Зведення криволінійного інтегралу І роду до інтегралу Римана

Визначення криволінійного інтегралу І роду

План

Лекція 41. Криволінійні інтеграли І роду

  1. Задача про обчислення маси кривої
  2. Визначення криволінійного інтегралу І роду
  3. Зведення криволінійного інтегралу І роду до інтегралу Римана

 

1.Задача про обчислення маси кривої

Нехай на площині задана неперервна проста спрямлювана крива деякої маси (рис.1), відома функція її лінійної густини у всіх точках кривої. Необхідно визначити масу всієї кривої .

Розіб’ємо криву на частки довільно обраними на ній проміжковими точками (рис.1). Для визначеності будемо вважати, що точки

 

 

 

занумеровані у напряму від до (але можливо і навпаки). На кожні частковій дузі оберемо довільно точку , з координатами (рис.1). Обчислимо в точках , значення . Будемо вважати, що в кожній точці часткової дуги така ж сама густина. Позначимо довжину дуги . Тоді маса часткової дуги буде оцінюватися як

 

,

 

а . (10)

 

Якщо всі прямують до 0, то похибка для , що обчислюється за допомогою формули (10), теж наближається до 0.

Нехай

 

,

 

тоді

. (20)

 

Розглянута задача дає наочне представлення про криволінійний інтеграл І роду.

 

Нехай вздовж кривої визначена якась функція , яку назовемо «функцією точки». Повторимо дії, що були проведені вище для задачі про масу кривої для довільної функції . Нехай , побудуємо

 

= . (30)

 

Сума (30) є інтегральною сумою для криволінійного інтегралу І типу.

Аналогічний процес побудови інтегральної суми можна використовувати і в випадку замкненої кривої.

Визначення 1. Нехай існує скінченна границя

 

,

 

яка не залежить ні від способу розбивки на частки , ні від вибору проміжкових точок , то ця границя називається криволінійним інтегралом І роду від функції по кривій і позначається:

 

.

 

Тоді відповідно до формули (20) і визначення 1 маса кривої обчислюється як

 

.

 

Зауваження 1. В визначенні криволінійного інтегралу І роду немає значення напрямок, який обирається на кривій , тобто, якщо точки - це кінці кривої , то

 

.

 

Аналогічно визначається криволінійний інтеграл І роду по кривій , яка знаходиться не на площині, а в тривимірному просторі:

 

.

 

Припустимо, що на кривій обрано напрямок від до (один з двох можливих). Тоді положення довільної точки на кривій може бути визначено не тільки її координатами , а і довжиною дуги , яка відраховується від початкової точки . Тоді крива може бути параметрично визначена наступним чином:

 

,

 

де - довжина всієї кривої . Функція , яка визначена вздовж кривої , зведеться до складної функції від змінної .

Позначимо значення довжин дуг, які відповідають на кривій точкам , через , тоді

 

.

 

Позначимо через , значення довжини дуги, які визначають положення точок . Тоді

 

,

 

тобто інтегральна сума для криволінійного інтеграла І роду є одночасно інтегральною сумою для звичайного визначеного інтегралу Римана, тому маємо:

 

, (40)

 

(де означає звичайний інтеграл Римана), до того ж існування одного інтеграла веде за собою існування іншого.

Будемо далі припускати, що функція , яка визначена на кривій , є неперервною. Нехай тепер проста крива визначена довільними параметричними рівняннями:

 

, (45)

 

де функції - неперервні. Тоді крива є спрямлюваною і, якщо зростання дуги відповідає зростанню параметра , то (як відомо з теми «Застосування інтеграла Римана»)

 

. (50)

 

Тоді

 

 

 

Таким чином, в випадку, коли крива визначена параметрично за допомогою (45), формула зведення криволінійного інтегралу І типу до інтеграла Римана має вид:

 

. (60)

 

Нехай тепер крива визначена за допомогою звичайного рівняння:

 

, (70)

 

тоді для того, щоб застосувати формулу (60) в цьому випадку, приведемо завдання кривої (70) до параметричного виду звичайним способом, розглядаючи змінну як параметр:

 

.

 

Формула (60) приймає вид:

 

. (80)

 

Приклад. Обчислити криволінійний інтеграл І типу , де - це чверть еліпсу , яка знаходиться в І квадранті.

Перейдемо до параметричного завдання потрібної частки еліпсу:

 

.

 

Тоді

.