого интеграла запишем параметриче(

ские уравнения окружности (L): x = Rcost,

y = Rsint .

Тогда dx = −Rsint dt , dy = Rcost dt ; угол t

при движении

против часовой стрелки меняется от 0 до 2π (рис. 68). По(

 

2π Rsint (Rsint)+ Rcost Rcost

2π

этому C(a) =

R

2

cos

2

t + R

2

sin

2

t

dt = dt = 2π .

 

0

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

(L)

t

x

РисРис. .6868

11.4. Формулы Грина и Стокса. Ротор поля

Циркуляцию, как линейный интеграл поля по замкнутому контуру, можно вы( числять способами, изложенными в п. 11.3. Однако часто удобно вычислять цир( куляцию плоского поля по формуле Грина, а циркуляцию пространственного поля ─ по формуле Стокса.

Если при обходе замкнутого контура ограниченная область остается слева, то направление обхода называют положительным. Обход в противопо( ложном направлении называют отрицательным.

Теорема 11.1. Пусть функции P(x, y), Q(x, y) и их частные производные непрерывны в области (D) с положительно ориентированной границей (L). То( гда имеет место следующая формула Грина:

 

 

 

∫∫

 

 

 

 

 

P dx+Qdy =

 

Q P dxdy

.

(11.5)

 

 

 

 

(D) x

y

 

 

 

(L)

 

 

 

 

 

Доказательство проведем для

области

(D),

описываемой

неравенствами

ϕ1(x) y ϕ2(x), a x b (рис. 69). Сначала проверим равенство

 

∫∫

y

(11.6)

 

Pdx=−

P dxdy .

 

 

 

 

(L)

 

(D)

 

 

 

 

 

Сведем криволинейный интеграл P(x, y)dx

к опреде(

 

 

 

L

 

ленному интегралу, подставляя

y = ϕ1(x) на линии AKB

и y = ϕ 2(x) на линии BMA:

 

 

 

y

y = ϕ2

(x)

 

M

B

 

 

A

Ky = ϕ1(x)

0

a

b

x

 

 

 

O

Рис. 69

92

P(x, y), Q(x, y)

 

 

 

b

 

a

 

 

P(x, y)dx =

P(x, y)dx +

P(x, y)dx =

P(x, ϕ1(x))dx+

 

 

 

 

 

 

 

P(x, ϕ2

(x))dx,

(L)

 

AKB

 

BMA

 

a

 

b

 

 

b

P(x, y)dx = [P(x, ϕ1(x))P(x, ϕ2(x))]dx.

(L) a

Теперь преобразуем двойной интеграл, сведя его сначала к повторному, а затем к определенному интегралу:

 

b

ϕ2(x)

b

 

y = ϕ2

(x)

b

 

 

 

 

∫∫

P dxdy = −dx

P dy = −dx[P(x, y)]

 

= P(x,ϕ1(x))P(x,ϕ2

(x)) dx .

 

y = ϕ1

(x)

(D)

y

ϕ1(x)

y

 

 

 

a

a

 

 

 

a

 

 

 

 

 

И криволинейный, и двойной интегралы из формулы (11.6) равны одному и то( му же определенному интегралу и, следовательно, равны между собой. Анало( гично проверяется равенство

 

∫∫ x

 

 

Qdy =

 

Q

dxdy .

(11.7)

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

(D)

 

Складывая равенства (11.6) и (11.7), получим формулу Грина.

Замечание. Нарушение условий теоремы Грина может привести к неверным

результатам. Например, для поля a = −

 

y

,

 

x

нетрудно проверить, что

 

+ y2

 

+ y2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

x2

 

 

 

 

 

 

Q

 

P

 

 

 

x

 

 

 

 

y

 

 

1 (x2 + y2)x 2x 1 (x2 + y2)y 2y

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

+

 

 

 

= 0 ,

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

2

 

2

 

(x2 + y2)

2

(x2

+ y2)

2

x

 

y

 

x x

 

+ y

 

 

y x

 

+ y

 

 

 

 

 

 

 

но циркуляция поля по окружности (L)

с центром в начале координат отлич(

наот нуля, C (a, L) = 2π

(пример 11.3). В этом примере нарушены условия тео(

ремы Грина, т.к. внутри контура (L) содержится точка (0, 0), в которой функции не определены.

