Определение криволинейных интегралов второго рода и их свойства. Физический смысл

Пусть в область $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{n}$ задано векторное поле, то есть каждой точке из $\Omega$ поставлен в соответствии вектор из ${\mathbb{R}}^{n}$. Это можно записать следующим образом,

$$F(x)=({\varphi}_{1}({x}_{1},…,{x}_{n}),…, {\varphi}_{n}({x}_{1},…,{x}_{n})),$$
где $F$ — векторное поле и $F(x)\in {\mathbb{R}}^{n}$.

Если функции ${\varphi }_{i}$ $(i=1,…,n)$ непрерывные и непрерывно дифференцируемы в области, то поле $F$ также непрерывно и непрерывно дифференцировано в области $\Omega$.

Определение

Если в области $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{n}$ задано непрерывное векторное поле $F=({\varphi}_{1},…,{\varphi}_{n})$, а $r=r(t)$ $(\alpha\leq t\leq\beta)$ — уравнение кусочно гладкой кривой $\Gamma$, которая лежит в области $\Omega$, то интеграл:

$$\int\limits_{\Gamma}^{}(F,\,dr)\equiv\int\limits_{\alpha}^{\beta}(F({x}_{1}(t),…,{x}_{n}(t)), r^\prime(t))\,dt\equiv$$ $$\equiv\int\limits_{\alpha}^{\beta}(({\varphi}_{1}({x}_{1}(t),…,{x}_{n}(t)),…,{\varphi}_{n}({x}_{1}(t),…,{x}_{n}(t))), r^\prime(t))\,dt\equiv$$ $$\equiv\int\limits_{\alpha}^{\beta}[{\varphi}_{1}({x}_{1}(t),…,{x}_{n}(t)){x^\prime}_{1}(t)+…+{\varphi}_{n}({x}_{1}(t),…,{x}_{n}(t)){x^\prime}_{n}(t)]\,dt.$$

называется криволинейным интегралом II рода от векторного поля $F$ вдоль кривой $\Gamma$.

Рассмотрим также частный случай когда $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{3}$. В этом случае можно обозначить $F=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))$, где $\Gamma: r=r(t)=(x(t),y(t),z(t))$ $(\alpha \leq t\leq \beta)$. Тогда интеграл имеет следующий вид:
$$\int\limits_{\Gamma}^{}(F,\,dr) =\int\limits_{\Gamma}^{}P(x,y,z)\,dx+Q(x,y,z)\,dy+R(x,y,z)\,dz=$$ $$=\int\limits_{\alpha}^{\beta}[P(x(t),y(t),z(t))x^\prime(t) +Q(x(t),y(t),z(t))y^\prime(t)+$$ $$+R(x(t),y(t),z(t))z^\prime(t)]\,dt.$$

Свойства криволинейных интегралов II рода:

Рассматривать свойства будем для области $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{3}$, так как для $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{n}$ $(n\geq 3)$ изменения очевидны.

  1. Криволинейный интеграл II рода не зависит от способа параметризации кривой

    Доказательство показать

    Замечание.

    Это доказательство имеет место только в том случае, когда $r=r(t)$ и $\rho=\rho(\tau)$ определяют одну и ту же кривую $\Gamma$ и имеют одну и ту же ориентацию.

  2. Криволинейный интеграл II рода при изменении ориентации кривой на противоположную меняет знак

    $$\int\limits_{\Gamma}^{}(F,\,dr)=-\int\limits_{{\Gamma}^{-}}^{}(F,\,dr).$$


    Доказательство показать

  3. Криволинейный интеграл II рода аддитивен относительно кривой

    Если $\Gamma=({\Gamma}_{1},…,{\Gamma}_{N})$, то:

    $$\int\limits_{\Gamma}^{}(F,\,dr)=\sum_{i=1}^{N}\int\limits_{{\Gamma}_{i}}^{}(F,\,dr).$$

    Доказательство

    Следует из определения и свойства аддитивности определенного интеграла относительно области интегрирования

