Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
билеты 19-24.docx
Скачиваний:
4
Добавлен:
24.09.2019
Размер:
186.93 Кб
Скачать

Билет 19 поверхностный интеграл.

Пусть в каждой точке гладкой ориентированной простой поверхности σ определена векторная функция:

(M) = P(M) + Q(M) + R(M) с непрерывными проекциями P, Q, R.

Разобьём поверхность σ произвольным образом на элементарные части ∆σ1, ∆σ2,…∆σn с диаметрами: d1, d2, …dn. Наибольший из диаметров обозначим через dM. На каждом элементе возьмем произвольную точку MK и составим интегральные суммы вида: (1)

0(Mk)-единичный вектор нормали к поверхности в точке Мk.

Обозначим через αk, βk и γk углы, образуемые вектором 0(Mk) с осями координат (направляющие углы). Тогда:

0(Mk) = cos αk + cos βk + cos γk и

( (Mk), 0 (Mk)) =

=P(Mk) cos αk + Q(Mk) cos βk + R(Mk) cos γk

Интегральная сумма (1) распадается на три однотипные суммы:

Jn = [P(Mk) cos αk +Q(Mk) cos βk +R(Mk) cos γk ]∆σK =

= JnI + JnII + JnIII . (2)

Если существует предел интегральных сумм (1) при dM0, не зависящий ни от способа разбиения поверхности на части, ни от выбора промежуточных точек МК, то он называется поверхностным интегралом второго рода от векторной функции = {P, Q, R,} по выбранной стороне поверхности.

Обозначается:

( (Mk), (Mk))∆σk =

= ( (MK), (MK))∆σK (3)

или [P(хk, yk, zk) cos αk + Q(хk, yk, zk ) cos βk +

+ R(хk, yk, zk ) cos γk] = [P(хk, yk, zk) cos αk +

+ Q(хk, yk, zk ) cos βk + R(хk, yk, zk ) cos γk] (4)

Свойства поверхностных интегралов:

1. Из определения поверхностного интеграла следует, что если изменить ориентацию поверхности, то + заменится на -, а т.к. + = - , то и поверхностный интеграл изменит знак на противоположный;

( , +) = - ( , )

2. Если поверхность σ разбить на части σ1 и σ1, то:

( , ) = ( , ) + ( , )

Остальные свойства поверхностных интегралов также совершенно аналогичны свойствам всех интегралов.

Замечание 1: Поверхность σ может быть замкнутой. В этом случае, обычно выбирают внешнее направление нормали, а интеграл обозначается;

( , )

Замечание 2: Так как cosγ dσ = dxdy, cosβ = dxdz, cosγdσ = dydz – проекции элемента поверхности на соответствующие координатные плоскости, то (4) можно записать в виде:

( (M), (M)) = (Pdydz + Qdxdz + Rdxdy) (5)

(проекции положительны, если углы α, β, γ – острые, если они тупые, то проекции отрицательны).

Поверхностный интеграл (4) или (5) можно рассматривать как сумму трёх соответствующих простых интегралов от функций P, Q, R:

[Pcosα + Qcosβ + Rcosγ] =

= Pcosαdσ + Qcosβdσ + Rcosγdσ (6)

Обозначим: Pcosαdσ = J1, Qcosβdσ = J2,

Rcosγdσ = J3

Каждый из интегралов в правой части является пределом своей

частной интегральной суммы в (2).

Пусть, например, поверхность σ такая, что каждая прямая параллельная оси Oz пересекает ее только в одной точке. Тогда её уравнение можно записать в виде: z = ƒ(x,y), где (x,y)  D1, а D1, – проекция поверхности σ на плоскости Oxy. Тогда:

J3 = R(x, y, z)cosγdσ =

= R(xk,yk,zk) cosγkΔσk

= R(xk,yk,zk Sxy(k) =

= ± R[xk,yk, ƒ(xk,yk )]| Sxy(k)) | ;

Так как zk = ƒ(xk,yk ) и Δ Sxy(k)=cosγk Δσk

Знак (-) берут тогда, когда угол γk тупой (cosγk<0)( нормаль к поверхности с осью Оz образует тупой угол), а знак (+) когда этот угол острый (cosγk>0).

dM - максимальный диаметр частичных областей ∆σ1, ∆σ2…∆σn поверхности σ, а d'M - максимальный диаметр частичных областей с площадями ΔS1, ΔS2,…ΔSn области D1 на плоскости Оху. Если d'M→0, то и dM→0 (поверхность гладкая).

Полученная сумма является интегральной для двойного интеграла от функции двух переменных R[x,y, ƒ(x,y )]по области D1. Таким образом,

Поверхностный интеграл выражен через двойной. Для вычисления интеграла J2 надо уравнение поверхности σ разрешить относительно y: y = φ(х, z), а поверхность σ проектировать на плоскость Охz (обл D2):

А для вычисления интеграла J3 уравнение поверхности представляем в виде x = ψ(y, z), а поверхность проектируем на плоскость Oyz (обл. D3):

Знаки (+) берут если углы β и α острые, если тупые то берут (-).

Замечание1: интеграл (6) можно свести к двойному, выразив направляющие косинусы и с помощью уравнения поверхности.

Замечание 2. Если поверхность σ не является простой или гладкой, то её разбивают на участки, являющиеся простыми и гладкими.