Для связи в whatsapp +905441085890

Криволинейные интегралы в математике с примерами решения и образцами выполнения

При изучении темы «Криволинейные интегралы» вы познакомитесь с понятиями криволинейных интегралов первого рода (по длине дуги) и второго рода (по координатам) от функций двух и трех переменных и научитесь вычислять их вдоль различных плоских и пространственных кривых, заданных параметрически, в декартовых и в полярных координатах, приводя криволинейные интегралы к определенным.

Криволинейные интегралы первого рода

Постановка задачи. Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — часть гладкой кривой, заданной параметрически

Криволинейные интегралы

и dl — дифференциал длины дуги.

План решения. Криволинейный интеграл первого рода по кривой L определяется формулой

Криволинейные интегралы

Подчеркнем, что криволинейный интеграл первого рода не зависит
от направления обхода кривой и всегда Криволинейные интегралы

1.Вычисляем Криволинейные интегралы и Криволинейные интегралы

2.Вычисляем криволинейный интеграл по формуле (1) и записываем ответ.

Замечание:

Если граничные точки кривой L Криволинейные интегралы и
Криволинейные интегралы заданы в декартовых координатах, то Криволинейные интегралыи Криволинейные интегралыопределяем, решая системы уравнений

Криволинейные интегралы

Замечание:

Если кривая задана как линия пересечения двух
поверхностей:

Криволинейные интегралы

то ее необходимо параметризовать.

Замечание:

Если плоская кривая задана уравнением у = у(х)
Криволинейные интегралы то дифференциал длины дуги равен Криволинейные интегралы и формула (1) имеет вид

Криволинейные интегралы

Если плоская кривая задана в полярных координатах Криволинейные интегралыКриволинейные интегралы уравнением Криволинейные интегралы то дифференциал длины дуги равен

Криволинейные интегралы

и формула (1) имеет вид

Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — первый виток винтовой линии

Криволинейные интегралы

Решение:

1.Вычисляем: x'(t) = — sin t, y'(t) = cos t, z'(t) = 1, Криволинейные интегралы и Криволинейные интегралы

2.Подставляем эти результаты в формулу (1) и вычисляем определенный интеграл:

Криволинейные интегралы

Ответ. Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — отрезок прямой от точки А(0, 0) до точки В(4, 3).

Решение:

1.В данном случае уравнение прямой есть Криволинейные интегралы и, следовательно, Криволинейные интегралы и Криволинейные интегралы

2.Подставляем эти результаты в формулу (1) и вычисляем определенный интеграл:

Криволинейные интегралы

Ответ. Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — часть спирали Архимеда Криволинейные интегралы

Решение:

1.Вычисляем: Криволинейные интегралы так как Криволинейные интегралы при Криволинейные интегралы

2.Подставляем эти результаты в формулу (1″) и вычисляем определенный интеграл:

Криволинейные интегралы

Ответ.Криволинейные интегралы

Криволинейные интегралы второго рода

Постановка задачи. Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — часть гладкой кривой, заданной параметрически

Криволинейные интегралы

План решения. Криволинейный интеграл второго рода по кривой L определяется формулой

Криволинейные интегралы

1.Вычисляем x'(t), y'(t) и z'(t).

2.Вычисляем криволинейный интеграл по формуле (1) и записываем ответ.

Замечание:

Если граничные точки кривой L Криволинейные интегралы и
Криволинейные интегралы заданы в декартовых координатах, то Криволинейные интегралы и Криволинейные интегралы определяем, решая системы уравнений

Криволинейные интегралы

Замечание:

Если кривая задана как линия пересечения двух
поверхностей:

Криволинейные интегралы

то ее необходимо параметризовать.

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

по части кривой L, заданной параметрически

Криволинейные интегралы

Решение:

1.Вычисляем: x'(t) = — 2sin t, y'(t) = 2cos t и Криволинейные интегралы

2.Вычисляем криволинейный интеграл по формуле (1):

Криволинейные интегралы

Ответ. Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

от точки М(2,0, 4) до точки N(—2,0,4) Криволинейные интегралы по кривой L, образованной пересечением параболоида Криволинейные интегралы и плоскости z = 4,

Решение:

В сечении получается окружность

Криволинейные интегралы

Поэтому параметрические уравнения кривой L имеют вид

Криволинейные интегралы

1.Вычисляем: х'(t) = -2sin t, у'(t) = 2cos t и z'(t) = 0.

