Рубрика: Математический анализ

Публикации по учебной дисциплине «Математический анализ» для студентов специальности «Прикладная математика»

Сторона и ориентация поверхности. Односторонние и двусторонние поверхности. Край поверхности.

Определим понятие стороны поверхности. Выберем на гладкой поверхности (замкнутой или ограниченной гладким контуром) точку [latex]M_{0}[/latex] и проведем в ней нормаль к поверхности, выбрав для нее определенное направление (одно из двух возможных). Проведем по поверхности замкнутый контур, начинающийся и заканчивающийся в точке [latex]M_{0}[/latex]. Рассмотрим точку [latex]M[/latex], обходящую этот контур, и в каждом из ее положений проведем нормаль того направления, в которое непрерывно переходит нормаль из предыдущей точки. Если после обхода контура нормаль вернется в точке [latex]M_{0}[/latex] в первоначальное положение при любом выборе точки [latex]M_{0}[/latex] на поверхности, поверхность называется двусторонней. Если же направление нормали после обхода хотя бы одной точки изменится на противоположное, поверхность называется односторонней. Поверхность может быть задана уравнением [latex]F\left ( x,y,z \right ) = 0[/latex], не разрешенным относительно ни одной из переменных (неявное задание). При этом поверхность представляет собой множество всех точек. Например, уравнение [latex]x^{2}+y^{2}+z^{2}-R^{2} = 0[/latex] задает сферу радиуса [latex]R[/latex] с центром в начале координат. Наконец, поверхность может быть задана параметрически: $$x = \varphi \left ( u,v \right ), y = \psi \left ( u,v \right ), z = \chi \left ( u,v \right ), \forall \left ( u,v \right )\in g,$$ где [latex]\psi ,\chi ,\varphi[/latex]− непрерывные функции в области [latex]g[/latex]. Переменные $u$ и $v$ называются параметрами.
На рисунке ниже изображен вектор нормали к поверхности $A$.
188

Определение

Совокупность всех точек поверхности с одинаковым направлением нормали называется стороной поверхности.

Дальше введем понятие ориентации поверхности. Рассмотрим незамкнутую гладкую двустороннюю поверхность [latex]S[/latex], ограниченную контуром [latex]L[/latex], и выберем одну сторону этой поверхности.

Определение

Назовем положительным направление обхода контура [latex]L[/latex], при котором движение по контуру происходит против часовой стрелки относительно наблюдателя, находящегося в конечной точке нормали к какой-либо точке поверхности [latex]S[/latex], соответствующей выбранной стороне поверхности. Обратное направление обхода контура назовем отрицательным.

Определение

Спойлер

Пусть [latex]S[/latex] — ограниченное связное замкнутое множество трехмерного пространства. Пусть для любой точки [latex]M\in S[/latex] существует замкнутый шар [latex]Q[/latex]
с центром в этой точке и существует непрерывное взаимно однозначное отображение [latex]r\left ( u,v \right )[/latex] некоторого замкнутого круга или полукруга [latex]K[/latex] на множество [latex]S \cap Q[/latex], при чем если [latex]\left ( u_{0},v_{0}\right )[/latex] центр крута или полукруга [latex]K[/latex], то [latex]r\left ( u_{0},v_{0} \right )=M[/latex]. Если [latex]K[/latex]- полукруг, и [latex]\left ( u_{0},v_{0}\right )[/latex]- его центр, то точка [latex]r\left ( u_{0},v_{0} \right ) = M\in S[/latex] называется краевой точкой множества [latex]S[/latex].Совокупность всех краевых точек множества [latex]S[/latex] называется его краем и обозначается [latex]\partial S[/latex]. Множество [latex]S[/latex], удовлетворяющее указанным выше условиям, и такое, что его край [latex]\partial S[/latex] не пуст, называется поверхностью с краем.

[свернуть]

Список литературы

Небольшая викторина

Вычисление криволинейных интегралов второго рода

Перед прочтением данной статьи желательно ознакомиться с темой Определение криволинейных интегралов второго рода и их свойства. Физический смысл

Вычисление криволинейных интегралов II рода

Если $\Gamma$ — кусочно гладкая кривая заданная уравнением $r=r(t)$ $(\alpha\leq t\leq\beta)$, а функции ${\varphi }_{i}$ $(i=1,…,n)$ непрерывные вдоль кривой $\Gamma$, то существует криволинейный интеграл II рода $\int\limits_{\Gamma}^{}(F,\,dr)$ и справедливо равенство:
$$\int\limits_{\Gamma}(F,\,dr)=$$ $$=\int\limits_{\alpha}^{\beta}\sum\limits_{i=1}^{n}{\varphi}_{i}({x}_{1}(t),\ldots,{x}_{n}(t)){x’}_{i}(t)\,dt.$$

Примеры

  1. Вычислить криволинейный интеграл $\int\limits_{\Gamma}^{}(y\,dx-x\,dy)$, где $\Gamma$ — дуга окружности $x^2+y^2=1$, которая начинается в точке $(1,0)$ и заканчивается в точке $(0,1)$.
    Параметрическое представление кривой $\Gamma$ имеет вид $\Gamma: x=\cos t, y=\sin t$ $(0\leq t\leq\frac{\pi}{2})$. Отсюда,

    $$\int\limits_{\Gamma}^{}(y\,dx-x\,dy)=$$ $$=\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}\left[\sin t(-\sin t)-\cos t\cdot \cos t\right]\,dt=$$ $$=-\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}\,dt=-t \bigg|_{0}^{\frac{\pi}{2}}=$$ $$=-\left( \frac{\pi}{2}-0 \right)=-\frac{\pi}{2}.$$

  2. Вычислить криволинейный интеграл $\int\limits_{\Gamma}^{}(ydx-xdy)$, где $\Gamma$ — отрезок, который начинается в точке $(1,0)$ и заканчивается в точке $(0,1)$.
    Параметрическое представление кривой $\Gamma$ имеет вид $\Gamma: x=1-t, y=t$ $(0\leq t\leq1)$. Отсюда,

    $$\int\limits_{\Gamma}^{}\left(y\,dx-x\,dy\right)=$$ $$=\int\limits_{0}^{1}[t(-1)-(1-t)\cdot 1]\,dt=$$ $$=-\int\limits_{0}^{1}\,dt=-t \bigg|_{0}^{\frac{\pi}{2}}=-(1-0)=-1.$$

  3. Вычислить криволинейный интеграл $\int\limits_{\Gamma}^{}(y\,dx+x\,dy)$, где $\Gamma$ — дуга окружности $x^2+y^2=1$, которая начинается в точке $(1,0)$ и заканчивается в точке $(0,1)$.
    Параметрическое представление кривой $\Gamma$ имеет вид $\Gamma: x=\cos t, y=\sin t$ $(0\leq t\leq\frac{\pi}{2})$. Отсюда,

    $$\int\limits_{\Gamma}^{}(y\,dx+x\,dy)=$$ $$=\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}[\sin t(-\sin t)+\cos t\cdot \cos t]\,dt=$$ $$=\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}[{cos}^{2}t-{sin}^{2}t]\,dt =\int\limits_{0}^{\frac{\pi}{2}}\cos 2t\,dt=$$ $$=\frac{\sin 2t}{2} \bigg|_{0}^{\frac{\pi}{2}}=\frac{\sin \pi}{2}-\frac{\sin 0}{2}=0.$$

Литература

Вычисление криволинейных интегралов второго рода

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


Таблица лучших: Вычисление криволинейных интегралов второго рода

максимум из 7 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Представление функции интегралом Фурье

Интеграл Фурье как разложение в сумму гармоник

Интегральную формулу Фурье можно переписать следующим образом:
$$f\left(x\right)=\intop _{ 0 }^{ +\infty }{ \left[ a\left(\lambda \right)\cos { \lambda x } +b\left(\lambda \right)\sin { \lambda x } \right] d\lambda },\quad\left(\ast\right)$$ где
$$a\left(\lambda \right)=\frac { 1 }{ \pi } \intop _{ -\infty }^{ +\infty }{ f\left(\xi \right)\cos { \lambda \xi } d\xi } ,$$ $$b\left(\lambda \right)=\frac { 1 }{ \pi } \intop _{ -\infty }^{ +\infty }{ f\left(\xi\right)\sin { \lambda \xi } d\xi }.$$
Равенство $\left( \ast \right)$ аналогично разложению функции в тригонометрический ряд Фурье, а выражения $a\left(\lambda \right), b\left(\lambda \right)$ аналогичны формулам для коэффициентов Фурье.

Замечание. Для удобства дальнейших вычислений формула $\left(\ast\right)$ может быть упрощена, а именно:

  • Если $f\left(x\right)$ — чётная функция, то $$a\left(\lambda \right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ f\left(\xi\right)\cos { \lambda \xi } d\xi } ,$$ а $b\left(\lambda \right)$ принимает значение $0.$ Тогда формулу $\left(\ast\right)$ можно записать в виде $$f\left(x\right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ \cos { \lambda x } d\lambda } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ f\left(\xi\right)\cos { \lambda \xi } d\xi }.$$ Это выражение называется косинус-формулой Фурье.
  • Для нечётной $f\left(x\right)$ получаем соответственно, что $a\left(\lambda\right)$ обращается в нуль, а $$b\left(\lambda\right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ f\left(\xi\right)\sin { \lambda \xi } d\xi },$$ поэтому исходная формула приобретает вид $$f\left(x\right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ \sin { \lambda x } d\lambda } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ f\left(\xi\right)\sin { \lambda \xi } d\xi }.$$ Таким образом, мы получили синус-формулу Фурье.

Замечание. Интегральная формула Фурье имеет эквивалентную ей комплексную формулу интеграла Фурье $$f\left( x \right) =\frac { 1 }{ 2\pi } \int\limits _{ -\infty }^{ +\infty }{ d\lambda } \int _{ -\infty }^{ +\infty }{ f\left( \xi \right) { e }^{ i\lambda \left( x-\xi \right) }d\xi } .$$

Пример

Представить следующую функцию интегралом Фурье: $$f\left(x\right)=\begin{cases} 1,\quad если \quad \left| x \right| < 1; \\ 0,\quad если \quad \left| x \right| > 1. \end{cases}$$

Решение

Данная функция удовлетворяет достаточным условиям, а потому её можно представить в виде интеграла Фурье. Построим график данной функции. fourier_integral_example_1 Он симметричен относительно оси ординат, следовательно, исходная функция — чётная. Опираясь на замечание для первого случая, имеем: $$b\left(\lambda\right)=0,$$ $$a\left(\lambda \right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ f\left(t\right)\cos { \lambda t } dt }=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ 1 }{ f\left(t\right)\cos { \lambda t } dt }=\frac { 2\sin { \lambda } }{ \pi \lambda }.$$ Подставив результат вычислений $a\left(\lambda \right)$ в формулу интеграла Фурье получаем ответ: $$f\left(x\right)=\frac { 2 }{ \pi } \intop_{ 0 }^{ +\infty }{ \frac { \sin { \lambda } }{ \lambda } } \cos { \lambda x } d\lambda, \quad \left| x \right|\neq 1.$$

[свернуть]

Литература

Тестирование. Представление функции интегралом Фурье

Тесты помогут понять насколько хорошо был усвоен материал.

Критерий Коши равномерной сходимости несобственных интегралов, зависящих от параметра

Для равномерной сходимости несобственного интеграла $\int\limits_a^b f(x,y)dx$ необходимо и достаточно выполнение условия Коши. А именно: $\forall \varepsilon > 0 \, \exists \eta < b$ такое, что $\forall \eta^\prime,\eta^{\prime\prime} \epsilon (\eta,b)$ и $\forall y$ $\epsilon$ $Y$ выполнялось следующее неравенство $$\left|\int\limits_{\eta^\prime}^{\eta^{\prime\prime}}f(x,y)dx \right| <\varepsilon.$$

Доказательство

Необходимость

Пусть интеграл $\int\limits_a^b f(x,y)dx$ равномерно сходится по параметру $y$ $\epsilon$ $Y$. Из определения получаем, что $\forall\varepsilon > 0$ найдется такое $\eta$ $\epsilon$ $[a,b)$ , что $\forall \eta^\prime$ $\epsilon$ $[b,\eta)$ и для всех $y$ $\epsilon$ $Y$ выполнялось следующее неравенство
$$\left| \int\limits_{\eta^\prime}^{b}f(x,y)dx \right| < \frac{\varepsilon}{2}.$$ При $\eta^\prime , \eta^{\prime\prime}$ $\epsilon$ $[\eta,b)$, $y$ $\epsilon$ $Y$ получим такое неравенство $$\left| \int\limits_{\eta^\prime}^{\eta^{\prime\prime}}f(x,y)dx \right| = \left| \int\limits_{\eta^\prime}^{b}f(x,y)dx — \int\limits_{\eta^{\prime\prime}}^{b}f(x,y)dx \right| \leq $$ $$\leq \left|\int\limits_{\eta^\prime}^{b}f(x,y)dx\right| + \left|\int\limits_{\eta^{\prime\prime}}^{b}f(x,y)dx\right| < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} =\varepsilon,$$ а значит, что условие Коши выполнено.

Достаточность

Положим, что условие Коши выполняется. А это означает, что в силу критерия Коши несобственный интеграл $\int\limits_a^b f(x,y)dx$ сходится $\forall y$ $\epsilon$ $Y$. Докажем равномерную сходимость на $Y$. Рассмотрим неравенство $$\left|\int\limits_{\eta^\prime}^{\eta^{\prime\prime}}f(x,y)dx \right| <\varepsilon,$$ в котором устремим $\eta^{\prime\prime}$ к $b$, при этом $\eta^{\prime\prime} < b$. В результате для любого $\eta^{\prime} > \eta$ и $y$ $\epsilon$ $Y$ получаем следующее: $$\left|\int\limits_{\eta^{\prime}}^{b}f(x,y)dx \right| \leq\varepsilon,$$ что и означает равномерную сходимость интеграла $\int\limits_a^b f(x,y)dx$ на $Y$. $\Box$

Пример

Проверить интеграл на равномерную сходимость.

$$\int\limits_{0}^{+\infty} e^{-yx^{2}}dx$$

Решение

Данный интеграл сходится $\forall y > 0$. Если он сходится равномерно, то для любых (фиксированных) $\eta^{\prime},\eta^{\prime\prime}\geq\eta$ и при всех $y>0$ выполняется неравенство

$$\int\limits_{\eta^{\prime}}^{\eta^{\prime\prime}} e^{-yx^{2}}dx <\varepsilon. (\bigstar)$$

По теореме о непрерывности собственного интеграла, зависящего от параметра, интеграл в левой части представляет собой непрерывную функцию переменной $y$. Отсюда $$F(y) \equiv \int\limits_{\eta^\prime}^{\eta^{\prime\prime}} e^{-yx^{2}}dx \rightarrow F(0) = \eta^{\prime\prime} — \eta^\prime (y \rightarrow 0).$$

Так как $F(y) <\varepsilon$, то и  $F(0) = \lim\limits_{y \rightarrow 0}F(y) \leq\varepsilon$, что означает $\eta^{\prime\prime} — \eta^\prime \leq\varepsilon$. Однако из-за того, что $\eta^\prime,\eta^{\prime\prime}$ $\epsilon$ $[\eta, +\infty)$ можно выбрать таким образом, что $\eta^{\prime\prime} — \eta^\prime$ будет сколь угодно большим, неравенство $\bigstar$ не выполняется для всех $\eta^\prime,\eta^{\prime\prime}$ из полуинтервала $[\eta, +\infty)$. Значит, условие Коши для этого интеграла нарушено и он не является равномерно сходящимся. $\Box$

[свернуть]

Список литературы

Тест

Практические задания из данного теста были позаимствованы из сборника задач и упражнений по математическому анализу Б.П. Демидовича.

Рекомендую проверить насколько хорошо усвоен материал, пройдя следующий тест.