Пример 11.4. Используя формулу Грина, вычислить циркуляцию поля a = yi + 2 x j вдоль линии OABO (рис. 67).

Решение. Вычислим циркуляцию C =

ydx+2 xdy

, используя формулу Грина

 

 

 

 

 

OABO

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

1

1

1

 

 

 

 

для P = y, Q = 2x :

C = ∫∫

 

 

 

dx = (1y

2

)dy = 1

1

= 2 .

 

P dxdy = ∫∫ dxdy = dy

 

 

(D)

x

y

(D)

0

y2

0

 

 

3

3

 

 

 

 

 

 

 

Сравните это решение с решением примера 11.2, где циркуляция этого поля была вычислена без формулы Грина.

Для обобщения формулы Грина на пространственный случай введем по( нятие ротора векторного поля a .

Ротором векторного поля a = {P, Q, R} называется вектор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

j

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rot a

=

 

 

 

 

 

 

 

= × a

.

(11.8)

x

 

y

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

Q

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

93

При вычислении rot a

следует разложить определитель по элементам первой

строки. Учитывая, что

 

P =

P

,

 

 

Q =

Q

,

R =

R

и т. д., получим

x

x

 

x

x

y

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

R

Q

 

(R

P )

 

Q

 

rot a

 

 

 

i

j

+

x

P k .

 

 

 

y

 

z

 

x

z

 

 

y

Понятие ротора позволяет удобно вычислять циркуляцию векторного поля, опираясь на следующую теорему (доказательство теоремы опустим).

Теорема 11.2. Пусть функции P(x, y, z), Q(x, y, z), R(x, y, z) и их частные производные непрерывны на ориентированной поверхности (σ ), натянутой на контур (L), причем ориентации контура (L) и поверхности (σ ) согласованы. Тогда имеет место следующая формула Стокса:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a d r =

rot a dσ

.

 

 

 

 

 

 

 

 

(11.9)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

(σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В этой формуле ориентации контура (L)

и поверхности (σ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

согласованы, т. е., глядя с конца выбранных нормальных векто(

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

ров поверхности (σ ), обход контура (L)

виден против часовой

 

 

 

 

 

(σ)

 

стрелки (рис. 70).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Итак, по формуле Стокса циркуляция поля a

по контуру

 

 

 

 

(L)

 

 

(L) равна потоку ротора поля a

через поверхность (σ ), натя(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нутую на контур (L).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 70

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a = (20x4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 11.5. Для поля

+1)z i 5y

j

+ 4x5 k

найти его

 

 

 

 

 

 

 

 

 

циркуляцию по окружности

x2 + z2 = 9 , лежащей в плоскости

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

y = 4 и ориентированной против часовой стрелки, если смотреть

 

 

 

 

 

 

 

 

с конца оси OY (рис. 71).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

Решение.

Циркуляция

поля

 

a

вычисляется

по

 

формуле

 

 

 

 

 

 

0

y

 

 

 

 

x

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C = a d r . Непосредственное вычисление этого интеграла до(

 

 

 

 

 

 

 

 

 

статочно трудоемко. Посмотрим, облегчит ли вычисление цирку(

 

 

 

 

 

 

Рис. 71

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ляции применение формулы Стокса. Для этого вычислим ротор

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

 

j

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rot a =

 

 

 

 

 

 

 

= i

(0

0)

j

(20x4

20x4 1)+ k

(0

0) =

j.

 

 

 

 

x

 

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(20x4 +1) z 5y

4x5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rot a d

σ =

(rot a,n)dσ.