Определяем Криволинейные интегралы из условий

Криволинейные интегралы

Учитывая, что Криволинейные интегралы получаем Криволинейные интегралы и Криволинейные интегралы

2.Вычисляем криволинейный интеграл по формуле (1):

Криволинейные интегралы

Ответ. Криволинейные интегралы

Дополнение к криволинейному интегралу

Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы
Криволинейные интегралы

Смотрите также:

Предмет высшая математика

Двойной интеграл Дальнейшие сведения из теории рядов
Тройной интеграл Координаты на плоскости

Решение криволинейных интегралов

Кривая АВ, заданная параметрическими уравнениями

Криволинейные интегралы

называется гладкой, если функции φ(t) и ψ(t) имеют на отрезке [tо, t1] непрерывные производные φ'(t) и ψ'(t), причем

Криволинейные интегралы

Если в конечном числе точек отрезка [tо, t1] эти производные не существуют или одновременно обращаются в нуль, то кривая называется кусочно-гладкой.

Пусть АВ — плоская кривая, гладкая или кусочно-гладкая. Пусть f(M) — функция, заданная на кривой АВ или в некоторой области D, содержащей эту кривую. Рассмотрим разбиение кривой АВ на части точками

Криволинейные интегралы

(рис. 1).

Криволинейные интегралы

Выберем на каждой из дуг AkAk+1 произвольную точку Мk и составим сумму

Криволинейные интегралы

где ∆lk — длина дуги AkAk+1 и назовем ее интегральной суммой для функции f(M) по длине дуги кривой. Пусть ∆l — наибольшая из длин частичных дуг, т.е.

Криволинейные интегралы

Определение:

Если при ∆l —► 0 интегральная сумма (1) имеет конечный предел, не зависящий ни от способа разбиения кривой АВ на части, ни от выбора точек на каждой из дуг разбиения, то этот предел называется криволинейным интегралом 1 -го рода от функции f(M) по кривой АВ (интеграл по длине дуги кривой) и обозначается символом

Криволинейные интегралы

или

Криволинейные интегралы

(точка М(х, у) лежит на кривой АВ).
В этом случае функция f(M) называется интегрируемой вдоль кривой АВ, кривая АВ называется контуром интегрирования, А — начальной, В — конечной точками интегрирования. Таким образом, по определению,
(2)

Криволинейные интегралы

Пример:

Пусть вдоль некоторой гладкой кривой L распределена масса с переменной линейной плотностью f(M). Найти массу т кривой L.

Разобьем кривую L на п произвольных частей MkMk+1 (k = 0,1,… , n —1) и вычислим приближенно массу каждой части, предполагая, что на каждой из частей MkMk+1 плотность постоянна и равна плотности в какой-нибудь из ее точек, например, в крайней левой точке f(Mk). Тогда сумма

Криволинейные интегралы

где ∆lk — длина k-ой части, будет приближенным значением массы т. Ясно, что погрешность будет тем меньше, чем мельче разбиение кривой L. В пределе при ∆l → 0 (Криволинейные интегралы) получим точное значение массы всей кривой L, т.е.

Криволинейные интегралы

Но предел справа есть криволинейный интеграл 1-го рода. Значит,

Криволинейные интегралы

Существование криволинейного интеграла 1-го рода

Примем на кривой АВ за параметр длину дуги I, отсчитываемую от начальной точки А (рис. 2). Тогда кривую АВ можно описать уравнениями
(3)

Криволинейные интегралы

где L — длина кривой АВ.