Физический смысл

Работа силы

Пусть $F(x,y,z)$ — силовое поле в области $\Omega\subset {\mathbb{R}}^{3}$ и пусть кусочно гладкая кривая ${\Gamma}_{AB}\subset\Omega$ задана уравнением $r=r(t)$, $\alpha\leq t\leq\beta$. Если интерпретировать это уравнение, как закон движения материальной точки, то при таком движении сила, действующая на материальную точку, должна совершать работу. В том случае когда материальная точка движется в постоянном силовом поле с постоянной скоростью по прямой, параллельной вектору $l$, $|l|=1$, работа силы равна $(F,l)\Delta s$, где $\Delta s$ — пройденный путь.

curve3

Изображение вектора силы в случае движения точки по произвольной кусочно гладкой кривой

Теперь рассмотрим случай, когда поле силы непостоянно и точка движется в силовом поле по произвольной кусочно гладкой кривой ${\Gamma}_{AB}\subset\Omega:r=r(t)$, $(\alpha\leq t\leq\beta)$. Пусть $T$ — произвольное разбиение отрезка $[\alpha,\beta]$ точками $\alpha={t}_{0}<{t}_{1}<…<{t}_{n}=\beta$ и ему соответствует разбиение кривой ${\Gamma}_{AB}$ точками $A={A}_{0}\prec{A}_{1}\prec…\prec{A}_{n}=B$.

При движении по дуге ${\Gamma}_{{A}_{i-1}{A}_{i}}$ заменим силу $F$ постоянной силой $F(x({t}_{i}),y({t}_{i}),z({t}_{i}))$, а само движение по этой дуге заменим движением по касательной с постоянной скоростью $r^\prime({t}_{i})$. Тогда работа силы приближенно равна $(F(x({t}_{i}),y({t}_{i}),z({t}_{i})),r^\prime({t}_{i})\Delta{t}_{i})$.

Работа силы при движении материальной точки по кривой ${\Gamma}_{AB}$ приближенно равна следующей сумме:

$${\mathcal{A}}_{T}=\sum_{i=1}^{n}(F(x({t}_{i}),y({t}_{i}),z({t}_{i})),r^\prime({t}_{i}))\Delta{t}_{i},$$

где $\Delta{t}_{i}={t}_{i}-{t}_{i-1}$.

Предел суммы ${\mathcal{A}}_{T}$ при мелкости разбиения $l(T)$, стремящейся к нулю, естественно назвать работой силы $F$ при движении точки по кривой ${\Gamma}_{AB}$. Таким образом, работа силы:

$$\mathcal{A}=\lim_{l(T)\to 0}\sum_{i=1}^{n}(F(x({t}_{i}),y({t}_{i}),z({t}_{i})),r^\prime({t}_{i}))\Delta{t}_{i}=$$ $$=\int\limits_{\alpha}^{\beta}(F(x(t),y(t),z(t)),r^\prime(t))\,dt=\int\limits_{{\Gamma}_{AB}}^{}(F,\,dr).$$

Криволинейные интегралы второго рода

Чтобы убедиться в том что вы усвоили данный материал советую пройти этот тест.


Таблица лучших: Криволинейные интегралы второго рода

максимум из 5 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Определение криволинейных интегралов второго рода и их свойства. Физический смысл: 1 комментарий

  1. — Стоит ли весь материал лекции записывать в один пост? У Вас название в пять строк выходит.
    — Длинные формулы лучше разбивать на несколько с пробелом между ними. Тогда будет выполняться автоматический перенос.

    Поскольку реакции пока нет уточню:
    — Выделите физический смысл криволинейных интегралов второго рода в отдельную публикацию.
    — Разбейте длинные формулы.
    — Как минимум, ещё за Вами рисунок. Кстати, если я не ошибаюсь сила всегда сонаправлена ускорению (ведь масса скаляр), а ускорение при криволинейном движении такое.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *