Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Уравнения в полных дифференциалах

В этой теме мы рассмотрим метод восстановления функции по ее полному дифференциалу, дадим примеры задач с полным разбором решения.

Бывает так, что дифференциальные уравнения (ДУ) вида P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 могут содержать в левых частях полные дифференциалы некоторых функций. Тогда мы можем найти общий интеграл ДУ, если предварительно восстановим функцию по ее полному дифференциалу.

Рассмотрим уравнение P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = 0 . В записи левой его части содержится дифференциал некоторой функции U ( x , y ) = 0 . Для этого должно выполняться условие ∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x .

Полный дифференциал функции U ( x , y ) = 0 имеет вид d U = ∂ U ∂ x d x + ∂ U ∂ y d y . С учетом условия ∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x получаем:

P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = ∂ U ∂ x d x + ∂ U ∂ y d y

∂ U ∂ x = P ( x , y ) ∂ U ∂ y = Q ( x , y )

Преобразовав первое уравнение из полученной системы уравнений, мы можем получить:

U ( x , y ) = ∫ P ( x , y ) d x + φ ( y )

Функцию φ ( y ) мы можем найти из второго уравнения полученной ранее системы:
∂ U ( x , y ) ∂ y = ∂ ∫ P ( x , y ) d x ∂ y + φ y ‘ ( y ) = Q ( x , y ) ⇒ φ ( y ) = ∫ Q ( x , y ) — ∂ ∫ P ( x , y ) d x ∂ y d y

Так мы нашли искомую функцию U ( x , y ) = 0 .

Найдите для ДУ ( x 2 — y 2 ) d x — 2 x y d y = 0 общее решение.

P ( x , y ) = x 2 — y 2 , Q ( x , y ) = — 2 x y

Проверим, выполняется ли условие ∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x :

∂ P ∂ y = ∂ ( x 2 — y 2 ) ∂ y = — 2 y ∂ Q ∂ x = ∂ ( — 2 x y ) ∂ x = — 2 y

Наше условие выполняется.

На основе вычислений мы можем сделать вывод, что левая часть исходного ДУ является полным дифференциалом некоторой функции U ( x , y ) = 0 . Нам нужно найти эту функцию.

Так как ( x 2 — y 2 ) d x — 2 x y d y является полным дифференциалом функции U ( x , y ) = 0 , то

∂ U ∂ x = x 2 — y 2 ∂ U ∂ y = — 2 x y

Интегрируем по x первое уравнение системы:

U ( x , y ) = ∫ ( x 2 — y 2 ) d x + φ ( y ) = x 3 3 — x y 2 + φ ( y )

Теперь дифференцируем по y полученный результат:

∂ U ∂ y = ∂ x 3 3 — x y 2 + φ ( y ) ∂ y = — 2 x y + φ y ‘ ( y )

Преобразовав второе уравнение системы, получаем: ∂ U ∂ y = — 2 x y . Это значит, что
— 2 x y + φ y ‘ ( y ) = — 2 x y φ y ‘ ( y ) = 0 ⇒ φ ( y ) = ∫ 0 d x = C

где С – произвольная постоянная.

Получаем: U ( x , y ) = x 3 3 — x y 2 + φ ( y ) = x 3 3 — x y 2 + C . Общим интегралом исходного уравнения является x 3 3 — x y 2 + C = 0 .

Разберем еще один метод нахождения функции по известному полному дифференциалу. Он предполагает применение криволинейного интеграла от фиксированной точки ( x 0 , y 0 ) до точки с переменными координатами ( x , y ) :

U ( x , y ) = ∫ ( x 0 , y 0 ) ( x , y ) P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y + C

В таких случаях значение интеграла никак не зависит от пути интегрирования. Мы можем взять в качестве пути интегрировании ломаную, звенья которой располагаются параллельно осям координат.

Найдите общее решение дифференциального уравнения ( y — y 2 ) d x + ( x — 2 x y ) d y = 0 .

Проведем проверку, выполняется ли условие ∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x :

∂ P ∂ y = ∂ ( y — y 2 ) ∂ y = 1 — 2 y ∂ Q ∂ x = ∂ ( x — 2 x y ) ∂ x = 1 — 2 y

Получается, что левая часть дифференциального уравнения представлена полным дифференциалом некоторой функции U ( x , y ) = 0 . Для того, чтобы найти эту функцию, необходимо вычислить криволинейный интеграл от точки ( 1 ; 1 ) до ( x , y ) . Возьмем в качестве пути интегрирования ломаную, участки которой пройдут по прямой y = 1 от точки ( 1 , 1 ) до ( x , 1 ) , а затем от точки ( x , 1 ) до ( x , y ) :

∫ ( 1 , 1 ) ( x , y ) y — y 2 d x + ( x — 2 x y ) d y = = ∫ ( 1 , 1 ) ( x , 1 ) ( y — y 2 ) d x + ( x — 2 x y ) d y + + ∫ ( x , 1 ) ( x , y ) ( y — y 2 ) d x + ( x — 2 x y ) d y = = ∫ 1 x ( 1 — 1 2 ) d x + ∫ 1 y ( x — 2 x y ) d y = ( x y — x y 2 ) y 1 = = x y — x y 2 — ( x · 1 — x · 1 2 ) = x y — x y 2

Мы получили общее решение дифференциального уравнения вида x y — x y 2 + C = 0 .

Определите общее решение дифференциального уравнения y · cos x d x + sin 2 x d y = 0 .

Проверим, выполняется ли условие ∂ P ∂ y ≡ ∂ Q ∂ x .

Так как ∂ ( y · cos x ) ∂ y = cos x , ∂ ( sin 2 x ) ∂ x = 2 sin x · cos x , то условие выполняться не будет. Это значит, что левая часть дифференциального уравнения не является полным дифференциалом функции. Это дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными и для его решения подходят другие способы решения.

Содержание
  1. Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода
  2. Контакты
  3. Криволинейные интегралы — определение и вычисление с примерами решения
  4. Криволинейные интегралы
  5. Криволинейный интеграл первого рода
  6. Физический смысл криволинейного интеграла второго рода
  7. Условие независимости криволинейного интеграла второго рода от вида пути интегрирования
  8. Работа потенциальной силы
  9. Вычисление криволинейных интегралов: теория и примеры
  10. Понятие криволинейного интеграла
  11. Криволинейные интегралы первого рода
  12. Криволинейные интегралы второго рода
  13. Вычисление криволинейных интегралов первого рода
  14. Кривая дана в декартовых прямоугольных координатах
  15. Кривая дана в параметрической форме
  16. Вычисление криволинейных интегралов второго рода
  17. Кривая дана в декартовых прямоугольных координатах
  18. Кривая дана в параметрической форме
  19. Больше примеров вычисления криволинейных интегралов
  20. Вычисление длины дуги кривой
  21. Вычисление площади участка плоскости
  22. Вычисление площади цилиндрической поверхности
  23. Вычисление массы материальной кривой
  24. Определение статических моментов материальной кривой
  25. Вычисление моментов инерции материальной кривой
  26. Вычисление координат центра тяжести материальной кривой
  27. Вычисление работы силы
  28. 🔥 Видео

Видео:11. Уравнения в полных дифференциалахСкачать

11. Уравнения в полных дифференциалах

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Запрошуємо усіх хто любить цікаві задачі та головоломки відвідати групу! Зараз діє акція — підтримай студента! Знижки на роботи + безкоштовні консультації.

