Поверхневі інтеграли
.
(9)
У правій
частині рівності
(9) міститься
інтегральна
сума для функції
.
Ця функція
неперервна
в області
,
тому
інтегрована
в ній.
Перейшовши
в рівності (9)
до границі при
,
отримаємо
формулу
,
яка виражає
поверхневий
інтеграл другого
роду по змінних
і
через
подвійний. Якщо
вибрати нижню
сторону поверхні
(нормаль до
поверхні утворює
з віссю
тупий кут), то
одержаний
подвійний
інтеграл беруть
із знаком «мінус»,
тому
.(10)
Аналогічно
;(11)
.(12)
У формулі
(11) гладку поверхню
задано рівнянням
,
а у формулі
(12)
– рівнянням
.
Знак «плюс»
беремо у цих
формулах тоді,
коли нормаль
до поверхні
утворює відповідно
з віссю
,
з віссю
гострий
кут, а знак «мінус»
– коли тупий
кут;
,
– проекції
поверхні
на площини
та
відповідно.
Для обчислення
загального
інтеграла (8)
використовують
формули (10) – (12),
проектуючи
поверхню
на всі
три координатні
площини. Таким
чином,
Правильність вибору знаків перед подвійними інтегралами можна перевірити за допомогою формули
,
яка визначає
одиничний
нормальний
вектор до поверхні
.
Подвійний знак
у цій формулі
відповідає
двом сторонам
поверхні
.
З формули
(8) випливає, що
знак перед
подвійним
інтегралом
збігається
із знаком
відповідного
напрямного
косинуса нормалі
:
.
Якщо поверхня
неоднозначно
проектується
на будь-яку
координатну
площину, то цю
поверхню розбивають
на частини, а
інтеграл (8) –
на суму інтегралів
по одержаних
частинах поверхні
.
3. Формула Остроградського-Гаусса
Формула Остроградського-Гаусса встановлює зв'язок між поверхневим інтегралом по замкненій поверхні і потрійним інтегралом по просторовій області, обмеженій цією поверхнею. Ця формула є аналогом формули Гріна, яка, як відомо, встановлює зв'язок криволінійного інтеграла по замкненому контуру з подвійним інтегралом по плоскій області, обмеженій цим контуром.
Нехай
замкнена область
обмежена
замкненою
поверхнею
,
причому знизу
та зверху обмежена
гладкими поверхнями
та
,
рівняння яких
та
(рис.
7).
Рисунок 7
– Замкнена
область
Припустимо,
що проекцією
області
на площину
є область
.
Нехай
в області
визначено
неперервну
функцію
,
яка в
цій області
має неперервну
похідну
.
Розглянемо потрійний інтеграл
.
У правій
частині цієї
рівності перший
подвійний
інтеграл запишемо
за допомогою
поверхневого
інтеграла по
зовнішній
стороні поверхні
,
а другий подвійний
інтеграл – по
зовнішній
стороні поверхні
.
Враховуючи
кути між нормаллю
та віссю
,
отримуємо
.(13)
Аналогічно,
припустивши,
що функції
,
неперервні
в області
,
можна отримати
формули
,(14)
.(15)
Додавши почленно рівності (13), (14) і (15), отримаємо формулу
,(16)
яку називають
формулою
Остроградського-Гаусса.
Ця формула
справедлива
і для довільної
області
,
яку можна
розбити на
скінченне число
областей, для
яких виконуються
рівності (13) –
(15).
За допомогою формули Остроградського-Гаусса зручно обчислювати поверхневі інтеграли по замкнених поверхнях.
4. Формула Стокса
Формула
Стокса встановлює
зв'язок між
поверхневим
і криволінійним
інтегралами.
Нехай
– поверхня,
задана рівнянням
,
причому
функції
– неперервні
в області
– проекції
поверхні
на площину
;
– контур,
який обмежує
,
а
– проекція
контуру
на площину
,
тобто
– межа області
.
Виберемо
верхню сторону
поверхні
(рис.
8).
Рисунок 8
– Поверхня
Якщо функція
неперервна
разом із своїми
частинними
похідними
першого порядку
на поверхні
,
то справедлива
формула
.(17)
поверхневий інтеграл формула стокс
Доведення
Перетворимо
криволінійний
інтеграл, який
міститься у
лівій частині
рівності (17).
Оскільки контур
лежить
на поверхні
,
то координати
його точок
задовольняють
рівняння
,
і тому
значення функції
у точках контуру
дорівнюють
значенням
функції
у відповідних
точках контуру
.
Звідси випливає,
що
.
Застосовуючи до знайденого інтеграла формулу Гріна, отримаємо
.
Тут підінтегральна
функція дорівнює
частинній
похідній по
від
складеної
функції
.
Оскільки
– верхня
сторона поверхні,
тобто
(
– гострий кут
між нормаллю
до поверхні
і віссю
),
то нормаль
має проекції
.
Але
напрямні косинуси
нормалі пропорційні
відповідним
проекціям, тому
,
Тоді
Отже,
.
Аналогічно можна довести, що при відповідних умовах справедливі формули:
;(18)
.(19)
Додаючи почленно рівності (17), (18) і (19), отримуємо формулу
,
яка називається формулою Стокса. За допомогою формули (8), яка пов'язує поверхневі інтеграли першого та другого роду, цю формулу можна записати так:
(20)
Формула Стокса дає змогу обчислювати криволінійні інтеграли по замкнутих контурах за допомогою поверхневих інтегралів.
З формули Стокса випливає, що коли виконуються рівності
,(21)
то криволінійний
інтеграл по
довільному
просторовому
замкненому
контуру
дорівнює нулю:
.(22)
А це означає, що в даному випадку криволінійний інтеграл не залежить від форми контура інтегрування.
Размещено на