Таблица лучших: Критерий Коши равномерной сходимости несобственных интегралов, зависящих от параметра

максимум из 14 баллов
Место Имя Записано Баллы Результат
Таблица загружается
Нет данных

Равномерная сходимость и непрерывность

Теорема (О связи равномерной сходимости функциональной последовательности с непрерывностью)

Если последовательность ${f_{n}(x)}$ определена на отрезке $[a,b],$ равномерно сходится к функции $f(x)$ на этом отрезке, и все члены последовательности непрерывны в точке $x_{0} \in [a,b],$ то функция $f(x)$ непрерывна в точке $x_{0}$.

Доказательство

По определению равномерной сходимости: $$\forall \varepsilon>0 \exists n_{\varepsilon} \in \mathbb{N}: \forall n \ge n_{\varepsilon} \forall x \in [a,b] \Rightarrow |f_{n}(x) — f(x)| < \varepsilon.$$

Докажем от противного. Предположим, существует точка разрыва предельной функции $x_{0} \in [a,b].$ Сразу отметим, что функция $f(x)$ определена на всем отрезке $[a,b],$ а значит и в точке $x_{0}.$ Тогда из того, что $x_{0}$ — точка разрыва, следует, что предел функции $f(x)$ хотя бы с одной из сторон не равен значению функции в этой точке. При этом, из непрерывности функции $f_{n}(x)$ следует, что ее значение в точке $x_{0}$ равно ее пределу в этой точке.

Рассмотрим случай, когда $x_{0} \in [a,b)$ и $\lim\limits_{x \to x_{0}+0} f(x) \ne f(x).$ Случай, когда $x_{0} \in (a,b]$ и $\lim\limits_{x \to x_{0}-0} f(x) \ne f(x),$ доказывается аналогично.

$$\begin{cases} \left| \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f_{n}(x) — \lim\limits_{x \to x_{0}+0}f(x) \right| < \varepsilon \\ \left|f_{n}(x_{0}) — f(x_{0}) \right| < \varepsilon \end{cases}$$

Зафиксируем $\varepsilon = \frac{ \left| f(x_{0}) — \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f(x) \right| }{3}.$ Тогда:
$$\begin{cases} \left| \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f_{n}(x) — \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f(x) \right| < \frac{ \left|f(x_{0}) — \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f(x) \right|}{3} \\ \left|f_{n}(x_{0}) — f(x_{0}) \right| < \frac{\left|f(x_{0}) — \lim\limits_{x \to x_{0}+0} f(x) \right|}{3}\end{cases},$$
что невозможно при $f_{n}(x_{0}) = \lim\limits_{x \to x_{0}} f_{n}(x),$ т.е. при непрерывности функции $f_{n}(x)$ в точке $x_{0}.$ Мы пришли к противоречию. Предположение неверно. Теорема доказана.

Иллюстрация и замечание к теореме

Спойлер

Ilustration
На иллюстрации показана функция $f(x)$ (черным) и полоса, ширина которой $2 \cdot \varepsilon$ (серым). Всякая функция $f_{n}(x),$ начиная с некоторого номера $n_{ \varepsilon},$ принадлежит этой полосе. Всегда можно задать столь малое $\varepsilon$, что разрыв функции $f(x)$ будет приводить к разрыву функции $f_{n}(x).$

[свернуть]

Теорема (О связи равномерной сходимости функционального ряда с непрерывностью)

Если ряд $\sum\limits_{n=1}^ \infty u_{n}(x)$ определен на отрезке $[a,b],$ равномерно сходится к функции $S(x)$ на этом отрезке, и все члены ряда непрерывны в точке $x_{0} \in [a,b],$ то функция $S(x)$ непрерывна в точке $x_{0}.$

Доказательство

Всякая частичная сумма ряда $\sum\limits_{n=1}^ \infty u_{n}(x)$ непрерывна в точке $x_{0}$, как сумма непрерывных. Тогда последовательность частичных сумм ряда, по предыдущей теореме, сходится к функции, непрерывной в точке $x_{0}.$ Теорема доказана.

Литература:

Равномерная сходимость и непрерывность

Задания по теме «Равномерная сходимость и непрерывность».