MatAnal2

23. Криволинейные интегралы	235

Зафиксируем теперь точку (ξ0, η0) G. В силу связности G, для любой точки (ξ, η) G найдется кусочно гладкая кривая γ G, начало которой в точке (ξ0, η0), а конец – в точке (ξ, η), причем для любой такой кривой

интеграл	γ	P dx + Q dy зависит лишь от точек (ξ0, η0) и (ξ, η). Таким
образом,	на G определена функция
	R

Z

U (ξ, η) = P (x, y) dx + Q(x, y) dy,

γ

где γ G – кусочно гладкая кривая, соединяющая точки (ξ0, η0) и (ξ, η). Покажем, что функция U (ξ, η) будет потенциалом нашего векторного по-

ля, т. е.

	∂U	(ξ, η) = P (ξ, η),	∂U	(ξ, η) = Q(ξ, η).
	∂ξ		∂η

Пусть (ξ, η) G и ξ таково, что отрезок I, соединяющий точки (ξ, η) и (ξ + ξ, η), содержится в G. Соединим точки (ξ0, η0) и (ξ, η) кривой γ G.

Тогда

1ξ [U (ξ + ξ, η) − U (ξ, η)] =

·Z Z ¸

= 1 P (x, y) dx + Q(x, y) dy − P (x, y) dx + Q(x, y) dy =

ξ γ I γ

= 1 Z P (x, y) dx + Q(x, y) dy = 1 Z ξ+Δξ P (x, η) dx = P (ξ + θ ξ, η), ξ I ξ ξ

где 0 ≤ θ ≤ 1. Последнее равенство справедливо в силу непрерывности функции P (x, y) и следует из теоремы о среднем значении для интеграла

Римана по отрезку [ξ, ξ +				ξ]. При	ξ → 0 правая часть стремится к
P (ξ, η). Поэтому существует
	∂U	(ξ, η) =	lim	U (ξ +	ξ, η) − U (ξ, η)	= P (ξ, η).
					ξ
	∂ξ		ξ→0

Аналогично доказываем, что

∂U

∂η

(ξ, η) = Q(ξ, η).

236 Четвертый семестр

Наконец, поскольку функции P (ξ, η) и Q(ξ, η) непрерывны в G, то функция U (ξ, η) непрерывно дифференцируема в G.

Замечание 1. В условии теоремы 1 не требуется, чтобы кривая

была контуром, т. е. эта кривая не обязана быть простой.

Замечание 2. При доказательстве достаточности было показано, что из равенства нулю криволинейного интеграла II рода вдоль любой замк-

нутой кривой следует, что интеграл не зависит от кривой, а только лишь от начальной и конечной ее точек. Обратное утверждение, очевидно, также имеет место, т. е. если интеграл не зависит от кривой, соединяющей начальную и конечную точки, то по замкнутой кривой он равен нулю.

Замечание 3. При доказательстве достаточности была построена такая функция U , что dU = P dx + Q dy, где заданные функции P (x, y) и

Q(x, y) удовлетворяют условию (23.3). Ясно, что задача нахождения этой функции U является двухмерным аналогом задачи нахождения первооб-

разной в одномерном случае. Напомним, что в одномерном случае было показано, что для любой непрерывной функции f ее первообразная F

может быть записана в виде интеграла с переменным верхним пределом

Z x

F (x) = f (t) dt.

a

Полученная нами формула

Z

U (ξ, η) = P (x, y) dx + Q(x, y) dy (γ : (ξ0, η0) → (ξ, η))

γ

является аналогом указанной выше формулы из одномерного случая для случая функции двух переменных. Следует, однако, отметить, что в пространстве R2 уже не для каждой пары непрерывных функций P и Q

найдется соответствующая функция U . Пример таких функций P и Q

приведем ниже. Мы доказали, что функция U существует, если функции

(P, Q) удовлетворяют условию (23.3).

Замечание 4. Можно показать, что условие (23.3) эквивалентно усло-

вию равенства нулю интеграла по любому кусочно гладкому контуру, т. е. можно рассматривать лишь простые кривые.

23. Криволинейные интегралы	237

Замечание 5. Теорема 1 не дает практических рекомендаций для выяснения вопроса о потенциальности поля (P, Q), так как на практике условие (23.3) проверяется трудно.