 

 

 

 

 

 

 

По формуле Стокса имеем: C = a d r =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

 

(σ)

 

 

 

 

(σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В качестве поверхности (σ ), натянутой на окружность, возьмем круг, ограни(

 

ченный этой окружностью. Нормальный вектор к этой поверхности направлен

 

вдоль оси

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

=1

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OY , т.е. n

= j ; скалярное произведение rot a

n =

j

j =

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C = ∫∫(rot a,n)dσ = ∫∫ dσ = S = π R2 = 9π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(σ )

 

 

 

 

(σ )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

94

Остановимся более подробно на свойствах ротора.

Физический смысл ротора

Пусть твердое тело вращается с постоянной угловой скоростью ω . Найдем по( ле линейных скоростей точек тела и ротор этого поля.

Рассмотрим систему координат, направив ось Oz по оси вращения (рис. 72).

Как известно из кинематики, линейная скорость v точки

z

M равна векторному произведению v = ω × r , где r ─ ра(

 

диус(вектор точки M , r = {x, y, z} , ω

─ вектор угловой

 

скорости, направленный по оси вращения с длиной, рав(

M

 

ной величине угловой скорости ω , т. е.

ω = ω k = {0, 0, ω} .

ω

Найдем поле линейных скоростей:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v = ω × r =

 

i

j

k

 

 

 

 

0

 

0 0 ω

 

 

 

 

 

= −ω y i

+ω x j .

 

 

 

x

y

z

 

 

 

x

Рис. 72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

y

Ротор этого поля вычислим по формуле (11.8):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

j

k

 

=

 

 

rot v

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

y

z

 

 

 

 

 

 

ω y

ωx

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= i

 

0

 

(ωx)

y

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

(

0

(ω y))+ k

(ω x)

(ω y)

= 2ωk

= 2ω.

x

z

x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, ротор поля линейных скоростей в любой точке равен удвоен( ному вектору угловой скорости.

В произвольном поле его ротор, вычисленный в точке M , также характе% ризует вращательную способность поля в этой точке.

Инвариантное определение ротора

Рассмотрим некоторую поверхность (σ ), содержащую точку M ,

и единичный нормальный вектор n этой поверхности (рис. 73). Вычислим по формуле Стокса циркуляцию поля a по произвольному контуру (L), лежащему на поверхности (σ ):

 

 

 

 

 

C (a , L) =

a d r

=

rot a dσ =

(rot a,n)dσ .

(L)

 

 

(σ)

 

(σ)

 

n

M

(σ)

(L)

Рис. 73

Воспользуемся теоремой о среднем для поверхностного интеграла 1(го рода:

C (a, L) =

(rot a,n)dσ = (rot a,n) σ = (прn rot a) σ

 

M

M

(σ)

(прn rot a) =

C (a , L)

.

 

M

σ

Переходя в последнем равенстве к пределу при стягивании поверхности (σ ) в

точку M , получим:

(прn rot a)

 

=

lim

C (a, L)

 

.

(11.10)

 

σ

 

M

 

(σ ) M

 

 

 

 

 

(σ ) n

 

 

 

 

Эту величину называют плотностью циркуляции поля a в точке M в направле( нии вектора n . Плотность циркуляции, как проекция прn rot a , принимает

95

наибольшее значение, равное rot a , когда векторы rot a и n сонаправлены. По(

этому получаем следующее инвариантное ( не зависящее от системы коорди( нат) определение ротора.

Ротор поля a в точке M есть вектор, удовлетворяющий условиям:

а) в направлении этого вектора плотность циркуляции поля a в точке M принимает наибольшее значение,

б) по величине он равен наибольшей плотности циркуляции поля a в точке M.

