Antrojo tipo kreivinis integralas

Iš testwiki.
Pereiti į navigaciją Jump to search

Antrojo tipo kreivinis integralas fizikoje reiškia jėgų lauko darbą.

∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=−∫BAP(x,y)dx+Q(x,y)dy. Taip pat antrojo tipo kreivinį integralą galima apibrėžti erdvine kreive L: ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy+R(x,y)dz.

Funkcijos išreikštos parametrinėmis lygtimis

Tarkime, kad kreivės L lanko AB parametrinės lygtis yra x=x(t),y=y(t), lanko pradžios tašką A atitinka parametro t reikšme t0, o lanko tašką B - reikšmė T. Dar sakykime, kad x(t), y(t) ir jų isvestinės x'(t), y'(t) yra dolydžios atkarpoje [t0; T] funkcijos, P(x,y) Q(x,y) - irgi tolydžios kreivės L taškuose funkcijos. Tuomet ∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫t0TP(x(t),y(t))x′(t)dt+Q(x(t),y(t))y′(t)dt. Tas pats taikoma ir erdvinei kreivei: ∫ABP(x,y,z)dx+Q(x,y,z)dy+R(x,y,z)dz= =∫αβ[P(x(t),y(t),z(t))x′(t)+Q(x(t),y(t),z(t))y′(t)+R(x(t),y(t),z(t))z′(t)]dt.

Pavyzdžiai

  • Apskaičiuokime ∫Lydx−xdy, kai L - apskritimo x=acos⁡t, y=asin⁡t lankas nuo taško A(a32;12a) iki taško B(12a;a32).
Įrašę į apskritimo lygtis taškų A ir B koordinates, sužinome, kad tašką A atitinka parametro reikšmė, lygi π6, o taško B - reikšmė, lygi π3.

Randame: dx=−asin⁡tdt, dy=acos⁡tdt. Tuomet ∫Lydx−xdy=∫π6π3(asin⁡t⋅(−a)sin⁡t−acos⁡t⋅acos⁡t)dt=−a2∫π6π3(cos2t+sin2t)dt=−a2∫π6π3dt= =−a2t|π6π3=−πa26.

  • Apskaičiuosime integralą ∫ABx2dx+xydy, kur AB - ketvirtis apskritimo x=cos⁡t, y=sin⁡t, 0≤t≤π2, A Atitinka t=0, B atitinka t=π/2.
Turime x2=cos2t, dx=−sin⁡tdt, xy=cos⁡tsin⁡t, dy=cos⁡tdt. Gauname

∫ABx2dx+xydy=∫0π2(−cos2tsin⁡t+cos2tsin⁡t)dt=0.

  • Apskaičiuosime integralą ∫ABx2dx−yzdy+zdz palei atkarpą AB, jungiančią taškus A(1; 2; -1) ir B(3; 3; 2).
Lygtis tiesės AB:
x−13−1=y−23−2=z−(−1)2−(−1)
x−12=y−21=z+13

arba parametrinėje formoje: x=1+2t, y=2+t, z=−1+3t. Atkarpai AB parametras t keičiasi nuo tA=0 iki tB=1. Todėl, ∫ABx2dx−yzdy+zdz=∫01[(1+2t)2⋅2−(2+t)(−1+3t)+(−1+3t)3]dt=∫01(5t2+12t+1)dt= =(5t33+6t2+t)|01=263.

Duotame pavyzdyje parametru galima parinkti bet kurį iš kintamųjų x, y arba z.

Pavyzdžiui, parinkę parametru y, užrašysime lygtį atkarpos AB formoje:

x=2y−3, y=y, z=3y−7, yA=2≤y≤yB=3.

Pritaikydami auksčiau išvestą formulę gausime: ∫ABx2dx−yzdy+zdz=∫23[(2y−3)22−y(3y−7)+(3y−7)3]dy= =∫23[2(4y2−12y+9)−3y2+7y+9y−21]dy=∫23(5y2−8y−3)dy= =(5y33−4y2−3y)|23=45−36−9−(403−16−6)=0−(−263)=263.

  • Apskaičiuosime integralą I=∫Lxydx+yzdy+zxdz, kur L - viena apvija spiralinės linijos cilindro paviršiumi x=acos⁡t, y=asin⁡t, z=bt nuo t0=0 iki T=2π.
Randame: dx=−asin⁡t, dy=acos⁡t, dz=b.