Следующая теорема в частном случае содержит условие, легко проверяемое с практической точки зрения.

Теорема 2. Пусть поле (P (x, y), Q(x, y)) непрерывно дифференцируемо в области G R2. Для того чтобы оно было потенциальным, необходимо, а если область G односвязна, то и достаточно, чтобы было

выполнено равенство

∂Q

∂P

((x, y) G).

(x, y) =

(x, y)

(23.4)

∂x

∂y

Доказательство. Необходимость. Пусть поле (P, Q) потенциаль-

ное, т. е. пусть существует такая функция U , что

∂U

∂U

P (x, y) =

(x, y), Q(x, y) =

(x, y) ((x, y) G).

∂x

∂y

Поскольку функции P и Q непрерывно дифференцируемы и

∂P

∂2U

∂Q

∂2U

(x, y) =

(x, y),

(x, y) =

(x, y),

∂x∂y

∂x

∂y∂x

∂y

то, в силу равенства смешанных производных функции U , которое следует из теоремы Шварца, получаем, что справедиво равенство (23.4).

Достаточность. Пусть область G односвязна. Возьмем произвольный кусочно гладкий контур G и обозначим через Ω область, огра-

ниченную этим контуром. Тогда, по формуле Грина, получим

Z P dx + Q dy = Z ZΩ µ	∂Q		−	∂P	¶ dxdy.
	∂x			∂y

Отсюда, в силу условия (23.4), следует, что по произвольному кусочно

гладкому контуру G справедливо равенство

Z

P dx + Q dy = 0.

238 Четвертый семестр

С учетом замечания 4, из этого равенства следует, что поле (P, Q) явля-

ется потенциальным.

В заключение рассмотрим пример, показывающий, что условие односвязности в теореме 2 нельзя отбросить. Этот же пример показывает,

что не для любых непрерывных (и даже непрерывно дифференцируемых)

функций P и Q существует такая функция U , что dU = P dx + Q dy.

Пример. Пусть P (x, y) = −

y

, Q(x, y) =

x

((x, y)

6= (0, 0)).

x2+y2

x2+y2

Функции P и Q удовлетворяют условию (23.4) в области G ≡ R2 \{(0, 0)},

так как

∂P

∂Q

y2 − x2

=

=

.

(x2 + y2)2

∂y

∂x

Вместе с тем поле (P, Q) не является потенциальным, так как в противном

случае было бы выполнено условие (23.3). Мы же покажем, что

P dx +

6

≤ ≤

Имеем

Q dy = 0, где

– окружность x = cos t, y = sin t (0

t

2π).

R

Z P dx + Q dy = Z0

2π [(− sin t)(− sin t) + cos t cos t] dt = 2π 6= 0.

Таким образом, в неодносвязной области G наше поле не является потенциальным. Вместе с тем так как условие (23.4) выполнено, то, в силу теоремы 2, наше поле потенциально в любой односвязной области G, не

содержащей начала координат.

24.Поверхностные интегралы

24.1Поверхности в трехмерном пространстве

24.1.1Простые и почти простые поверхности

Пусть множество E R2 замкнуто. Функция f (u, v) называется непрерывно дифференцируемой на E, если существует такое открытое множество G E, что f определена на G и имеет на G непрерывные частные

производные.

Пусть ограниченная область Ω R2, а функции ϕ(u, v), ψ(u, v), χ(u, v)

непрерывно дифференцируемые на замкнутой области Ω = Ω ∂Ω. Отображение F : Ω → R3

¡ ¢

F : x = ϕ(u, v), y = ψ(u, v), z = χ(u, v) (u, v) Ω

называется непрерывно дифференцируемым отображением замкнутой области Ω в пространство R3. Если при этом в каждой точке (u, v) Ω ранг

матрицы

∂ϕ∂u (u, v)	∂ψ∂u (u, v)	∂χ∂u (u, v)
∂ϕ∂v (u, v)	∂ψ∂v (u, v)	∂χ∂v (u, v)

равен 2, то отображение F называется гладким.

Пусть отображение F : Ω → R3 гладкое. Если это отображение мно-

жества		R2 на множество Σ = F
	Ω						Ω взаимно однозначное, то множе-
ство Σ		R3	называют простой		поверхностью в R3. При этом уравнения
						¡ ¢
x = ϕ(u, v), y = ψ(u, v), z = χ(u, v)							(u, v) Ω			называют параметриче-
скими уравнениями простой				поверхности Σ.						¢
						¡

Если γ = ∂Ω – кусочно гладкая кривая, то образ этой кривой при гладком отображении F : Ω → R3 называют краем простой поверхности

239

240	Четвертый семестр

Σ и обозначают ∂Σ, т. е. ∂Σ = F (∂Ω). Если γ : u = u(t), v = v(t)

(α ≤ t ≤ β), то

∂Σ : x = ϕ(u(t), v(t)), y = ψ(u(t), v(t)), z = χ(u(t), v(t)) (α ≤ t ≤ β),

т. е. ∂Σ – кривая в R3.

Если функция f (x, y) непрерывно дифференцируема на замкнутой области Ω R2, то ее график {(x, y, z) : z = f (x, y)} является простой по-

верхностью, определяемой параметрическими уравнениями x = u, y = v,

¡ ¢

z = f (u, v) (u, v) Ω . Действительно, в этом случае матрица

	∂x	∂y	∂z		=		1	0	∂f
	∂u	∂u	∂u						∂u
							0	1
	∂x	∂y	∂z						∂f
	∂v	∂v	∂v						∂v

имеет ранг, равный 2.

В векторной форме уравнение простой поверхности можно записать в

следующем виде:	¡(u, v) Ω¢ ,
r = r(u, v)

где

r(u, v) = ϕ(u, v) · i + ψ(u, v) · j + χ(u, v) · k,

а i, j, k – единичные векторы в R3, т. е. i = (1, 0, 0), j = (0, 1, 0), k = (0, 0, 1).

Пусть область Ω R2, F : Ω → R3 – непрерывно дифференцируемое

¡ ¢

отображение. Множество Σ = F Ω называется почти простой поверх-

ностью в R3, если найдется расширяющая последовательность областей

¡ ¢

{Ωn}, таких, что Ωn Ωn+1, Ω = ∞n=1Ωn и поверхности Σn = F Ωn простые. Например, сфера SR = ©(x, y, z) : x2 + y2 + z2 = R2ª не являет-

ся простой поверхностью, но она – почти простая поверхность. В самом деле, SR является образом прямоугольника

Ω = n(ϕ, ψ) : 0 ≤ ϕ ≤ 2π, −π2 ≤ ψ ≤ π2 o

при непрерывно дифференцируемом отображении

F : x = R cos ϕ cos ψ, y = R sin ϕ cos ψ, z = R sin ψ,

24. Поверхностные интегралы	241

но это отображение F : Ω → SR не является взаимно однозначным, так как образы отрезков ϕ = 0 и ϕ = 2π совпадают, а отрезки ψ = ±π2

переходят в точки. В качестве Ωn можно взять

1

1

π

1

π

1

Ωn = ½(ϕ, ψ) :

< ϕ < 2π −

, −

+

< ψ <

−

¾ .

n

n

2

n

2

n

Если Σ – простая поверхность, заданная уравнением

r = r(u, v) = ϕ(u, v) · i + ψ(u, v) · j + χ(u, v) · k

¡(u, v)

¢ ,

Ω

а функции u = u (u0, v0), v = v (u0, v0) (u0, v0) Ω0 непрерывно дифференцируемые и взаимно однозначно отображают Ω0 на Ω, причем якобиан

¯

∂u

∂u

¯

³

´

0

0

∂(u, v)

=

¯

∂u0

∂v0

¯

= 0

(u0, v0)

Ω

0

,

∂u

∂v

¯

¯

¯

¯

∂ (u0, v0)

¯

∂v

∂v

¯ 6

¯

¯

то уравнение

¯

¯

³ ´

ρ = r (u (u0, v0) , v (u0, v0)) = ρ (u0, v0) (u0, v0) Ω0

определяет ту же самую поверхность Σ. В этом случае говорят, что уравнения r = r(u, v) и ρ = ρ (u0, v0) являются двумя различными параметрическими представлениями поверхности Σ (или двумя различными параметризациями поверхности Σ).

	Предположим, что простая поверхность Σ задана уравнением r =
то	¡			¢	0	0	≤		≤	0
r(u, v)		(u, v) Ω , где				Ω – выпуклая область. Если зафиксировать u = u0,
	уравнение r = r (u , v) (α (u )							v		β (u )) определяет кривую, лежа-

щую на поверхности Σ. Ясно, что вектор-функция r = r (u0, v) является непрерывно дифференцируемой функцией переменной v, т. е. полученная кривая – гладкая. Поэтому у этой кривой в каждой точке v0 имеется

касательный вектор, который, как известно, может быть вычислен следующим образом:

rv (u0, v0) = µ

∂ϕ

(u0, v0) ,

∂ψ

(u0, v0) ,

∂χ

(u0, v0)¶ .

∂v

∂v

∂v

Аналогично, вектор

(u0, v0)¶

∂ϕ

∂ψ

∂χ

ru (u0, v0) = µ

(u0, v0) ,

(u0, v0) ,

∂u

∂u

∂u

242 Четвертый семестр

является касательным в точке (ϕ (u0, v0) , ψ (u0, v0) , χ (u0, v0)) = r (u0, v0) к кривой r (u, v0). Таким образом, в каждой точке r (u0, v0) поверхности

Σ определена пара касательных векторов ru (u0, v0) и rv (u0, v0) к кривым r (u, v0) и r (u0, v), соответственно, причем оба эти векторы ненулевые. В

самом деле, если хотя бы один из этих векторов нулевой, то ранг рассмотренной выше матрицы не может равняться 2.

В более общем случае, когда область Ω не является выпуклой, а точка

(u0, v0) Ω, то выбирают выпуклую окрестность точки (u0, v0) (например, круг с центром в точке (u0, v0)) и на куске поверхности Σ в точке r (u0, v0) строят векторы ru (u0, v0) и rv (u0, v0).

Построенные векторы ru и rv позволяют строить касательную плоскость к поверхности Σ в заданной точке r (u0, v0). В самом деле, если покажем, что векторы ru (u0, v0) и rv (u0, v0) неколлинеарны, то учиты-

вая, что они ненулевые, получим, что они определяют некоторую плоскость. Тогда параллельную плоскость, проходящую через точку r (u0, v0), называют касательной плоскостью к поверхности Σ в точке r (u0, v0).

Чтобы убедиться в том, что векторы ru и rv неколлинеарны, доста-

точно показать, что их векторное произведение отлично от нуля. Имеем

∂ϕ

∂ψ

∂χ

∂ϕ

∂ψ

∂χ

N ≡ [ru, rv] = ·

· i +

· j +

· k,

· i +

· j +

· k¸ =

∂u

∂u

∂u

∂v

∂v

∂v

= µ

∂ψ ∂χ

−

∂χ ∂ψ

¶ · i + µ

∂χ ∂ϕ

−

∂ϕ ∂χ

¶ · j + µ

∂ϕ ∂ψ

−

∂ψ ∂ϕ

¶ · k =

∂u ∂v

∂u ∂v

∂u ∂v

∂u ∂v

∂u ∂v

∂u ∂v

	¯	∂ψ	∂χ	¯ ·		¯	∂χ	∂ϕ
	¯	∂ψ	∂χ	¯		¯	∂χ	∂ϕ
=	¯	∂u	∂u	¯	i +	¯	∂u	∂u
	¯			¯		¯
	¯			¯		¯
	¯	∂v	∂v	¯		¯	∂v	∂v
	¯			¯		¯

¯¯

¯¯

¯¯

¯¯

¯· j + ¯

¯¯

¯¯

∂ϕ ∂ψ ∂u ∂u

∂ϕ ∂ψ ∂v ∂v

¯

¯

¯

¯

¯ · k.

¯

¯

Поскольку ранг матрицы равен 2, то вектор N 6= 0, и поэтому векторы ru и rv неколлинеарны. Как известно из курса аналитической геометрии, вектор N = [ru, rv] ортогонален к векторам ru и rv. Этот вектор N называют вектором нормали к поверхности Σ в точке r (u0, v0). Ясно, что и вектор −N = − [ru, rv] также будет вектором нормали к поверхности Σ в

точке r (u0, v0), противоположно направленным к вектору N .

24. Поверхностные интегралы	243

Данное определение нормали на первый взгляд связано с параметрическим представлением r = r(u, v) поверхности Σ. Покажем, что переходя к другому параметрическому представлению ρ (u0, v0), получим вектор нормали N 0, коллинеарный вектору N . Это и будет означать, что вектор

нормали не зависит от параметризации. Имеем

N 0 ≡ [ρu0, ρv0] = ·ru ·

∂u

∂v

∂u

∂v

+ rv ·

, ru ·

+ rv ·

¸ =

∂u0

∂u0

∂v0

∂v0

∂u

∂v

= [ru, rv] ∂(u, v) .

= [ru, rv]

∂u ∂v

∂v ∂u

= [ru, rv]

∂u0

∂u0

µ∂u0 ∂v0 − ∂u0 ∂v0 ¶

∂ (u0, v0)

∂u

∂v

∂v0

∂v0

Таким образом, N 0

=

∂(u,v)

·

N . Но поскольку

∂(u,v)

= 0, то получи-

0

,v

0

)

0

0

)

ли, что векторы N 0

∂(u

∂(u

,v

6

и N коллинеарны, причем они сонаправленные, если

∂(u,v)

∂(u,v)

> 0, и противоположно направленные, если

< 0.

∂(u0,v0)

∂(u0,v0)

24.1.2Ориентируемые поверхности

Говорят, что гладкая поверхность Σ ориентируема, если на этой поверх-

ности можно построить непрерывное поле единичных нормальных векторов. В этом случае это поле единичных нормалей определяет ориентацию (или сторону) поверхности. Если построено непрерывное поле единичных нормалей, то меняя направление всех нормальных векторов на противоположное, получаем еще одно непрерывное поле единичных нормальных векторов. Говорят, что это поле определяет противоположную, или другую сторону поверхности.

Если гладкая поверхность простая, то на ней всегда определено непре-

рывное поле единичных нормалей n = [ru,rv ] . Произвольная гладкая по-

|[ru,rv ]|

верхность может оказаться неориентируемой, например, лист Мебиуса. Можно доказать, что если гладкая поверхность является границей об-

ласти в R3, то она ориентируема. Ее внутренняя сторона задается полем

внутренних нормалей (т. е. направленных внутрь области), а противоположная сторона задается полем внешних нормалей, т. е. направленных во внешнюю область.

244	Четвертый семестр

Границу области G, ориентированную внешними нормалями, будем обозначать через ∂G, а ориентированную внутренними нормалями – через ∂G−. Если поверхность не является границей замкнутой области, то будем говорить, что ориентация простой поверхности Σ, задаваемая по-

лем единичных нормалей n = [ru,rv ] , согласована с положительной ори-

|[ru,rv ]|

ентацией простых контуров, лежащих на поверхности Σ.

Вобщем случае будем рассматривать кусочно гладкие поверхности,

т.е. такие непрерывные поверхности, которые можно разбить на конечное число гладких поверхностей. Мы не будем формулировать точных определений, а понимаем это на интуитивном уровне.

24.1.3 Площадь поверхности

Пусть простая поверхность задана уравнением

r = r(u, v) = (ϕ(u, v), ψ(u, v), χ(u, v)) ((u, v) Ω).

Зафиксируем (u0, v0) Ω, зададим приращение u и	v для u0 и v0, со-
ответственно, так, чтобы прямоугольник I ≡ [u0, u0 +	u; v0, v0 + v]

Ω. Образом этого прямоугольника при отображении r = r(u, v) будет

криволинейный параллелограмм на данной поверхности. Пара векторов

ru (u0, v0) · u и rv (u0, v0) · v будут касательными векторами к сторонам

этого криволинейного параллелограмма. Покажем, что длины сторон этого криволинейного параллелограмма с точностью до o(Δu) и o(Δv) равны

длинам векторов ru (u0, v0) · u и rv (u0, v0) · v, соответственно. В самом деле, если зафиксировано v = v0, то образ отрезка [u0, u0 + u] – гладкая кривая в R3, задаваемая уравнением r = r (u, v0) (u0 ≤ u ≤ u0 + u).

Длина этой кривой равна

u0+Δu

s·

∂ϕ

2

+ ·

∂ψ

2

+ ·

∂χ

2

Zu0

(u, v0)¸

(u, v0)¸

(u, v0)¸ du =

∂u

∂u

∂u

u

+Δu

= Zu0 0

|ru (u, v0)| du = |ru (u0 + θ u, v0)|·

u = |ru (u0, v0)|· u+

(Δu),

o