Дифференциальные свойства ротора

1)

rot c = 0,

 

 

= 0,

 

постоянный вектор),

 

или × c

( c

 

2)

rot r = 0,

 

 

= 0,

 

радиус(вектор),

 

 

или × r

( r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

rot(a + b)= rot a + rotb , или × (a

+ b)= × a + × b ,

 

 

rot( f a)

 

 

 

 

 

 

 

a) = f

 

 

4)

= f rot a + (grad f )× a , или × ( f

( × a)+( f )×a,

( f

скалярное поле, a векторное поле),

 

 

5)

 

 

 

 

 

 

 

 

( cконстанта),

rot(c a)

= c rota,

или × (c a) = c ×a,

 

rot( f c)

 

 

 

 

 

 

 

)×c , (c постоянный вектор),

6)

=(grad f )× c , или ×( f

c) =( f

 

 

 

 

 

( f (r) r )= 0 .

 

 

 

 

7)

rot( f (r) r )= 0 или ×

 

 

 

 

Проверим эти свойства:

свойства 1) ─ 3) проверяются непосредственным вычислением,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

j

 

k

 

 

i

 

j

 

k

 

 

i

j

k

 

4) rot( f a) =

 

 

 

 

= f

 

 

 

 

+

f

f

f

= f rot a + (grad f )× a ,

 

x

y

z

x

y

z

x y z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f P f Q f R

 

 

P Q R

 

 

P Q R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

свойство 5) есть следствие свойства 4) при f = c , свойство 6) есть следствие свойства 4) при a = c ,

7) по свойству 4) ротора rot f (r) r = f (r) rot r + (grad f (r))× r , а по свойствам гра(

диента grad f (r) = f (r) grad r = f

(r)

r

. Учитывая, что rot r = 0, r × r = 0, получим

r

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rot f (r) r

= f (r) rot r

+ f (r)

 

 

× r

= 0 .

 

 

 

 

 

 

r

 

 

11.5.Условия независимости линейного интеграла от формы пути

Вразличных приложениях важно знать, зависит ли линейный интеграл поля

a d r от формы кривой интегрирования или он зависит только от начальной и

конечной точек этой кривой (с физической точки зрения – зависит ли работа си( лы от формы пути). Рассмотрим три условия независимости линейного интегра(

ла поля от формы пути интегрирования. Как и раньше, будем предполагать, что вектор(функция a(M ) = {P(M ), Q(M ), R(M )} дифференцируема.

96

Теорема 11.3 (о равенстве нулю циркуляции). Для того чтобы линейный ин( теграл поля не зависел от формы пути интегрирования, необходимо и доста( точно, чтобы циркуляция поля по любой замкнутой кривой равнялась нулю.

Доказательство. Вычислим циркуляцию поля a

по произвольной замкнутой

 

кривой ABCDA (рис. 74)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C (a) = a d r

=

a d r

+

a d r =

a d r

a d r.

 

 

 

 

 

 

 

 

ABCDA

 

ABC

 

CDA

 

ABC

 

ADC

 

 

Из этого равенства следует: циркуляция C(a) равна нулю тогда

 

 

и только тогда, когда

a d r =

a d r , т. е. интеграл a d r

D

C

ABC

 

 

ADC

 

 

 

 

 

 

 

 

по двум произвольным линиям с общим началом и общим кон( цом принимает одно и то же значение и, значит, не зависит от формы пути интегрирования.

Теорема 11.3 дает критерий независимости линейного инте( грала поля от формы пути интегрирования, однако этот крите( рий трудно проверить.

B

A

Рис..74

Для формулировки следующего более эффективного критерия введем новое понятие. Область назовем односвязной, если на любой ее замкнутый контур можно натянуть поверхность, целиком лежащую в этой области.

Например, односвязными областями будут круг, шар, куб; к неодносвязным областям относятся кольцо, тор (“бублик”) (рис. 75).

zy

0

y

 

x

x

Рис.75

 

Теорема 11.4 (о равенстве нулю ротора). Для того чтобы линейный инте( грал поля не зависел от формы пути интегрирования, необходимо, а для одно( связного поля и достаточно, чтобы ротор поля в каждой точке равнялся нулю.

Необходимость. Пусть линейный интеграл поля a не зависит от формы пути интегрирования и, значит, циркуляция C (a , L) по любому замкнутому контуру равна нулю. Тогда по формуле (11.10)

(прn rot a)

 

=

lim

C (a , L)

= 0 ,

M

σ

 

 

(σ ) M

 

 

 

 

(σ ) n

 

 

т.е. проекция ротора на любой вектор n в любой точке M равна нулю. Поэтому rot a = 0 в любой точке поля.

97

Достаточность. Пусть rot a = 0 в односвязной области (D). Возьмем любой замкнутый контур (L) в (D). В силу односвязности области (D) на контур (L) можно натянуть поверхность (σ ), целиком лежащую в области (D). Вычислим циркуляцию поля a по контуру (L), используя формулу Стокса и условие rot a = 0 :

 

 

 

 

 

 

C (a, L) =

 

a d r = (rot a,n)dσ =0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

(σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так как циркуляция поля a по любому замкнутому контуру (L)

равна нулю, то

по теореме 11.3 интеграл

a d r не зависит от формы пути. Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 11.5 (о подынтегральном выражении). Для того чтобы ли(

 

 

нейный интеграл поля

a d r

не зависел от формы пути интегрирования,

 

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

необходимо и достаточно, чтобы подынтегральное выражение a d r бы(

 

 

ло полным дифференциалом некоторой функции U .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необходимость. Пусть

a d r не зависит от формы пути. Покажем, что функция

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U (M ) = a d r

есть искомая функция (M0 ─ фиксированная точка), т.е. a d r = dU .

 

 

 

(M0M)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для этого вычислим частное приращение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xU = U (x + x, y, z) U (x, y, z) = U (M1)U (M ) = a d r a d r.

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(M0 M 1)

 

(M0 M)

 

 

M M1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M0

 

 

Так как интеграл a d r не зависит от формы пути, то кривую

 

y

 

 

 

 

 

 

 

(L)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M0 M выберем произвольно, а в качестве кривой M0 M1

 

возьмем

 

 

0 x x + x x

кривую M0 M и отрезок прямой MM1

(рис. 76). Тогда по свойству

 

 

Рис. 76

аддитивности интеграла

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a d r

 

 

 

 

 

a d r +

 

 

 

 

 

a d r

 

 

a d r.

 

 

x

U =

a d r =

 

a d r

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(M0 M 1)

(M0 M)

 

(M0 M)

 

(M M 1)

 

 

 

(M0 M)

 

 

(M M 1)

 

 

Запишем интеграл в координатной форме и учтем, что на отрезке MM1

меняется

только x , а y, z постоянны, значит, dy = 0,

dz = 0 и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xU = a d r = Pdx + Q dy + Rdz = P(x, y, z)dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

(M M 1)

(M M1)

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

К получившемуся определенному интегралу применим теорему о среднем:

x+ x

P(x, y, z)dx = P(x, y, z) x ;

xU =

 

ɶ

x

здесь xнекоторая промежуточная точка между x и x + x . Тогда

ɶ

 

xU

 

P(x, y, z) x

 

 

 

ɶ

Ux =

lim

 

= lim

ɶ

= lim P(x, y, z) = P(x, y, z).

x

x

 

x→0

x→0

x→0

98

Итак, Ux = P(x, y, z) . Аналогично можно показать, что Uy = Q(x, y, z), Uz = R(x, y, z). Тогда a d r = Pdx + Qdy + Rdz =Ux dx +Uy dy +Uz dz = dU .

Достаточность. Пусть существует функция U(x, y, z) такая, что a d r = dU . Рассмотрим произвольную дугу AB с параметрическими уравнениями

 

x = x(t), y = y(t), z = z(t); t [tA; tB ].

Сведем интеграл

a d r

по этой дуге к определенному интегралу и применим

 

AB

 

 

 

формулу Ньютона(Лейбница

 

 

t

a d r

= dU(x, y, z) = B dU (x(t), y(t), z(t)) = U (x(t), y (t), z (t))

 

ttBA=

 

 

AB

AB

tA

 

= U (xB , yB , zB) U (xA , yA , zA) = U(B) U(A).

Таким образом, значение интеграла a d r зависит только от точек A, B и не

AB

зависит от формы линии AB .

Попутно мы получили важную формулу, являющуюся аналогом формулы

Ньютона(Лейбница для криволинейных интегралов:

 

 

 

 

 

 

dU = U (B) U (A).

 

(11.11)

 

AB

 

 

 

 

 

 

Теоремы 11.3, 11.4, 11.5 иногда объединяют в одну:

 

Если область (D) является односвязной, то четыре условия равносильны: 1) линейный интеграл a d r не зависит от формы пути интегрирования;

(L)

2)линейный интеграл a d r по любому замкнутому контуру в (D) равен нулю;

(L)

3)rot a = 0 во всех точках области (D);

4)выражение a d r является полным дифференциалом некоторой функции U .

12.Некоторые классы векторных полей

12.1. Потенциальное поле

Как и раньше, предполагаем, что координаты вектора поля a ─ функции P , Q, R непрерывны и имеют частные производные.

Векторное поле a называется потенциальным, если оно является полем градиента некоторой скалярной функции U , т.е. a = gradU ; при этом функцию U называют скалярным потенциалом векторного поля.

Напомним, что gradU = Ux i +Uy j +Uz k . Так как grad(U +C) = gradU , то U + C также является потенциалом.

99

Свойства потенциального поля

1). Поле a является потенциальным с потенциалом U тогда и только тогда, когда a d r = dU .

2). Односвязное поле a потенциально тогда и только тогда, когда в каждой точке поля rot a = 0 .

3). В потенциальном поле линейный интеграл a d r не зависит от формы пути.

(L)

4). В потенциальном поле циркуляция по любому контуру, не охватываю( щему особых точек поля, равна нулю.

5). В потенциальном поле циркуляции по контурам, охватывающим все особые точки поля, равны между собой.

6). В потенциальном поле линейный интеграл по дуге равен разности по( тенциалов конца и начала дуги.

Проверим эти свойства.

1). Поле a ─ потенциально, т.е. a = gradU = {Ux, Uy , Uz} тогда и только тогда, когда a d r = {Ux, Uy, Uz} {dx, dy, dz} = Ux dx +Uy dy +Uz dz = dU .

2). Это свойство следует из свойства 1) и теорем 11.5, 11.4. 3). Это свойство следует из свойства 1) и теоремы 11.5.

4). Это свойство является следствием свойства 2) и теоремы 11.4, так как поле внутри контура, не охватывающего особых точек, является односвязным.

5). Пусть (L), (l ) ─ контуры, окружающие все особые точки P1,..., Pn поля (рис. 77); ориентируем контуры так, чтобы при обходе ограниченная ими область (σ )

оставалась слева, т.е. (L)против часовой стрелки, (l)по часовой стрелке; контуры с такой ориентацией обозначим соответственно (L+ ), (l ). На поверх(

ности (σ )

с границей (γ ) = (L+) (l )

 

 

поле потенциально, и потому rot a = 0 по

свойству 3) и теореме 11.4. Тогда по формуле Стокса

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

=0 .

 

 

 

(L+ )

 

 

 

 

 

a d r

rot a dσ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(σ)

 

 

 

 

(γ)

 

 

(σ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(l )

С другой стороны,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P1

 

 

 

=

 

+

 

 

=

 

 

 

 

Pn

 

a d r

a d r

a d r

 

 

a d r

a d r

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(γ)

 

(L

+

)

 

 

)

 

(L

+

)

 

(l

+

)

 

 

 

 

 

 

 

(l

 

 

 

 

 

 

 

и, следовательно,

 

a d r =

a d r .

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 77

 

 

 

 

(L + )

 

(l + )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6). Если поле a потенциально и U ─ его потенциал, то a d r = dU и по формуле (11.11)

a d r = dU =U (B) U (A) .

AB AB

100

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]