Криволинейные интегралы

Уравнения (3) называются натуральными уравнениями кривой АВ. При переходе к натуральным уравнениям функция f(x, у), заданная на кривой АВ, сведется к функции переменной l: f(x(l), y(l). Обозначив через lk (k = 0, 1,…, п — 1) значение параметра l, отвечающее точке Мk, перепишем интегральную сумму (1) в виде

Криволинейные интегралы

Это — интегральная сумма, отвечающая определенному интегралу

Криволинейные интегралы

Поскольку интегральные суммы (1) и (4) равны между собой, то равны и отвечающие им интегралы. Таким образом,
(5)

Криволинейные интегралы

Теорема:

Если функция f(M) непрерывна вдоль гладкой кривой АВ, то существует криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

(поскольку при этих условиях существует определенный интеграл, стоящий в равенстве (5) справа ).

Свойства криволинейных интегралов 1-го рода

1, Из вида интегральной суммы (1) следует, что

Криволинейные интегралы

т.е. величина криволинейного интеграла 1-го рода не зависит от направления интегрирования.

2. Линейность. Если для каждой из функций f(M) и д(М) существует криволинейный интеграл по кривой АВ, то для функции af(M) + βg{М), где а и β — любые постоянные, также существует криволинейный интеграл по кривой АВ, причем

Криволинейные интегралы

3. Аддитивность. Если кривая АВ состоит из двух кусков АС и С В и для функции f(М) существует криволинейный интеграл по AВ, то существуют интегралы

Криволинейные интегралы

причем

Криволинейные интегралы

4. Если f(M) ≥ 0 на кривой AB, то

Криволинейные интегралы

5. Если функция f(M) интегрируема на кривой АВ, то функция |f(М)| также интегрируема на АВ, и при этом

Криволинейные интегралы

6. Формула среднего значения. Если функция f(M) непрерывна вдоль кривой АВ, то на этой кривой найдется точка Мс такая, что

Криволинейные интегралы

где L — длина кривой AB.

Вычисление криволинейного интеграла 1-го рода

Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями

Криволинейные интегралы

причем точке А соответствует значение t = t0, а точке В — значение t = t1. Будем предполагать, что функции φ(t) и ψ(t) непрерывны на [to, t1] вместе со своими производными φ'(t) и ψ'(t) и выполнено неравенство

Криволинейные интегралы

Тогда дифференциал дуги кривой вычисляется по формуле

Криволинейные интегралы

и

Криволинейные интегралы

В частности, если кривая АВ задана явным уравнением

Криволинейные интегралы

причем функция g(х) непрерывно дифференцируема на [а, b] и точке А соответствует значение х = а, а точке В — значение х = b, то, принимая х за параметр, получаем

Криволинейные интегралы

Криволинейные интегралы 1-го рода для пространственных кривых

Определение криволинейного интеграла 1-го рода, сформулированное выше для плоской кривой, дословно переносится на случай, когда функция f(M) задана вдоль некоторой пространственной кривой АВ.

Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями

Криволинейные интегралы

Тогда криволинейный интеграл 1-го рода от функции f, взятый вдоль этой кривой, можно свести к определенному интегралу при помоши следующей формулы:

Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

где L — контур треугольника с вершинами в точках O(0,0), A(1,0), B(0, I) (рис. 3).

Криволинейные интегралы

По свойству аддитивности имеем

Криволинейные интегралы

Вычислим каждый из интегралов в отдельности. Так как на отрезке OA имеем: 0 ≤ x ≤ 1, у = 0 и dl = dx, то

Криволинейные интегралы

На отрезке АВ имеем х + у = 1, откуда у = 1 — х, т.е.

Криволинейные интегралы

причем 0 ≤ х ≤ 1, тогда

Криволинейные интегралы

Наконец,

Криволинейные интегралы

Следовательно,

Криволинейные интегралы

Замечание:

При вычислении интегралов

Криволинейные интегралы

мы воспользовались свойством 1, согласно которому

Криволинейные интегралы

Криволинейные интегралы 2-го рода

Пусть АВ — гладкая или кусочно-гладкая ориентированная кривая на плоскости хОу и пусть

F(M) = Р(М) i + Q(M) j

— вектор-функция, определенная в некоторой области D, содержащей кривую АВ. Разобьем кривую АВ на части точками

Криволинейные интегралы

координаты которых обозначим соответственно через

Криволинейные интегралы

(рис. 4).