I=∫02π(−a3sin2tcos⁡t+a2btsin⁡tcos⁡t+ab2tcos⁡t)dt. Apskaičiuosime kiekvieną dalį atskirai. I1=−a3∫02πsin2tcos⁡tdt=−a3∫02πsin2td(sin⁡t)=−a3sin3t3|02π=0. I2=a2b∫02πtsin⁡tcos⁡tdt=a2b2∫02πtsin⁡(2t)dt=−a2b4(tcos⁡(2t))|02π+a2b4∫02πcos⁡(2t)dt= =−a2b4(2πcos⁡(4π)−0cos⁡0)+a2b8sin⁡(2t)|02π=−πa2b2, kur u=t, dv=sin⁡(2t), du=dt, v=−cos⁡(2t)2. I3=ab2∫02πtcos⁡tdt=ab2(tsin⁡t)|02π−ab2∫02πsin⁡tdt=ab2cos⁡t|02π=0. kur u=t, dv=cos⁡t, du=dt, v=sin⁡t.

Todėl
I=I1+I2+I3=0−πa2b2+0=−πa2b2.
  • Apskaičiuoti darbą jėgos F→(x;y), kai persikelia materialus taškas palei elipsę teigiama kryptimi, jeigu jėga kiekviename taške (x; y) elipso nukreipta į centrą elipso ir pagal dydį lygi atstumui nuo taško (x; y) iki centro elipsės.
Sprendimas. Pagal sąlygą, |F→(x;y)|=x2+y2; koordinatės jėgos F→(x;y) tokios: P=−x,Q=−y [ženklas "−" paaiškinmas tuo, kad jėga nukreipta į tašką (0; 0)]. Pagal formulę A=∫BCPdx+Qdy turime
A=−∮Lxdx+ydy, čia L - elipsė x=acos⁡(t), y=bsin⁡(t), 0≤t≤2π. Randame dx=−asin⁡(t)dt, dy=bcos⁡(t)dt. Todėl,
A=−∮Lxdx+ydy=−∫02πxdx−∫02πydy=−∫02π−a2cos⁡(t)sin⁡(t)dt−∫02πbsin⁡(t)bcos⁡(t)dt=
=∫02πa2cos⁡(t)sin⁡(t)dt−∫02πb2sin⁡(t)cos⁡(t)dt=∫02π(a2cos⁡(t)sin⁡(t)−b2sin⁡(t)cos⁡(t))dt=
=(a2−b2)∫02πsin⁡(t)cos⁡(t)dt=a2−b22∫02πsin⁡(2t)dt=a2−b24(−cos⁡(2t))|02π=
=−a2−b24(cos⁡(4π)−cos⁡(2⋅0))=−a2−b24(1−1)=0.
Pastebėsime, kad iš to, kad integralas pasirodė lygus nuliui, seka, kad pointegralinė išraiška yra pilnas diferencialas tam tikros funkcijos (raskite šią funkciją savarankiškai).

Apskaičiavimas kreivinių integralų antrojo tipo

Jei kreivė AB išreikšta lygtimi y=y(x), a≤x≤b, kur y(x) - netruki diferencijuojama funkcija, tai ∫ABP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫ab[P[x,y(x)]+Q[x,y(x)]y′(x)]dx. Analogiškai gali būti x(y).

Pavyzdžiai

  • Apskaičiuosime integralą: ∫ABxydx−(x−y)dy palei lanką AB prabolės y=x2, jei xA=−1, xB=−2. Parinkę parametru x ir pakeitę dy=2xdx, gausime:

∫ABxydx−(x−y)dy=∫−1−2[x⋅x2−(x−x2)⋅2x]dx=∫−1−2(3x3−2x2)dx=(34x4−23x3)|−1−2= =12+163−(34+23)=454+143=19112=151112.

  • Apskaičiuosime integralą I=∫Ly2dx+(xy−x2)dy, kur L - lankas prabolės y2=9x nuo taško A(0; 0) iki taško B(1; 3).
x=y29, dx=2y9. Gauname:

I=∫03[29y3+(y39−y481)]dy=∫03(y33−y481)dy=(y412−y5405)|03=274−243405=99631620=6320=6.15.

Kvadratas.
  • Apskaičiuosime integralą ∮L(x+y)dy, kur L - konturas stačiakampio, padaryto iš tiesių x=0, y=0, x=1 ir y=1.
Paveiksle teigiama kryptis apėjimo konturo L paženklinta rodyklėmis. Padalinę visą kontūrą integravimo į dalis, užrašysime:

∮L=∫AB+∫BC+∫CD+∫DA. Lengva pastebėti, kad integralai palei dalis AB ir CD lygus nuliui, todėl, kad ant jų y yra pastovus ir, dėl to dy=0. Todėl lieka apskaičiuoti integralus pagal sritis BC ir DA. Pagal formulę [ vietoje x įrašę y ir vietoje y(x) įrašę x(y)], gauname ∫BC(x+y)dy=∫01(1+y)dy=(y+y22)|01=32. ∫DA(x+y)dy=∫10(0+y)dy=y22|10=−12. Takiu budu, galutinai turime ∮(x+y)dy=32−12=1.

