Математика Электротехника Лабораторные по электронике Строительная механика Машиностроительное черчение Атомная энергетика Ядерные реакторы История искусства На главную

А если завтра контрольная?

ЗАДАНИЕ 7. Найти объем тела, ограниченного указанными поверхностями.

  Приведем решение двух задач на вычисление объемов тел, рассматривая тела с различной геометрией поверхности.

1) ,

2)   .

РЕШЕНИЕ.

 1). Тело  ограничено двумя поверхностями: параболоидом   и плоскостью . Изобразим это тело на чертеже (рис.75).

Рис.75

 Данное тело является -цилиндрическим брусом (рис.72); боковая поверхность выродилась в линию пересечения заданных поверхностей. Найдем область, в которую тело проектируется на плоскость , для чего из уравнений поверхностей, ограничивающих тело, следует исключить переменную  (т.е. совершить ортогональное проектирование):

  и .

Таким образом, областью  () является круг с центром в точке (0; 1) радиуса =1  (см. рис.75).

 Объем тела может быть вычислен с помощью тройного интеграла по формуле . В декартовой системе координат тройной интеграл записывается через повторный следующим образом:

,

откуда видно, что его вычисление сопряжено со значительными трудностями (на завершающей стадии вычисления повторного интеграла).

 Запишем интеграл в цилиндрической системе координат , с которой декартова система связана формулами

.

Якобиан  преобразования . Формула перехода (в интеграле) имеет вид

.

В нашем случае

.

Запишем уравнения параболоида и плоскости в цилиндрической системе координат:

.

Для окружности  имеем ; угол , очевидно, необходимо менять в пределах от 0 до . Таким образом ,

 

===.

Ответ. =.

 2) Изобразим тело , ограниченное поверхностями цилиндра , параболоида  и плоскостью  (рис.76).

Рис.76

Чтобы тройной интеграл записать в виде повторного, перейдем в уравнениях ограничивающих тело поверхностей к сферическим координатам. Следует использовать соотношения

.

Уравнение   переходит в , уравнение   в ; для уравнения конуса  получим последовательно: ,   и , откуда  и ; уравнение плоскости  переходит в уравнение , уравнение плоскости  в , т.е. в . Таким образом,

.

  Так как подынтегральная функция представляет собой произведение функций, каждая из которых зависит только от одной переменной, а пределы интегрирования постоянны, то повторный интеграл представляет собой просто произведение трех интегралов

ЗАДАНИЕ  9. Найти массу пластинки

():  ,

Плотность массы пластинки 

РЕШЕНИЕ.

 Область () – это часть эллиптического кольца (на рис.78 область () заштрихована). Массу плоской области можно вычислить по формуле

.

Подставляя заданную плотность  в двойной интеграл, для массы получим

.

Рис.78

 Очевидно, что область () не является ни -, ни - трапецией; при вычислении двойного интеграла в декартовой системе координат область () пришлось бы разбить на три области. Как для областей, заключенных между концентрическими окружностями с центром в начале координат “родной” является полярная система координат, так и для эллиптических колец  “своей “ является эллиптическая система координат (обобщенная полярная система координат)

Цилиндрический брус проектируется на плоскость  в криволинейную трапецию (D): 0 x 1, 0 y . Преобразуем тройной интеграл в повторный и вычислим его:

=

=[ замена переменных  ]=

Замечание. В цилиндрической системе координат вычисления упрощаются:

ЗАДАНИЕ 11. Вычислить криволинейный интеграл

по формуле Грина; замкнутый контур () складывается из двух кривых:  и  (см. рис. 80).

ЗАДАНИЕ 12. Вычислить массу дуги кривой () при заданной плотности :

1)  

2) (.

3) (.

РЕШЕНИЕ.

1) Рассматривается случай параметрического задания кривой (). Массу плоской кривой можно вычислить с помощью криволинейного интеграла первого рода: . Для вычисления его нужно свести к определенному интегралу от функции одной переменной по отрезку по формуле:

.

РЕШЕНИЕ.

Работа силы по перемещению материальной точки единичной массы есть линейный интеграл вдоль дуги  от точки  до точки 

.

Последний интеграл есть криволинейный интеграл второго рода по пространственной кривой . Его вычисление сводится к вычислению определенного интеграла, для чего кривую  надо представить в параметрической форме (условием задачи кривая  задана в виде линии пересечения поверхности кругового цилиндра  с плоскостью , см. рис.81).

Пример. Найдем , где - модуль радиус-вектора.

и .

По формуле 5 из этого равенства следует:

Мы получили формулу для вычисления гдариента радиальной функции.

Рассмотрим теперь поверхность уровня скалярного поля , т.е. поверхность, задаваемую уравнением . Предположим, что - непрерывно дифференцируемая функция от . Тогда уравнение касательной плоскости в точке , лежащей на этой поверхности,

Координаты вектора градиента представляют собой коэффициенты этого уравнения. Поэтому - нормаль к касательной плоскости в т. и, по определению, нормаль к самой поверхности уровня в этой точке.

Поток вектора через поверхность. Дивергенция векторного поля. Пусть - векторное поле, - двусторонняя поверхность. Пусть выбрана сторона, т.е. нормаль . Назовем - потоком вектораКурс лекций математического анализачерез поверхность в указанную сторону.

Этот термин совпадает со следующей гидродинамической задачей. Пусть - вектор скорости течения жидкости в момент . Посчитаем, сколько жидкости пройдет через малую часть поверхности за момент времени . Этот объем жидкости представляет собой цилиндр с основанием и высотой , т.е. этот объем равен .

Тогда для всей воверхности получим . Таким образом, поток представляет собой скорость изменения количества протекающей через жидкости в рассматриваемый момент времени.


На главную