Криволинейные интегралы

На каждой из элементарных дуг АkАk+1, возьмем произвольно точку Мk(ξk, ηk) и составим сумму

Криволинейные интегралы

где

Криволинейные интегралы

Пусть ∆l — длина наибольшей из дуг АkАk+1.

Определение:

Если при ∆l → 0 сумма (1) имеет конечный предел, не зависящий ни от способа разбиения кривой АВ. ни от выбора точек (ξk, ηk) на элементарных дугах, то этот предел называется криволинейным интегралом 2-го рода от вектор-функции F(M) по кривой АВ и обозначается символом

Криволинейные интегралы

Так что по определению (2)

Криволинейные интегралы

Теорема:

Если в некоторой области D, содержащей кривую АВ, функции Р(х,у) и Q(х, у) непрерывны, то криволинейный интеграл 2-го рода

Криволинейные интегралы

существует.
Пусть

r(М) = xi + yj

— радиус-вектор точки М(х, у). Тогда

dr = i dx + j dy,

и подынтегральное выражение

Р(х, у) dx + Q(x, у) dy

в формуле (2) можно представить в виде скалярного произведения векторов F(Af) и dr. Так что интеграл 2-го рода от вектор-функции

Криволинейные интегралы

по кривой АВ можно записать коротко так:

Криволинейные интегралы

Вычисление криволинейного интеграла 2-го рода

Пусть кривая АВ задана параметрическими уравнениями,

Криволинейные интегралы

где функции φ(t) и ψ(t) непрерывны вместе с производными φ'(t), ψ'(t) на отрезке [to, t1] причем изменению параметра t от to до t1 соответствует движение точки М(х, у) по кривой АВ от точки А к точке В.

Если в некоторой области D, содержащей кривую АВ, функции Р(х, у) и Q(x, у) непрерывны, то криволинейный интеграл 2-го рода

Криволинейные интегралы

сводится к следующему определенному интегралу:
(3)

Криволинейные интегралы

Таким образом, вычисление криволинейного интеграла 2-го рода также может быть сведено к вычислению определенного интеграла.

Пример:

Вычислить интеграл

Криволинейные интегралы

1) вдоль прямолинейного отрезка, соединяющего точки A(0,0) и В{1, 1);

2) вдоль параболы у = х , соединяющей те же точки (рис.5).

Криволинейные интегралы

1) Уравнение линии АВ: у = х (х — параметр, 0 ≤ х ≤ 1), откуда dy = dx. Так что

Криволинейные интегралы

2) Уравнение линии AB:

Криволинейные интегралы

Отсюда

dy = 2х dx,

поэтому

x dy = 2x2 dx

Криволинейные интегралы

Рассмотренный пример помазывает, что величина криволинейного интеграла 2-го рода, вообще говоря, зависит от формы пути интегрирования.

Свойства криволинейного интеграла 2-го рода

1. Линейность. Если существуют криволинейные интегралы

Криволинейные интегралы

то при любых действительных а и β существует и интеграл

Криволинейные интегралы

причем

Криволинейные интегралы

2. Аддитивность. Если кривая АВ разбита на части АС и С В и криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

существует, то существуют интегралы

Криволинейные интегралы

причем

Криволинейные интегралы

Криволинейный интеграл второго рода (в отличие от криволинейного интеграла 1-го рода) зависит от того, в каком направлении (от A к В или от В к А) проходится кривая АВ, и меняет знак при изменении направления движения по кривой, т. е.

Криволинейные интегралы

Замечание:

Последнее свойство cotrmrrayer физической интерпретации криволинейного интеграла 2-го рода как работы силового паля F вдоль некоторого путь: при изменении направления движения по кривой работа силового поля вдоль этой кривой меняет знак на противоположный.

Связь между криволинейными интегралами 1-го и 2-го рода

Рассмотрим криволинейный интеграл 2-го рода

Криволинейные интегралы

где ориентированная кривая АВ (А — начальная точка, В — конечная точка) задана векторным уравнением

r = r(l)

(здесь l — длина кривой, отсчитываемая в том направлении, в котором ориентирована кривая АВ) (рис. 6).

Криволинейные интегралы

Тогдa

Криволинейные интегралы

где т = т(l) — единичный вектор касательной к кривой АВ в точке М(l). Тогда

Криволинейные интегралы


Заметим, что последний интеграл в этой формуле — криволинейный интеграл 1-го рода. При изменении ориентации кривой АВ единичный вектор касательной т заменяется на противоположный вектор (—т), что влечет изменение знака его подынтегрального выражения и, значит, знака самого интеграла.

Формула Грина

Выведем формулу Грина, связывающую криволинейный интеграл

Криволинейные интегралы

по границе L некоторой плоской области D с двойным интегралом по этой области.

Теорема:

Если в замкнутой области D, ограниченной кусочно-гладким контуром L, функции Р(х, у) и Q{x, у) непрерывны и имеют непрерывные частные производные Криволинейные интегралыи Криволинейные интегралы то справедливо равенство (формула Грина):

Криволинейные интегралы

Здесь символ Криволинейные интегралыозначает интегрирование по границе L области D, причем граница L проходится так, что область D остается слева (рис. 7).

Криволинейные интегралы

Граница L плоской области D может состоять из одной или нескольких простых замкнутых кривых (компонент). В первом случае она называется односвязной, а во втором — многосвязной. Если граница L состоит из конечного числа кусочно-гладких замкнутых кривых Li, то кривые L, называются связными компонентами границы. На рис. 8 изображена трехсвязная область.

Криволинейные интегралы

Односвязная область D (область «без дырок») обладает тем свойством, что любая лежащая в ней замкнутая кривая может быть стянута в точку Р ∈ D, оставаясь в процессе стягивания в области D.
Доказательство теоремы проведем для односвязной области.

В силу свойства линейности достаточно доказать, что

Криволинейные интегралы

Докажем первую из этих формул.

Предположим сначала, что кривая L пересекается каждой прямой, параллельной оси Оу, не более чем в двух точках или по целому отрезку (рис. 9). Если каждая такая прямая пересекает кривую L не более чем в двух точках, то кривую L можно разбить на две части L1 и L2 (верхнюю и нижнюю), каждая из которых проектируется взаимно однозначно на некоторый отрезок [а, b] оси Ох. В силу аддитивности криволинейного интеграла имеем

Криволинейные интегралы

На каждой из кривых L1 и L2 возьмем в качестве параметра абсциссу х и запишем уравнения этих кривых соответственно в виде

Криволинейные интегралы

Тогда

Криволинейные интегралы

По предположению производная Криволинейные интегралы непрерывна в D, и значит, в силу известной формулы интегрального исчисления, приращение функции можно записать через интеграл от производной этой функции:

Криволинейные интегралы

Из формул (4) и (5) получаем

Криволинейные интегралы

Повторный интеграл в правой части последнего соотношения равен двойному интегралу от функции Криволинейные интегралы по области D, так что окончательно имеем

Криволинейные интегралы

Формула (2) доказана.

Соотношение (3) доказывается аналогично. Складывая почленно соотношения (2) и (3), получаем формулу Грина (1).

Криволинейные интегралы

Отметим, что формула Грина имеет место и для более сложных контуров L, и для неодносвязных областей D. Рассмотрим, например, случай двухсвязной области (рис. 10). Сделаем разрез АВ этой области, превращающий ее в односвязную. Тогда

Криволинейные интегралы

Отсюда, учитывая, что

Криволинейные интегралы

получим

Криволинейные интегралы

где интегрирование по кривой L1 ведется в направлении против движения часовой стрелки, а по кривой L2 — в направлении движения часовой стрелки. Отметим, что при этом кривые L1 и L2 проходятся так, что область D остается слева. Такое направление обхода контура принимается за положительное.

Площадь плоской области

Возьмем

Р(х, y) = -y и Q(x,y) = x.

Тогда

Криволинейные интегралы

и по формуле Грина (1) получаем

Криволинейные интегралы

где S — площадь области D.

Отсюда получаем формулу для вычисления площади S плоской области D с помощью криволинейного интеграла по границе L этой области: (7)

Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить площадь области, ограниченной эллипсом L:

Криволинейные интегралы

Запишем уравнение эллипса в параметрической форме

Криволинейные интегралы

Искомая площадь находится no формуле (7), где криволинейный интеграл берется по эллипсу при обходе контура в положительном направлении, что соответствует изменен ию параметра t от 0 до 2 π. Так как

Криволинейные интегралы

то отсюда получаем, что

Криволинейные интегралы

Замечание:

Пусть в пространстве задана ориентированная кусочно-гладкая кривая АВ и пусть, кроме того, в некоторой области Ω, содержащей кривую А В, задана вектор-функция

Криволинейные интегралы

где Р, Q, R — непрерывные в Ω функции. Аналогично плоскому случаю криволинейный интеграл от вектор-функции F по ориентированной кривой АВ определим выражением

Криволинейные интегралы

Это — криволинейный интеграл 2-го рода в пространстве.

Приложения криволинейных интегралов

Масса кривой

В примере 1 из § 1 было показано, что масса кривой L вычисляется с помощью интеграла 1-го рода

Криволинейные интегралы

где f(M) — переменная линейная плотность на кривой L. (Мы предполагаем, что f(М) — непрерывная функция на АВ.)

Площадь цилиндрической поверхности

Пусть в плоскости хОу задана некоторая спрямляемая (т. е. имеющая длину) кривая АВ и на этой кривой определена непрерывная функция f(М) ≥ 0. Тогда совокупность точек (х, y, f(x, у)), или (М, f(M)), составит некоторую кривую, лежащую на цилиндрической поверхности, для которой кривая АВ является направляющей, а ее образующая параллельна оси Oz. Требуется определить площадь цилиндрической поверхности ABDC, ограниченной снизу кривой АВ, сверху — кривой z = f(M), где М ∈ АВ, и вертикальными прямыми АС и BD (рис. 11).

Криволинейные интегралы

Для решения этой задачи поступим так:

1) разобьем кривую АВ на п частей точками

Криволинейные интегралы

так, как показано на рис. 11;

2) из каждой точки Мk проведем перпендикуляр к плоскости хОу высотой f(Mk) (при этом цилиндрическая поверхность ABDC разобьется на n полосок);

3) каждую полоску заменим прямоугольником с основанием ∆lk, где ∆lk — длина дуги МkМk+1, и высотой, равной значению функции f{M) в какой-нибудь точке этой дуги, например, в точке Мk.

Тогда площадь k-ой полоски будет приближенно равна f(Mk) ∆lk, а площадь всей поверхности ABDC

Криволинейные интегралы

Это приближенное равенство будет тем точнее, чем мельче будут частичные дуги МkМk+1, на которые разбита кривая АВ. Пусть ∆l — наибольшая из длин ∆lk частичных дуг MkMk+1. Тогда при ∆l —> 0 в пределе получим точное значение искомой площади

Криволинейные интегралы

Предел справа по определению есть криволинейный интеграл первого рода от функции f(М) по кривой АВ. Итак, (2)

Криволинейные интегралы

Пример:

Вычислить площадь части боковой поверхности цилиндра

Криволинейные интегралы

срезанного сверху поверхностью

ху = 2Rz.

Сведем задачу к вычислению криволинейного интеграла 1-го рода от функции

Криволинейные интегралы

вдоль дуги окружности, расположенной в первой четверти. Будем иметь

Криволинейные интегралы

Параметрические уравнения линии АВ —

Криволинейные интегралы

Тогда

Криволинейные интегралы

Площадь плоской фигуры

Ранее мы установили, что площадь S плоской фигуры D, ограниченной линией L, вычисляется по формуле

Криволинейные интегралы

Правая часть есть криволинейный интеграл 2-го рода.

Работа силы:

Пусть в некоторой плоской области D, содержащей кривую АВ, задана сила

F(M) = P(M)i + Q(M)J, (4)

где функции Р(М) и Q(M), а следовательно, и F(M) предполагаются непрерывными функциями точки М. Требуется найти работу силы F, если под действием этой силы материальная точка М, имеющая единичную массу, переместилась из точки А в точку В по кривой АВ.

Криволинейные интегралы

Для решения этой задачи разделим кривую АВ на п частей точками

Криволинейные интегралы

(рис. 12), заменим каждую дугу Криволинейные интегралыхордой MkMk+1 и, предполагая для простоты, что на участке Криволинейные интегралы кривой (а значит, и на хорде MkMk+1) сила Fk имеет постоянное значение, например, равное ее значению в точке Мk,

Криволинейные интегралы

получим приближенное выражение работы силы на участке пути Криволинейные интегралы:

Криволинейные интегралы

где |Fk| — длина вектора Fk, |∆lk| — длина вектора ∆lk

Криволинейные интегралы

Из формулы (4) с учетом (5) получим

Криволинейные интегралы

ИЛИ

Криволинейные интегралы

Так как правая часть формулы (6) есть скалярное произведение векторов Fk и ∆lk, то, учитывая (7) и (8), будем иметь

Криволинейные интегралы

Суммируя по всем значениям k(k = 0,1,2,…, п — 1), получим величину

Криволинейные интегралы

приближенно выражающую работу силы F(M) на всем пути от А до В.

Криволинейные интегралы

Предел этой суммы при ∆хk → 0 и ∆уk → 0 принимают за точное значение работы. Но с другой стороны, предел этой суммы есть криволинейный интеграл 2-го рода от вектор-функции F(M) по кривой АВ. Итак, работа силы вычисляется по формуле
(9)

Криволинейные интегралы

Пример:

Найти работу силы

Криволинейные интегралы

при перемещении единичной массы по параболе

Криволинейные интегралы

от точки A(1,0) до точки В(0,1) (рис. 13). 4 Применим формулу (9), положив в ней

Криволинейные интегралы

Так как

Криволинейные интегралы

то искомую работу можно вычислить так:

Криволинейные интегралы

Обобщение на случай пространственной кривой(рис. 14),

Криволинейные интегралы

Если в некоторой пространственной области Ω, содержащей пространственную кривую АВ, задана сила

F(M) = Р(М)i + Q(M)j + R(M)k,

где Р(М), Q(M) и R(M) — непрерывные функции в области Ω, то работа, совершаемая силой F(М) по перемещению материальной точки М с единичной массой из точки А в точку В по пространственной кривой АВ, равна

Криволинейные интегралы

Решение заданий и задач по предметам:

Дополнительные лекции по высшей математике:

  1. Тождественные преобразования алгебраических выражений
  2. Функции и графики
  3. Преобразования графиков функций
  4. Квадратная функция и её графики
  5. Алгебраические неравенства
  6. Неравенства
  7. Неравенства с переменными
  8. Прогрессии в математике
  9. Арифметическая прогрессия
  10. Геометрическая прогрессия
  11. Показатели в математике
  12. Логарифмы в математике
  13. Исследование уравнений
  14. Уравнения высших степеней
  15. Уравнения высших степеней с одним неизвестным
  16. Комплексные числа
  17. Непрерывная дробь (цепная дробь)
  18. Алгебраические уравнения
  19. Неопределенные уравнения
  20. Соединения
  21. Бином Ньютона
  22. Число е
  23. Непрерывные дроби
  24. Функция
  25. Исследование функций
  26. Предел
  27. Интеграл
  28. Двойной интеграл
  29. Тройной интеграл
  30. Интегрирование
  31. Неопределённый интеграл
  32. Определенный интеграл
  33. Поверхностные интегралы
  34. Несобственные интегралы
  35. Кратные интегралы
  36. Интегралы, зависящие от параметра
  37. Квадратный трехчлен
  38. Производная
  39. Применение производной к исследованию функций
  40. Приложения производной
  41. Дифференциал функции
  42. Дифференцирование в математике
  43. Формулы и правила дифференцирования
  44. Дифференциальное исчисление
  45. Дифференциальные уравнения
  46. Дифференциальные уравнения первого порядка
  47. Дифференциальные уравнения высших порядков
  48. Дифференциальные уравнения в частных производных
  49. Тригонометрические функции
  50. Тригонометрические уравнения и неравенства
  51. Показательная функция
  52. Показательные уравнения
  53. Обобщенная степень
  54. Взаимно обратные функции
  55. Логарифмическая функция
  56. Уравнения и неравенства
  57. Положительные и отрицательные числа
  58. Алгебраические выражения
  59. Иррациональные алгебраические выражения
  60. Преобразование алгебраических выражений
  61. Преобразование дробных алгебраических выражений
  62. Разложение многочленов на множители
  63. Многочлены от одного переменного
  64. Алгебраические дроби
  65. Пропорции
  66. Уравнения
  67. Системы уравнений
  68. Системы уравнений высших степеней
  69. Системы алгебраических уравнений
  70. Системы линейных уравнений
  71. Системы дифференциальных уравнений
  72. Арифметический квадратный корень
  73. Квадратные и кубические корни
  74. Извлечение квадратного корня
  75. Рациональные числа
  76. Иррациональные числа
  77. Арифметический корень
  78. Квадратные уравнения
  79. Иррациональные уравнения
  80. Последовательность
  81. Ряды сходящиеся и расходящиеся
  82. Тригонометрические функции произвольного угла
  83. Тригонометрические формулы
  84. Обратные тригонометрические функции
  85. Теорема Безу
  86. Математическая индукция
  87. Показатель степени
  88. Показательные функции и логарифмы
  89. Множество
  90. Множество действительных чисел
  91. Числовые множества
  92. Преобразование рациональных выражений
  93. Преобразование иррациональных выражений
  94. Геометрия
  95. Действительные числа
  96. Степени и корни
  97. Степень с рациональным показателем
  98. Тригонометрические функции угла
  99. Тригонометрические функции числового аргумента
  100. Тригонометрические выражения и их преобразования
  101. Преобразование тригонометрических выражений
  102. Комбинаторика
  103. Вычислительная математика
  104. Прямая линия на плоскости и ее уравнения
  105. Прямая и плоскость
  106. Линии и уравнения
  107. Прямая линия
  108. Уравнения прямой и плоскости в пространстве
  109. Кривые второго порядка
  110. Кривые и поверхности второго порядка
  111. Числовые ряды
  112. Степенные ряды
  113. Ряды Фурье
  114. Преобразование Фурье
  115. Функциональные ряды
  116. Функции многих переменных
  117. Метод координат
  118. Гармонический анализ
  119. Вещественные числа
  120. Предел последовательности
  121. Аналитическая геометрия
  122. Аналитическая геометрия на плоскости
  123. Аналитическая геометрия в пространстве
  124. Функции одной переменной
  125. Высшая алгебра
  126. Векторная алгебра
  127. Векторный анализ
  128. Векторы
  129. Скалярное произведение векторов
  130. Векторное произведение векторов
  131. Смешанное произведение векторов
  132. Операции над векторами
  133. Непрерывность функций
  134. Предел и непрерывность функций нескольких переменных
  135. Предел и непрерывность функции одной переменной
  136. Производные и дифференциалы функции одной переменной
  137. Частные производные и дифференцируемость функций нескольких переменных
  138. Дифференциальное исчисление функции одной переменной
  139. Матрицы
  140. Линейные и евклидовы пространства
  141. Линейные отображения
  142. Дифференциальные теоремы о среднем
  143. Теория устойчивости дифференциальных уравнений
  144. Функции комплексного переменного
  145. Преобразование Лапласа
  146. Теории поля
  147. Операционное исчисление
  148. Системы координат
  149. Рациональная функция
  150. Интегральное исчисление
  151. Интегральное исчисление функций одной переменной
  152. Дифференциальное исчисление функций нескольких переменных
  153. Отношение в математике
  154. Математическая логика
  155. Графы в математике
  156. Линейные пространства
  157. Первообразная и неопределенный интеграл
  158. Линейная функция
  159. Выпуклые множества точек
  160. Система координат