Trikampis trimatėje erdvėje.
  • Apskaičiuosime integralą ∮(x+y+z)dx pagal laužtę ABCA su viršūnėmis A(1; 0; 0), B(0; 1; 0), C(0; 0; 1).
Pagal apibrėžimą ∮ABCA=∫AB+∫BC+∫CA.

∫BC(x+y+z)=0, nes kelias integravimo guli plokštumoje yOz, statmenoje ašiai Ox (todėl x=0 ir dx=0). Lygtį atkarpos AB užrašysime pavidale: x=x, y=1−x, z=0. Taip kaip xA=1, xB=0, turime ∫AB=(x+y+z)dx=∫10[x+(1−x)+0]dx=∫10dx=x|10=−1.

Lygtį atkarpos CA užrašysime pavidale: x=x, y=0, z=1−x. Taip kaip xC=0, xA=1, turime:

∫CA(x+y+z)dx=∫01[x+(1−x)]dx=1. Rezultate gauname: ∮ABCA(x+y+z)dx=−1+0+1=0.

Parabolė.
  • Apskaičiuosime integralą ∫AOBydx, jeigu AOB - lankas prabolės y2=x, be to A(1; -1), B(1; 1). Atsižvelgiant į savybes kreivinių integralų, gausime:

∫AOBydx=∫AOydx+∫OBydx. Kadangi lanko AO lygtis yra y=−x, 0≤x≤1, be to xA=1, xO=0, lankas OB turi lygtį y=x, 0≤x≤1, x0=0, xB=1, tai ∫AOBydx=∫10−xdx+∫01xdx=2∫01xdx=43x32|01=43.

Šiame pavyzdyje paprasčiau naudoti parametrą y, pakeičiant atitinkamai formulę:

∫AOBydx=∫−11y⋅2ydy=23y3|−11=43.

Integravimo keliai sutampa.
  • Apskaičiuosime integralą ∫AB3x2ydx+(x3+1)dy, kur:
a) AB - tiesė y=x, sujungianti taškus (0; 0) ir (1; 1);
b) AB - parabolė y=x², sujungianti tuos pačius taškus (0; 0) ir (1; 1);
c) AB - laužtė, pereinanti per taškus (0; 0), (1; 0), (1; 1).
Pagal vieno iš kinamųjų pakeitimo formulę turime:
a) ∫AB3x2ydx+(x3+1)dy=∫01[3x2⋅x+(x3+1)]dx=

=∫01(4x3+1)dx=(x4+x)|01=2;

b) ∫AB3x2ydx+(x3+1)dy=∫01[3x2⋅x2+(x3+1)2x]dx=∫01(5x4+2x)dx=(x5+x2)|01=2;
c) ∫AB3x2ydx+(x3+1)dy=∫013x2⋅0dx+∫01(1+1)dy=∫012dy=2.

Vienodo atsakymo gavimas integruojant skirtingais keliais yra dėl to, kad

∂P∂y=∂Q∂x,
∂(3x2y)∂y=3x2=∂(x3+1)∂x.
  • Apskaičiuokime integralą ∫Lxydx+(x2−y3)dy nuo taško O(0; 0) iki taško A(1; 1), kai integravimo kelias L nusakomas lygtimi: a) y=x; b) y=x3; c) y2=x.
a) Randame dy=dx. Turime:

∫Lxydx+(x2−y3)dy=∫01x⋅xdx+∫01(x2−x3)dx= =∫01(2x2−x3)dx=(2x33−x44)|01=512.

b) Kadangi dy=3x2dx, tai

∫Lxydx+(x2−y3)dy=∫01x⋅x3dx+∫01(x2−x9)⋅3x2dx=∫01(4x4−3x11)dx=(45x5−x124)|01=1120.

c) Iš sąlygos y2=x turime: y=x, dy=12x−12dx. Tuomet

∫Lxydx+(x2−y3)dy=∫01xxdx+∫01(x2−xx)dx2x=∫01(32x32−x2)dx=(35x52−14x2)|01=720.

Šiuo atveju pavyzdį galėjome spręsti ir neišreikšdami kintąmąjį y kintamuoju x. Laikykime x funkcija, o y argumentu. Tuomet iš sąlygos x=y2 turime: dx=2ydy; y kitimo rėžiai yra nuo 0 iki 1. Dabar duotąjį integralą pakeiskime apibrėžtiniu, įrašydami vietoje x ir dx jų išraiškas:

∫Lxydx+(x2−y3)dy=∫01y2⋅y⋅2ydy+∫01(y4−y3)dy=∫01(3y4−y3)dy=(35y5−y44)|01=720.

Visais triais atvejais integravimo pradžia ir pabaiga sutapo, tačiau integruodami galvome skirtingus atsakymus, nes
∂P∂y≠∂Q∂x,
∂(xy)∂y=x≠2x=∂(x2−y3)∂x.
Prabolė, tiesė AB ir laužtė ACB.
  • Apskaičiuokime integralą

∫L(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy nuo taško A(1; 1) iki taško B(2; 4), kai integravimo kelias L nusakomas:

a) tiesės y=3x−2 atkarpa;
b) parabolės y=x2 lanku;
c) laužte ACB.
a) Iš lygties y=3x−2 turime: dy=3dx; kitimo rėžiai yra nuo 1 iki 2. Tuomet

∫L(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy=∫12(2x+27x2−36x+12)dx+∫12(18x2−12x−1)⋅3xdx= =∫12(81x2−70x+9)dx=(27x3−35x2+9x)|12=93.

b) kai y=x2, tai dy=2xdx ir

∫L(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy=∫12(2x+3x4)dx+∫12(6x3−1)2xdx=∫1215x4dx=3x5|12=93.

c) Integravimo kelią suskaidysime į dvi atkarpas: AC ir CB. Atkarpos AC taškuose x kinta nuo 1 iki 2, y=1=const, todėl kelio AC taškuose dy=0; atkarpos CB taškuose y kinta nuo 1 iki 4, x=2=const, todėl kelio CB taškuose dx=0. Tuomet

∫L(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy=∫AC(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy+∫CB(2x+3y2)dx+(6xy−1)dy= =∫12(2x+3⋅12)dx+(6x⋅1−1)⋅0+∫14(2⋅2+3y2)⋅0+(6⋅2−1)dy=∫12(2x+3)dx+∫14(12y−1)dy= =(x2+3)|12+(6y2−y)|14=6+87=93.

Visais variantais gavome tokį patį kreivinio integralo atsakymą. Sakoma, kad krivinis integralas nepriklauso nuo integravimo kelio, o priklauso tik nuo integravimo kreivės pradžios ir pabaigos taškų. Taip yra todėl, kad
∂P∂y=∂(2x+3y2)∂y=6y=∂(6xy−1)∂x=∂Q∂x.

Sąlyga, kad kreivinio integralo reikšmė nepriklausytų nuo integravimo kelio

Kad integralas ∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy nepriklausytų nuo integravimo kelio jis turi tenkint tokią lygybę: ∂P(x,y)∂y=∂Q(x,y)∂x arba ∂P∂y−∂Q∂x=0.

Trimatis vektorius su dedamosiomis (projekcijomis koordinačių ašims) P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z) išreiškiamas per integralą ∫ABPdx+Qdy+Rdz, nepriklauso nuo integravimo kelio, jei: ∂P∂y=∂Q∂x,∂P∂z=∂R∂x,∂Q∂z=∂R∂y.

Prabolė ir tiesė.
  • Apskaičiuosime, pavyzdžiui, integralą ∫ABxdx+xydy+ydz pagal atkarpą tiesės AB, jungiančios taškus A(1; 0; 0) ir B(1; 1; 1). Lygtis tiesės AB:
x−11−1=y−01−0=z−01−0,
x−10=y−01=z−01,

t. y. y=z, x−1=0, x=1. Išrinkę parametru y, turime: ∫ABxdx+xydy+ydz=∫011⋅0+1⋅ydy+ydy=∫012ydy=y2|01=1.

Apskaičiuosime dabar tą patį integralą pagal lanką prabolės AB, aprašamos lygtimis x=1, z=y2. Parinke parametru y (x=1, y=y, z=y2, dz=2ydy, yA=0, yB=1), gausime:

∫ABxdx+xydy+ydz=∫011⋅0+1⋅ydy+y⋅2y=∫01(y+2y2)dy=(y22+2y33)|01=1⋅3+2⋅22⋅3=76.

Šis pavyzdys parodo, kad integralo ∫ABxdx+xydy+ydz reikšmė priklauso nuo formos kreivės pagal kurią vyksta integravimas. Taip yra todėl, nes

∂P∂y=0≠y=∂Q∂x,∂P∂z=0=∂R∂x,∂Q∂z=0≠1=∂R∂y.

Taip pat skaitykite