Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский государственный индустриальный университет» Кафедра высшей математики Вычисление и приложения криволинейного интеграла Методические указания для практических занятий Новокузнецк 2014 УДК 517.3(07) В 949 Рецензент доктор физико-математических наук, доцент кафедры физики имени профессора В.М. Финкеля СибГИУ Коваленко В.В. В 949 Вычисление и приложения криволинейного интеграла: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. Е.В. Сараханова. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2014. – 20 с. Изложена краткая теория, рассмотрены примеры вычисления криволинейных интегралов I и II рода и примеры их приложения, приведены задания для самостоятельного решения. Предназначены для студентов всех специальностей и направлений подготовки. Печатается по решению Совета Института фундаментального образования 2 Теоретические сведения Обобщением определенного интеграла на случай, когда область интегрирования есть некоторая кривая, является так называемый криволинейный интеграл. 1. Определение и свойства криволинейного интеграла I рода Пусть на плоскости Oxy задана непрерывная кривая AB (или L ) длины l . Рассмотрим непрерывную функцию f x; y , определенную в точках дуги AB . Разобьем кривую AB точками M 0 A , M 1 , M 2 ,…, M n B на n произвольных дуг M i 1M i с длинами li (см. рисунок 1). Составим интегральную сумму для функции f x; y по n кривой AB f xˆi ; yˆi li , где xˆi ; yˆi - произвольная точка на дуге i 1 M i 1M i . Рисунок 1 – Кривая интегрирования Если предел интегральной суммы существует при неограниченном увеличении числа n таким образом, что каждая дуга M i 1M i стягивается в точку (т.е. длина дуги li 0 ), то его называют криволинейным интегралом от функции f x; y по длине кривой AB (или I рода) и обозначают f x; y dl AB n lim f xˆi ; yˆi li . n i 1 max li 0 3 Аналогичным образом вводится понятие криволинейного интеграла от функции f x; y; z по пространственной кривой L . Свойства криволинейного интеграла I рода: 1. f x; y dl f x; y dl , т.е. криволинейный интеграл I рода AB BA не зависит от направления пути интегрирования. 2. c f x; y dl c f x; y dl , c const . L L 3. f1 x; y f 2 x; y dl f1 x; y dl f 2 x; y dl . L L L 4. f x; y dl f x; y dl f x; y dl , если путь интегрирования L L1 L2 L разбить на части L1 и L2 такие, что L L1 L2 и L1 и L2 имеют единственную общую точку. 5. Если для точек кривой L выполняется неравенство f x; y x; y , то f x; y dl x; y dl . L 6. dl AB L n lim li l , где l - длина кривой AB . n i 1 max li 0 7. Теорема о среднем значении: если функция f x; y непрерывна на кривой AB , то на этой кривой найдется такая точка xс ; yс , что f x; y dl f xс ; yс l , где f xс ; yс - среднее значение AB функции на кривой AB . 2. Вычисление криволинейного интеграла I рода Вычисление криволинейного интеграла I рода может быть сведено к вычислению определенного интеграла. Приведем правила вычисления в случаях, если кривая L задана параметрическим, полярным и явным образом. Параметрическое представление кривой интегрирования Если кривая AB задана параметрическими уравнениями x xt , y yt , t ; , где xt и yt – непрерывно дифференцируемые функции параметра t , причем координаты точек Ax ; y и Bx ; y , то 4 2 2 f x; y dl f xt ; yt xt yt dt . (1) AB Аналогичная формула имеет место для криволинейного интеграла от функции f x; y; z по пространственной кривой AB , задаваемой уравнениями x xt , y yt , z z t , t : 2 2 2 f x; y; z dl f xt ; yt ; z t xt yt zt dt . (2) AB Явное представление кривой интегрирования Если кривая AB задана уравнением y yx , x a; b, где y x – непрерывно дифференцируемая функция, то дифференциал дуги кривой dl 1 yx 2 dx и b 2 f x; y dl f x; yx 1 yx dx . AB (3) a Пример. Вычислить xy2 dl , где L - отрезок прямой между точками O0;0 и A4;3 . L Решение: Уравнение прямой OA Согласно формуле (3), получим: 4 2 2 4 есть y 3 x, 4 0 x 4. 4 4 2 3 xy dl x 4 x 1 4 dx 64 x dx 64 4 45 . L 0 0 0 3 3 45 45 x Полярное представление кривой интегрирования Если плоская кривая L задана уравнением r r , в полярных координатах, то дифференциал дуги кривой dl r 2 r 2 d и 2 2 f x; y dl f r cos ; r sin r r d . L (4) Пример. Вычислить x y dl , где L - лепесток лемнискаты L r sin 2 , расположенной в I координатном углу (см. рисунок 2). 5 Рисунок 2 – Лепесток лемнискаты Решение: Воспользуемся формулой (4). Так как 2 2 cos 2 sin 2 2 cos 2 2 d d d , dl sin 2 d sin 2 r 2 sin 2 sin 2 то, заметив, что 0 2 , получим: d 2 x y dl r cos r sin r cos sin d 2 . L 0 0 2 3. Приложения криволинейного интеграла I рода Криволинейный интеграл I рода приложения в математике и механике. имеет разнообразные Длина кривой Длина l кривой AB плоской или пространственной линии вычисляется по формуле l dl . AB Площадь цилиндрической поверхности Если направляющей цилиндрической поверхности служит кривая AB , лежащая в плоскости Oxy , а образующая параллельна оси Oz (см. рисунок 3), то площадь поверхности, задаваемой функцией z f ( x; y) , находится по формуле Q f ( x; y )dl . AB Масса кривой Масса материальной кривой AB (провод, цепь, трос, …) определяется формулой m ( M )dl , где (M ) ( x; y) AB плотность кривой в точке M. 6 Рисунок 3 – Цилиндрическая система координат Статические моменты, центр тяжести Статические моменты относительно осей Ox и Oy и координаты центра тяжести материальной кривой AB определяются по формулам S x y ( x; y )dl , S y x ( x; y )dl , xc AB AB Sy m , yc Sx m Моменты инерции Для материальной кривой AB моменты I x , I y , I O инерции относительно осей Ox , Oy и начала координат соответственно равны: I x y 2 ( x; y )dl , I y x 2 ( x; y )dl , I O ( x 2 y 2 ) ( x; y)dl . AB AB AB Пример. Найти центр тяжести полуокружности x 2 y 2 R 2 , лежащей в верхней полуплоскости. Плотность считать равной единице в каждой точке кривой ( 1). Решение: Из соображений симметрии ясно, что центр тяжести находится на оси Oy (см. рисунок 4). Поэтому xc 0 . Ординату S центра тяжести найдем по формуле yc x , где m dl l R m AB длина полуокружности. Для вычисления S x y dl ydl AB воспользуемся параметрическими x R cos t , y R sin t , 0 t . Имеем: уравнениями AB окружности 2 y dl R sin t R sin t R cos t dt R sin t dt 2 R . AB 2 2 2 0 2 2 0 7 Рисунок 4 – Полуокружность 2R 2 2R 2R Следовательно, yc . Итак, xc 0 , yc . R Задания для самостоятельного решения 1) Вычислить x y dl , где L - отрезок прямой от O0;0 до A4;3 . L dl , где L - отрезок прямой от A0;2 до B4;0 . x y L ydl 3) Вычислить , где AB - дуга полукубической параболы x AB 2) Вычислить 32 2 4 3 . x от A 3;2 3 до B 8; 9 3 4) Вычислить xydl , где L - контур прямоугольника с вершинами y2 L A0;0 , B4;0 , С 4;2 , D0;2 . n 5) Вычислить x 2 y 2 dl , где L - окружность x a cos t , y a sin t . L 6) Вычислить 2 y dl , где L - первая арка циклоиды x at sin t , y a1 cos t . L 7) Вычислить x 2 y 2 dl , где L - окружность x 2 y 2 ax . L 8) Вычислить dl , где L - первый виток винтовой линии 2 2 2 x y z L окружность x a cos t , y a sin t , z bt . 8 y dl , где L - спираль Архимеда r 2 , x L заключенная внутри круга радиуса R с центром в начале координат. 10) Вычислить массу дуги окружности x cos t , y sin t ( 0 t ), если линейная плотность ее в точке x; y равна у . 11) Найти координаты центра тяжести однородной дуги кривой x et cos t , y et sin t , z et ( t 0 ). 12) Найти координаты центра тяжести однородной дуги кривой y ch x ( 0 x ln 2 ). 9) Вычислить arctg t3 13) Вычислить длину дуги x t , y t 2 2 ( 0 t 3 ), 3 14) Вычислить длину всей кривой r a sin 3 площадь части . 3 цилиндрической поверхности x2 2 2 2 x y R между плоскостью Oxy и поверхностью z R . R 15) Вычислить 4. Определение и свойства криволинейного интеграла II рода Решение задачи о вычислении работы переменной силы при перемещении материальной точки вдоль некоторой кривой приводит к понятию криволинейного интеграла II рода. Пусть на плоскости Oxy задана непрерывная кривая AB (или L ) и непрерывная функция P x; y , определенная в каждой точке кривой. Разобьем кривую AB точками M 0 A , M 1 , M 2 ,…, M n B в направлении от точки A к точке B на n дуг M i 1M i с длинами li . На каждой дуге M i 1M i возьмем произвольную точку xˆi ; yˆi . Составим интегральную сумму для функции P x; y по переменной x : n P xˆi ; yˆi xi , где xi xi xi 1 - проекция дуги M i 1M i на ось Ox i 1 (см. рисунок 5). 9 Рисунок 5 – Кривая интегрирования Если существует конечный предел интегральной суммы при неограниченном увеличении числа n таким образом, что каждая дуга M i 1M i стягивается в точку (т.е. длина дуги li 0 ), то его называют криволинейным интегралом по координате x (или II рода) от функции P x; y по кривой AB и обозначают Px; y dx AB n Pxˆi ; yˆi xi . lim n i 1 max li 0 Аналогично вводится криволинейный интеграл Q x; y по координате y : Qx; y dy AB от функции n Qxˆi ; yˆi yi , lim n i 1 max li 0 где yi yi yi 1 - проекция дуги M i 1M i на ось Oy . Криволинейный интеграл II рода общего вида имеет вид Px; y dx Qx; y dy Px; y dx Qx; y dy . AB AB AB Криволинейный интеграл P x; y; z dx Q x; y; z dy R x; y; z dz AB по пространственной кривой L определяется аналогично. Свойства криволинейного интеграла II рода: 1. При изменении направления пути криволинейный интеграл II рода изменяет противоположный, т.е. . AB интегрирования свой знак на BA 2. Если кривая AB точкой C разбита на части AC и BC , то интеграл по всей кривой равен сумме интегралов по ее частям, т.е. 10 . AB AC CB 3. Если кривая AB лежит в плоскости, перпендикулярной оси Ox , то Px; y dx 0 (все xi 0 ); AB аналогично для кривой, лежащей в плоскости, перпендикулярной оси Oy : Qx; y dy 0 (все yi 0 ). AB 4. Криволинейный интеграл по замкнутой кривой не зависит от выбора начальной точки (зависит только от направления обхода кривой), т.е. (см. рисунок 6). AmCnA AmC CnA CnA AmC CnAmC Рисунок 6 – Замкнутая кривая 5. Вычисление криволинейного интеграла II рода Вычисление криволинейного интеграла II рода, как и I рода, может быть сведено к вычислению определенного интеграла. Параметрическое представление кривой интегрирования Пусть кривая AB задана параметрическими уравнениями x xt , y yt , где функции xt , yt и их производные xt , yt – непрерывны на отрезке ; , причем координаты точек Ax ; y и Bx ; y . И пусть функции P x; y и Q x; y непрерывна на кривой AB . Тогда Px; y dx Pxt ; yt xt dt и Qx; y dx Qxt ; yt yt dt , AB AB складываем почленно равенства и получаем: Px; y dx Qx; y dy Pxt ; yt xt Qxt ; yt yt dt . AB (5) Если AB - гладкая пространственная кривая, которая описывается непрерывными функциями x xt , y yt , z z t при t , то криволинейный интеграл 11 P x; y; z dx Qx; y; z dy R x; y; z dz AB P xt ; y t ; z t xt Q xt ; y t ; z t yt R xt ; y t ; z t zt dt. (6) Явное представление кривой интегрирования Если кривая AB задана уравнением y yx , x a; b, где функция y x и ее производная y x – непрерывны на отрезке a; b, то из формулы (5), приняв x за параметр, имеем параметрическое уравнение кривой AB : x x , y yx , x a; b, откуда получим: b Px; y dx Qx; y dy Px; yx Qx; yx yx dt . AB (7) a Замечание. Криволинейные интегралы I и II рода связаны соотношением Pdx Qdy P cos Q cos dl , где и - углы, AB AB образованные касательной к кривой AB в точке M x; y осями Ox и Oy соответственно. Пример. Вычислить I x y 2 dx x y 2 dy , где L - ломаная L OAB , где O0;0, A2;0 , B4;2 . Решение: Так как L OAB OA AB (см. рисунок 7), то I . Уравнение отрезка OA : y 0 , 0 x 2 ; уравнение OAB OA AB отрезка AB : y x 2 , 2 x 4 . Согласно формуле (7), получим: 2 3 x3 4 1 2 x 2 2 2 2 I x 0 0 dx 2 2 x 2 1 dx 4x 2 3 2 3 0 2 2 4 0 8 1 136 16 8 216 8 . 3 6 3 Рисунок 7 – Ломаная OAB 12 4 2 Пример. Вычислить I y 2 dx x 2 z dy x y z 2 dz , где L L отрезок прямой в пространстве от точки A1;0;2 до точки B3;1;4 . Решение: Составим уравнение прямой, проходящей через точки x 1 y z 2 или в параметрической форме: x 2t 1, A и B: 2 1 2 y t , z 2t 2 . При перемещении от точки A к точке B параметр меняется от 0 до 1. По формуле (6) находим, что 1 I t 2 2 2t 12 2t 2 1 2t 1 t 2t 22 1 dt 0 1 14t 3 95 2 14t 28t 13 dt 14t 2 13t . 0 3 0 3 1 Формула Остроградского-Грина Если функции P x; y и Q x; y непрерывны вместе со своими Q P частными производными и в области D , ограниченной y x замкнутой кривой L , то имеет место формула Q P (8) Px; y dx Qx; y dy x y dxdy , L D где интегрирование вдоль кривой L производится в положительном направлении (при движении вдоль кривой, область D остается слева). Формула Остроградского-Грина (8) устанавливает связь между криволинейным интегралом по замкнутой кривой и двойным интегралом по области, ограниченной этой кривой. Пример. С помощью формулы Остроградского-Грина вычислить I x 2 y 2 dx y xy ln x x 2 y 2 dy , где L - контур прямоL угольника с вершинами A3;2 , B6;2 , С 6;4, D3;4 (см. рисунок 8). y x 2 y 2 1 P Q y ; y Решение: Так как , по 2 2 2 2 x y x y x y формуле (8) получим: 13 y x2 y2 1 y I y x 2 y 2 x2 y2 D 6 4 dxdy y 2 dxdy dx y 2 dy 56 . D 3 2 Рисунок 8 – Прямоугольник ABCD Условия независимости криволинейного интеграла II рода от пути интегрирования Пусть Ax1; y1 , Bx2 ; y2 - две произвольные точки односвязной области D плоскости Oxy (область без «дыр»). Точки A и B можно соединить различными линиями L1 , L2 и L3 (см. рисунок 9). По каждой из этих кривых интеграл I P x; y dx Q x; y dy имеет в AB общем случае различные значения. Рисунок 9 – Пути интегрирования Если же его значения по всевозможным кривым AB одинаковы, то говорят, что интеграл I не зависит от вида пути интегрирования. В этом случае достаточно указать начальную и конечную точки пути: x2 ; y 2 I P x; y dx Q x; y dy . (9) x1 ; y1 Теорема. Для того чтобы криволинейный интеграл I Pdx Qdy не зависел от пути интегрирования в односвязной AB области D , в которой функции P x; y и Q x; y непрерывны вместе 14 со своими частными производными, необходимо и достаточно P Q выполнение условия в каждой точке этой области, т.е. y x чтобы подынтегральное выражение представляло собой полный дифференциал некоторой функции Px; y dx Qx; y dy dU x; y . Следствие 1. Если Px; y dx Qx; y dy dU x; y , то x2 ; y 2 x2 ; y 2 x ; y Pdx Qdy dU x; y U x; y x12; y12 U x2 ; y2 U x1; y1 . (10) x1 ; y1 x1 ; y1 Это обобщенная формула Ньютона-Лейбница для криволинейного интеграла от полного дифференциала. Следствие 2. Если Px; y dx Qx; y dy dU x; y и путь интегрирования L - замкнутая кривая, то P x; y dx Q x; y dy 0 . L Замечание. Если Px; y dx Qx; y dy dU x; y , можно найти функцию U x; y , используя формулу y x U x; y P x; y0 dx Q x; y dy C , x0 (11) y0 где в качестве начальной точки x0 ; y0 обычно берут 0;0 . 1;1 Пример. Вычислить I ydx xdy . 0;0 P Q 1 . Согласно y x вышеприведенной теореме, интеграл не зависит от пути интегрирования. В качестве пути интегрирования можно взять отрезок прямой y x , дугу параболы y x 2 и т.д. или воспользоваться формулой (10). Так как ydx xdy d xy , то 1;1 1;1 I d xy xy 0;0 1 0 0 . 0;0 Решение: Здесь P y и Q x, Пример. Найти функцию U x; y , если dU y ln x 1dx x 1 e y dy . 15 P Q 1. y x Воспользуемся формулой (11), в качестве начальной точки x0 ; y0 возьмем 0;0 . Тогда Решение: Здесь P y ln x 1 и Q x 1 e y , x y 0 0 U x; y ln x 1dx x 1 e y dy C x ln x 1 x ln x 1 0 xy y e y x 0y C x 1ln x 1 x xy y e y 1 C. 6. Приложения криволинейного интеграла II рода Площадь плоской фигуры Площадь S плоской фигуры, расположенной в плоскости Oxy и ограниченной замкнутой линией L , можно найти по формуле 1 (12) S xdy ydx , 2L при этом кривая L обходится против часовой стрелки. Работа переменной силы Переменная сила F ( P( x; y); Q( x; y)) на криволинейном участке AB производит работу, которая находится по формуле (13) A Pdx Qdy . AB Замечание. В случае пространственной кривой AB имеем: A P( x; y; z )dx Q( x; y; z )dy R( x; y; z )dz AB Пример. Найти площадь фигуры, ограниченной астроидой x a cos3 t , y a sin 3 t . Решение: При обхождении астроиды в положительном направлении параметр t изменяется от 0 до 2 (см. рисунок 10). Применяя формулы (12) и (5), получим: 16 S 1 2 2 3 2 3 2 (a cos t 3a sin t cos t a sin t 3a cos t sin t )dt 0 2 1 sin 2 2t 3a 2 2 1 cos 4t 3a 2 2 3a dt dt . 2 4 8 2 8 0 0 Рисунок 10 – Астроида Пример. Найти работу силы F 4 x 6i xyj вдоль кривой y x3 от точки O(0;0) до точки B(1;1) . Решение: По формуле (13) находим: 1 1 A 4 x dx xy dy (4 x x x 3x )dx 7 x 6 dx 1 . 6 L 6 3 2 0 0 Задания для самостоятельного решения 1) Вычислить x 2 ydy y 2 xdx , если x cos t , y sin t , 0 t L 2 . 2) Вычислить x 2 y 2 dx , где L - дуга параболы y x 2 от точки L 0;0 до точки B2;4. 1;1 3) Вычислить xydx y x dy 0;0 вдоль линии а) y x , б) y x 2 , в) y 2 x , г) y x3 . 4) Вычислить ydx xdy , где L - четверть окружности x R cos t , L y R sin t , 0 t . 2 5) Вычислить ydx xdy , где L - эллипс x a cos t , y b sin t , L пробегаемый в положительном направлении. 17 6) Вычислить xdx ydy x y 1dz , где L - отрезок прямой от L точки 1;1;1 до точки 2;3;4 . 7) Вычислить 2 xdy 3 ydx , где L - контур треугольника ABC , L пробегаемый против хода часовой стрелки, A1;2 , B3;1 , C 2;5 . 8) Вычислить xydx yzdy zxdz , где L - четверть окружности L x cos t , y sin t , z 1, пробегаемая в направлении возрастания параметра t . 2;1 9) Вычислить 2 xydx x 2 dy (показать, что интегрируется полный 0;0 дифференциал). 5;12 xdx ydy 10) Вычислить (показать, что интегрируется полный 2 2 x y 3;4 дифференциал). 11) Применяя формулу Остроградского-Грина, вычислить 2 2 2 2 x y dx y xy ln x x y dy , где L - контур прямоL угольника 1 x 4 , 0 y 2 . 12) Вычислить площадь, ограниченную параболами y x 2 , y 2 x . 13) Вычислить площадь, ограниченную эллипсом x a cos t , y b sin t . 14) Вычислить площадь фигуры, ограниченной контуром OABCO , если O(0;0) , A1;3 , B0;4 , C 1;2, OA , BC , CO - отрезки прямых, а AB - дуга параболы y 4 x 2 . 15) Вычислить работу силы F xy; x y вдоль кривой y x 2 при перемещении из точки (0;0) в точку (1;1) . 16) Найти функцию U x; y по ее полному дифференциалу dU 2 x 3xy2 2 y dx 2 x 3x 2 y 2 y dy . 17) Найти функцию U x; y по ее полному дифференциалу dU e x y cosx y dx e x y cosx y 2 dy . 18 Ответы 2152 5 ; 2) 5 ln 2 ; 3) ; 4) 24; 5) 2a 2n 1 ;6) 4a a ; 7) 2a 2 ; 45 2 32 1 2 a 2 b2 2b 2 1 1 R 4 8 ; 10) 2; 11) ; ; ; 8) ; 9) arctg 12 ab a 5 5 2 3a 3 ln 2 1 16 ln 2 15 12) ; 15) 3R 2 ; ; 13) 12; 14) 2 3 24 56 1 1 1 17 2. 1) ;2) ; 3) а) , б) , в) , г) ; 4) 0; 5) 2ab ; 6) 13; 15 20 4 3 12 30 13 1 1 25 17 7) 17,5 ; 8) ; 9) 4; 10) ln ; 11) 8; 12) ; 13) ab ; 14) ; 15) ; 5 6 3 6 12 3 16) U x; y x 2 y 2 x 2 y 2 2 xy C ; 2 x y 17) U x; y e sin x y 2 y C . 1. 1) Библиографический список 1. Письменный Л. Т. Конспект лекций по высшей математике. Полный курс / Л. Т. Письменный. – Москва : Айрис Пресс, 2006. – 608 с. 2. Берман Г. Н. Сборник задач по курсу математического анализа. Изд. 8-е / Г. Н. Берман. – Москва : Наука, 2005. – 416 с. 3. Данко П. Е. Высшая математика в упражнениях и задачах. Т.2. / П. Е. Данко, А. Г. Попов, Т. Я. Кожевникова. – Москва : Высшая школа, 2003. – 416 с. 4. Минорский В. П. Сборник задач по высшей математике учебное пособие для вузов. Изд. 15-е / В. П. Минорский. – Москва : Издательство Физико-математической литературы, 2006. – 336 с. 19 Учебное издание Составитель Сараханова Елена Владимировна Вычисление и приложения криволинейного интеграла Методические указания для практических занятий Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом Подписано в печать 28.03.2014г. Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная. Усл.-печ. 1,16л. Уч.-изд. 1,30 л. Тираж 50 экз. Заказ . Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42. Типография СибГИУ 20