Контакты

Администратор, решение задач
Роман

Tel. +380685083397
[email protected]
skype, facebook:
roman.yukhym

Решение задач
Андрей

facebook:
dniprovets25

Видео:Математический анализ, 47 урок, Криволинейные интегралы первого родаСкачать

Математический анализ, 47 урок, Криволинейные интегралы первого рода

Криволинейные интегралы — определение и вычисление с примерами решения

Содержание:

Видео:Математический анализ, 48 урок, Криволинейные интегралы второго родаСкачать

Математический анализ, 48 урок, Криволинейные интегралы второго рода

Криволинейные интегралы

Криволинейный интеграл первого рода

Пусть К — некоторая гладкая (или кусочно-гладкая) плоская кривая

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

где t — параметр, а

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

— ее дифференциал дуги. Здесь если Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то dt > 0 и Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода; если же Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то dt 2 . Так как парабола проходит через точку Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то 2 = k — 1 2 и, значит, k = 2, т. е. у = 2х 2 . Отсюда dу = 4х dx и

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаИнтегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

3) На основании свойства 2 имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Так как уравнение ОВ есть у = 0 Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода= 0. Далее, уравнение ВА записывается так: х = 1 Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода; поэтому х'(у) = 0. Из формулы (7) получаем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Заметим, что здесь интеграл I при фиксированных концах пути интегрирования К зависит от вида этого пути.

Пример:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

вдоль линий К, указанных в примере 1.

Воспользовавшись приведенными выше уравнениями линии К, последовательно имеем:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Таким образом, здесь интеграл I имеет одно и то же значение для различных путей, соединяющих точки О и А. Принципиальное различие примеров 1 и 2 будет разъяснено. Если

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

есть кусочно-гладкая пространственная кривая Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода— тройка функций, непрерывных на кривой К, то под соответствующим криволинейным интегралом второго рода понимается интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Физический смысл криволинейного интеграла второго рода

Пусть Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода— непрерывно меняющаяся переменная сила и

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

— путь К, пробегаемый точкой ее приложения (рис. 241); обозначим через Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родабесконечно малый вектор перемещения из текущей точки М (х, у) кривой К в бесконечно близкую точку Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода(мы здесь пренебрегаем бесконечно малыми высшего порядка по сравнению с ds). Имеем ds = . Так как на бесконечно малом пути ds непрерывную силу F можно считать постоянной, то элементарная работа силы равна

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрируя выражение (1) вдоль кривой К, получим работу силы

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Выражение (2), очевидно, есть соответствующий криволинейный интеграл второго рода.

Итак, криволинейный интеграл второго рода представляет собой работу переменной силы вдоль пути интегрирования, проекциями которой на координатные оси являются соответствующие коэффициенты при дифференциалах переменных.

Пример:

Найти работу А переменной силы Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, точка приложения которой описывает параболу ОВ (рис. 242)

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение:

Согласно формуле (2) имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Из уравнения (3) получаем dy = 2х dx, поэтому

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Аналогично, работа пространственной силы

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

вдоль пути К: Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родавыражается криволинейным интегралом второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Условие независимости криволинейного интеграла второго рода от вида пути интегрирования

Пусть Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода— непрерывные функции в области G (рис. 243). Рассмотрим две произвольные точки Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаобласти и всевозможные пути Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родасоединяющие эти точки (М1 — начало пути, М2 — конец пути) и не выходящие за пределы области G. Может случиться, что

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

В таком случае говорят, что криволинейный интеграл второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

не зависит от вида пути интегрирования в данной области G.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Если выполняются условия (1), то для интеграла (2) нет необходимости указывать путь интегрирования, а достаточно отметить лишь его начальную точку Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаи его конечную точку М2 Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода пути. Поэтому здесь употребляется обозначение

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Справедлива следующая теорема:

Теорема: Если в области G подынтегральное выражение X dx + Y dy является полным дифференциалом некоторой функции U = U (х, у), т. е.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

то криволинейный интеграл (2) не зависит от пути интегрирования в области G.

Доказательство: Пусть

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

— произвольный путь К в области G, соединяющий точки Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, причем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Из формулы (4) имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Далее, используя соотношения (6), будем иметь

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Таким образом, значение интеграла I одно и то же при любом выборе функций Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, и, следовательно, интеграл I не зависит от вида пути, соединяющего точки Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Следствие 1. Если выполнено соотношение (4), то в силу (9) имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

(обобщенная формула Ньютона — Лейбница).

Следствие 2. Если подынтегральное выражение X dx + Y dy есть полный дифференциал и путь интегрирования К замкнутый, то

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

(кружок при интеграле обозначает интегрирование вдоль замкнутого пути).

Пример:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение:

Так как у dx + х dy = d (ху), то, независимо от вида пути, соединяющего точки Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Работа потенциальной силы

Теорема предыдущего параграфа имеет физическое содержание. Пусть в области G определено силовое поле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Примером силового поля может служить поле силы тяжести у поверхности Земли, где на любую материальную точку массы т действует сила mg (g — ускорение свободного падения). Более общим примером силового поля является гравитационное поле, создаваемое массой М. Здесь на материальную точку массы Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго роданаходящуюся на расстоянии г от притягивающего центра, согласно закону Ньютона действует сила Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода(k — гравитационная постоянная), направленная к притягивающему центру. Другим примером силового поля служит электрическое поле Кулона.

Если существует функция Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родатакая, что

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

то говорят, что поле потенциальное (иначе, F — потенциальная сила), а функцию U называют потенциалом поля. В этом случае, очевидно,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Отсюда для работы А потенциальной силы F вдоль пути, соединяющего точки Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

т. е. работа потенциальной силы не зависит от вида пути и равна разности потенциалов силы для конечной и начальной точек пути.

В частности, если путь замкнут, то работа А = 0.

Пример:

Найти работу А силы тяжести при перемещении в вертикальной плоскости Оху (вблизи поверхности Земли) точки массы т из положения Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родав положение Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода(рис. 244).

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение:

Если ось Ох горизонтальна, а ось Оу вертикальна, то проекции силы тяжести, действующей на материальную точку массы т, равны X = 0, У = -mg. Имеем

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Поэтому за потенциал поля силы тяжести можно принять

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Отсюда работа силы тяжести, независимо от пути Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, равна

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Замечание. Аналогичные результаты справедливы для криволинейного интеграла, взятого по пространственной кривой. В частности, если

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода
Рекомендую подробно изучить предметы:
  1. Математика
  2. Алгебра
  3. Линейная алгебра
  4. Векторная алгебра
  5. Высшая математика
  6. Дискретная математика
  7. Математический анализ
  8. Математическая логика
Ещё лекции с примерами решения и объяснением:
  • Двойные и тройные интегралы
  • Делимость чисел в математике
  • Обыкновенные дроби
  • Отношения и пропорции
  • Уравнения поверхности и линии в пространстве
  • Общее уравнение плоскости
  • Угол между плоскостями
  • Понятие о производной вектор-функции

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Telegram и логотип telegram являются товарными знаками корпорации Telegram FZ-LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Видео:12. Интегрирующий множитель. Уравнения в полных дифференциалахСкачать

12. Интегрирующий множитель. Уравнения в полных дифференциалах

Вычисление криволинейных интегралов: теория и примеры

Видео:Криволинейный интеграл II рода вдоль плоской кривойСкачать

Криволинейный интеграл II рода вдоль плоской кривой

Понятие криволинейного интеграла

Криволинейные интегралы — обобщение понятия определённого интеграла на случай, когда областью интегрирования является отрезок некоторой кривой, лежащий в плоскости. Общая запись криволинейного интеграла следующая:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

где f(x, y) — функция двух переменных, а L — кривая, по отрезку AB которой происходит интегрирование. Если подынтегральная функция равна единице, то криволинейный интеграл равен длине дуги AB.

Как всегда в интегральном исчислении, криволинейный интеграл понимается как предел интегральных сумм каких-то очень маленьких частей чего-то очень большого. Что же суммируется в случае криволинейных интегралов?

Пусть на плоскости расположен отрезок AB некоторой кривой L, а функция двух переменных f(x, y) определена в точках кривой L. Пусть мы выполняем с этим отрезком кривой следующий алгоритм.

  1. Разделить кривую AB на части точками (рисунки ниже).
  2. В каждой части свободно выбрать точку M.
  3. Найти значение функции в выбранных точках.
  4. Значения функции умножить на
    • длины частей в случае криволинейного интеграла первого рода;
    • проекции частей на ось координат в случае криволинейного интеграла второго рода.
  5. Найти сумму всех произведений.
  6. Найти предел найденной интегральной суммы при условии, что длина самой длинной части кривой стремится к нулю.

Если упомянутый предел существует, то этот предел интегральной суммы и называется криволинейным интегралом от функции f(x, y) по кривой AB.

Случай криволинейного интеграла
первого рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Случай криволинейного интеграла
второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Введём следующие ообозначения.

M i (ζ i ; η i ) — выбранная на каждом участке точка с координатами.

f i (ζ i ; η i ) — значение функции f(x, y) в выбранной точке.

Δs i — длина части отрезка кривой (в случае криволинейного интеграла первого рода).

Δx i — проекция части отрезка кривой на ось Ox (в случае криволинейного интеграла второго рода).

d = maxΔs i — длина самой длинной части отрезка кривой.

Криволинейные интегралы первого рода

Исходя из вышеизложенного о пределе интегральных сумм, криволинейный интеграл первого рода записывается так:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Криволинейный интеграл первого рода обладает всеми свойствами, которыми обладает определённый интеграл. Однако есть одно важное различие. У определённого интеграла при перемене местами пределов интегрирования знак меняется на противоположный:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

В случае же криволинейного интеграла первого рода не имеет значения, какую из точек кривой AB (A или B) считать началом отрезка, а какую концом, то есть

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Криволинейные интегралы второго рода

Исходя из изложенного о пределе интегральных сумм, криволинейный интеграл второго рода записывается так:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

В случае криволинейного интеграла второго рода при перемене местами начала и конца отрезка кривой знак интеграла меняется:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

При составлении интегральной суммы криволинейного интеграла второго рода значения функции f i (ζ i ; η i ) можно умножать также на проекции частей отрезка кривой на ось Oy. Тогда получим интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

На практике обычно используется объединение криволинейных интегралов второго рода, то есть две функции f = P(x, y) и f = Q(x, y) и интегралы

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

а сумма этих интегралов

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

называется общим криволинейным интегралом второго рода.

Видео:Видеоурок "Уравнение в полных дифференциалах"Скачать

Видеоурок "Уравнение в полных дифференциалах"

Вычисление криволинейных интегралов первого рода

Вычисление криволинейных интегралов первого рода сводится к вычислению определённых интегралов. Рассмотрим два случая.

Кривая дана в декартовых прямоугольных координатах

Пусть на плоскости задана кривая y = y(x) и отрезку кривой AB соответствует изменение переменной x от a до b. Тогда в точках кривой подынтегральная функция f(x, y) = f(x, y(x)) («игрек» должен быть выражен через «икс»), а дифференциал дуги Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаи криволинейный интеграл можно вычислить по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Если интеграл проще интегрировать по y, то из уравнения кривой нужно выразить x = x(y) («икс» через «игрек»), где Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаи интеграл вычисляем по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Пример 1. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где AB — отрезок прямой между точками A(1; −1) и B(2; 1) .

Решение. Составим уравнение прямой AB , используя формулу Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода(уравнение прямой, проходящей через две данные точки A(x 1 ; y 1 ) и B(x 2 ; y 2 ) ):

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Из уравнения прямой выразим y через x :

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Тогда Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаи теперь можем вычислять интеграл, так как у нас остались одни «иксы»:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Кривая дана в параметрической форме

Пусть в пространстве задана кривая

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Тогда в точках кривой функцию нужно выразить через параметр t (Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода) а дифференциал дуги Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, поэтому криволинейный интеграл можно вычислить по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Аналогично, если на плоскости задана кривая

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

то криволинейный интеграл вычисляется по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Пример 2. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — часть линии окружности

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

находящаяся в первом октанте.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Данная кривая — четверть линии окружности, расположенная в плоскости z = 3 . Она соответствует значениям параметра Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Так как

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

то дифференциал дуги

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Подынтегральную функцию выразим через параметр t :

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Теперь, когда у нас всё выражено через параметр t , можем свести вычисление данного криволинейного интеграла к определённому интегралу:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Видео:Уравнение в полных дифференциалахСкачать

Уравнение в полных дифференциалах

Вычисление криволинейных интегралов второго рода

Так же, как и в случае криволинейных интегралов первого рода, вычисление интегралов второго рода сводится к вычислению определённых интегралов.

Кривая дана в декартовых прямоугольных координатах

Пусть дана кривая на плоскости уравнением функции «игрек», выраженной через «икс»: y = y(x) и дуге кривой AB соответствует изменение x от a до b . Тогда в подынтегральную функцию подставим выражение «игрека» через «икс» и определим дифференциал этого выражения «игрека» по «иксу»: Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Теперь, когда всё выражено через «икс», криволинейный интеграл второго рода вычисляется как определённый интеграл:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Аналогично вычисляется криволинейный интеграл второго рода, когда кривая дана уравнением функции «икс», выраженной через «игрек»: x = x(y) , Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. В этом случае формула для вычисления интеграла следующая:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 3. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, если

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

а) Вычислим криволинейный интеграл по отрезку прямой (на рисунке — синяя). Напишем уравнение прямой и выразим «игрек» через «икс»:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Получаем dy = dx . Решаем данный криволинейный интеграл:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

б) если L — дуга параболы y = x² , получим dy = 2xdx . Вычисляем интеграл:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

В только что решённом примере получили в двух случаях один и тот же результат. И это не совпадение, а результат закономерности, так как данный интеграл удовлетворяет условиям следующей теоремы.

Теорема. Если функции P(x,y) , Q(x,y) и их частные производные Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода— непрерывные в области D функции и в точках этой области частные производные равны, то криволинейный интеграл Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родане зависит от пути интегрирования по линии L , находящейся в области D .

Кривая дана в параметрической форме

Пусть в пространстве дана кривая

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

а в подынтегральные функции подставим

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

выражения этих функций через параметр t . Получаем формулу для вычисления криволинейного интеграла:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 4. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

отвечающая условию y ≥ 0 .

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Данная кривая — часть эллипса, находящаяся в плоскости z = 2 . Она соответствует значению параметра Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

можем представить криволинейный интеграл в виде определённого интеграла и вычислить его:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Если дан криволинейный интеграл и L — замкнутая линия, то такой интеграл называется интегралом по замкнутому контуру и его проще вычислить по формуле Грина.

Видео:Криволинейный интеграл по длине дуги ➜ Криволинейный интеграл 1-го родаСкачать

Криволинейный интеграл по длине дуги ➜ Криволинейный интеграл 1-го рода

Больше примеров вычисления криволинейных интегралов

Пример 5. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — отрезок прямой Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родамежду точками её пересечения с осями координат.

Решение. Определим точки пересечения прямой с осями координат. Подставив в уравнение прямой y = 0 , получим Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Подставив x = 0 , получим Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Таким образом, точка пересечения с осью OxA(2; 0) , с осью OyB(0; −3) .

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Из уравнения прямой выразим y :

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Теперь можем представить криволинейный интеграл в виде определённого интеграла и начать вычислять его:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

В подынтегральном выражении выделяем множитель Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, выносим его за знак интеграла. В получившемся после этого подынтегральном выражении применяем подведение под знак дифференциала и окончательно получаем:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 6. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — дуга параболы Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родамежду точками О(0; 0) и B(2; 2) .

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Так как Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Теперь можем представить криволинейный интеграл в виде определённого интеграла и вычислить его:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 7. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — дуга астроиды

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

в первом квадранте.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. В первом квадранте Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Определим дифференциал дуги:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Представляем криволинейный интеграл в виде определённого интеграла и вычисляем его:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 8. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — первая арка циклоиды

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Циклоида образует первую арку при изменении параметра t от 0 до 2π . Определим дифференциал дуги:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Подставим в криволинейный интеграл dl и y , выраженные через параметр t и получаем:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 9. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — отрезок прямой от точки A(1; 1) до точки B(3; 5) .

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Составим уравнение прямой AB :

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Из полученного уравнения прямой выразим «игрек»:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Поэтому Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаи теперь можем вычислить данный криволинейный интеграл:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Пример 10. Вычислить криволинейный интеграл

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — первая арка циклоиды

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Из уравнений кривой следует

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Так как циклоида образует первую арку при изменении параметра t от 0 до 2π , то получаем соответствующие пределы интегрирования. Решаем данный криволинейный интеграл:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Уравнением кривой M 0 M 1 является y = 1 , тогда dy = 0 , на кривой M 1 M x — константа, значит, dx = 0 . Продолжаем и завершаем решение:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Вычисление длины дуги кривой

Если подынтегральная функция равна единице, то криволинейный интеграл первого рода равен длине дуги кривой L:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Пример 12. Вычислить длину дуги кривой

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Составляем криволинейный интеграл первого рода:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Определим производную «игрека»:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Продолжаем и завершаем решение:

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Вычисление площади участка плоскости

Если границей участка D плоскости является кривая L, то площадь участка D можно вычислить в виде криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Пример 13. Вычислить площадь участка плоскости, ограниченного эллипсом

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Площадь участка плоскости можно вычислить как криволинейный интеграл второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

где L — замкнутая линия, ограничивающая участок. Так как

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Вычисление площади цилиндрической поверхности

Пусть на плоскости xOy дана гладка кривая L, в точках которой определена непрерывная функция двух переменных Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Построим цилиндрическую поверхность, образующая которой параллельна оси Oz, и которая заключена между кривой L и поверхностью Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Площадь этой цилиндрической поверхности можно вычислить по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Вычисление массы материальной кривой

Если L — материальная кривая с плотностью Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода, то массу материальной кривой можно вычислить по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Определение статических моментов материальной кривой

Статические моменты материальной кривой с плотностью Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаотносительно осям координат вычисляются по формулам

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Вычисление моментов инерции материальной кривой

Моменты инерции материальной кривой с плотностью Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаотносительно осей координат и начала системы координат можно вычислить по формулам

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Вычисление координат центра тяжести материальной кривой

Координаты центра тяжести Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаматериальной кривой с плотностью Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаможно определить по формулам

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода,

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Вычисление работы силы

Если под воздействием переменной силы Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаматериальная точка перемещается из точки M в точку N по кривой L=MN, то приложенную работу можно вычислить по формуле

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Пример 14. В каждой точке плоскости действует сила Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода. Вычислить работу, совершаемую силой при перемещении единицы массы по дуге параболы Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго родаиз точки O(0;0) в точку А(4;2) .

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода

Решение. Работу силы вычислим как криволинейный интеграл второго рода

Интегрирование уравнения в полных дифференциалах с помощью криволинейного интеграла второго рода.

Используя уравнение параболы, производим замену переменной

🔥 Видео

Независимость криволинейного интеграла 2 рода от пути интегрированияСкачать

Независимость криволинейного интеграла 2 рода от пути интегрирования

Дифференциальные уравнения, 6 урок, Уравнения в полных дифференциалахСкачать

Дифференциальные уравнения, 6 урок, Уравнения в полных дифференциалах

Уравнение в полных дифференциалахСкачать

Уравнение в полных дифференциалах

Криволинейный интеграл 2 родаСкачать

Криволинейный интеграл 2 рода

Криволинейный интеграл первого родаСкачать

Криволинейный интеграл первого рода

Криволинейный интеграл 2-го рода.Работа.ВидеоСкачать

Криволинейный интеграл 2-го рода.Работа.Видео

Формула ГринаСкачать

Формула Грина

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.Скачать

18+ Математика без Ху!ни. Дифференциальные уравнения.

Криволинейный интеграл 1 родаСкачать

Криволинейный интеграл 1 рода

Уравнения в полных дифференциалахСкачать

Уравнения в полных дифференциалах

Криволинейный интеграл 2 рода это просто. Вычисляем криволинейный интеграл 2 рода.Скачать

Криволинейный интеграл 2 рода это просто. Вычисляем криволинейный интеграл 2 рода.
Поделиться или сохранить к себе: