Matan__teoria
.pdf2). 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= ∫ |
|
|
= ∫ x2dx− yz 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 |
3− 2 |
|
|
|
||||
|
|
|
|
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
∫ |
|
∫ |
|
∫ |
|
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 = ∫(1− y |
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) |
|
|
|
|
|
|
|
|
( c− константа), |
||
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 x− некоторая 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, U′x = P(x, y, z) . Аналогично можно показать, что U′y = Q(x, y, z), U′z = R(x, y, z). Тогда a d r = Pdx + Qdy + Rdz =U′x dx +U′y dy +U′z 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 = U′x i +U′y j +U′z 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 = {U′x, U′y , U′z} тогда и только тогда, когда a d r = {U′x, U′y, U′z} {dx, dy, dz} = U′x dx +U′y dy +U′z 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