background image

1

Łuk gładki

Definicja

• Łukiem gładkim w przestrzeni

R

nazywamy zbiór

=

x, y, z ∈ R

3

x(t), y y(t), z z(t); α

β

,

gdzie:

– różnym wartościom parametru

t ∈ (α, β)

odpowiadają różne

punkty łuku

L

,

– funkcje

x(t), y y(t), z z(t)

są klasy

C

1

([α, β])

,

– dla każdego

t ∈ [α, β]

 

x

0

(t)

!

2

+

 

y

0

(t)

!

2

+

 

z

0

(t)

!

2

0

.

background image

2

• Łuk nazywamy kawałkami gładkim, jeżeli można go podzielić na

skończona liczbę łuków gładkich, tj.

L

1

∪ L

2

∪ . . . ∪ L

n

.

background image

3

• Równanie

~

~

r(t)

, gdzie

t ∈ [α, β]

nazywamy równaniem

wektorowym łuku

L

, przy czym jeżeli:

L ⊂ R

3

to

~

r(t) = [ x(t, y(t, z(t) ]

L ⊂ R

2

to

~

r(t) = [ x(t, y(t) ]

• Jeżeli

~

r(α) = ~

r(β)

, to łuk

L

jest em łukiem zamkniętym

(krzywą zamkniętą).

background image

4

Całka krzywoliniowa niezorientowana

Definicja

Całkę krzywoliniową z funkcji

()

ciągłej na

łuku gładkim

~

~

r(t), t ∈ [α, β]

, oznaczamy symbolem

Z

L

(dl

lub

Z

L

(x, y, zdl




Z

L

(x, ydl




i określamy wzorem:

Z

L

(dl

def

=

β

Z

α

(~

r(t)) · | ~

r

0

(t| dt.

background image

5

Przypadki szczególne:

• Jeżeli łuk gładki

L

jest opisany równaniem wektorowym

~

r(t) = [ x(t, y(t, z(t) ] , t ∈ [α, β]

, to

Z

L

(x, y, zdl =

=

β

Z

α

x(t, y(t, z(t) ) ·

v
u
u
t

x

0

(t) )

2

+ ( y

0

(t) )

2

+ ( z

0

(t) )

2

dt.

• Jeżeli łuk gładki

L

jest opisany równaniem wektorowym

~

r(t) = [ x(t, y(t) ] , t ∈ [α, β]

, to

Z

L

(x, ydl =

=

β

Z

α

x(t, y(t) ) ·

v
u
u
t

x

0

(t) )

2

+ ( y

0

(t) )

2

dt.

background image

6

• Jeżeli łuk gładki

L

jest wykresem funkcji klasy

C

1

([a, b ])

danej

wzorem

y(x), x ∈ [a, b]

, to

Z

L

(x, ydl =

b

Z

a

x , y(x) ) ·

v
u
u
t

1 + ( y

0

(x) )

2

dx.

Przykład

Oblicz

Z

L

z

2

x

2

y

2

dl ,

gdzie

L

jest krzywą zadaną parametrycznie równaniami

cos t, y sin t, z at

dla

a > 0

i

0

6 2π

.

Przykład

Oblicz

Z

L

y

2

1 + x dl ,

gdzie

L

jest łukiem

=

2
3

x

x

dla

0

6 3

.

background image

7

Własności całki krzywoliniowej niezorientowanej

Założmy, że istnieją całki

Z

L

(dl

i

Z

L

g(dl

• Wówczas:

Z

L

() + g() ) dl

=

Z

L

(dl +

Z

L

g(dl

• Dla dowolnej stałej

c ∈ R

Z

L

c · f (dl

=

c ·

Z

L

(dl

background image

8

• Jeżeli łuk

L

jest kawałkami gładki i

L

1

∪ L

2

∪ . . . ∪L

,

to

Z

L

(dl

=

Z

L

1

(dl +

Z

L

2

(dl . . . +

Z

L

n

(dl.

Przykład

Oblicz

Z

L

xy dl ,

gdzie

L

jest obwodem kwadratu

|x| |y| a

dla

a > 0

.

Przykład

Oblicz

Z

L

(ydl ,

gdzie

L

jest brzegiem trójkąta o wierzchołkach

(00)(01)(10)

.

background image

9

• Jeżeli funkcja

f

jest ciągła na łuku gładkim

L

i

= max

P ∈L

| f (|

, to









Z

L

(dl









6

Z

L

| f (| dl M ·

Z

L

dl,

przy czym całka

Z

L

dl

def

=

| L |

jest długością łuku

L

.

Przykład

Oblicz długość łuku krzywej:

t

,

=

− t

dla

0

6 2

.

background image

10

Zastosowania całki krzywoliniowej w mechanice

Niech

%(x, y)

będzie daną ciągłą gęstością liniową masy łuku

gładkiego

L ⊂ R

.

• Masa łuku

L

:

M

def

=

Z

L

%(x, ydl

• Momenty statyczne łuku

L

względem osi układu:

M

X

def

=

Z

L

y %(x, ydl,

M

Y

def

=

Z

L

x %(x, ydl,

background image

11

• Współrzędne środka ciężkości:

x

c

def

=

M

Y

M

=

1

M

Z

L

x %(x, ydl,

y

c

def

=

M

X

M

=

1

M

Z

L

y %(x, ydl,

• Momenty bezwładności łuku

L

względem osi układu:

I

X

def

=

Z

L

%(x, y, zy

2

dl,

I

Y

def

=

Z

L

%(x, y, zx

2

dl,

• Moment bezwładności łuku

L

względem początku układu:

I

O

def

=

Z

L

%(x, y, z) ( x

2

y

2

dl,

background image

12

Niech

%(x, y, z)

będzie daną ciągłą gęstością liniową masy

łuku gładkiego

L ⊂ R

.

• Masa łuku

L

:

M

def

=

Z

L

%(x, y, zdl

• Momenty statyczne łuku

L

względem płaszczyzn układu:

M

XY

def

=

Z

L

z %(x, y, zdl,

M

XZ

def

=

Z

L

y %(x, y, zdl,

M

Y Z

def

=

Z

L

x %(x, y, zdl,

background image

13

• Współrzędne środka ciężkości:

x

c

def

=

M

Y Z

M

=

1

M

Z

L

x %(x, y, zdl,

y

c

def

=

M

XZ

M

=

1

M

Z

L

y %(x, y, zdl,

z

c

def

=

M

XY

M

=

1

M

Z

L

z %(x, y, zdl,

• Momenty bezwładności łuku

L

względem osi układu:

I

X

def

=

Z

L

%(x, y, z) ( y

2

z

2

dl,

I

Y

def

=

Z

L

%(x, y, z) ( x

2

z

2

dl,

I

Z

def

=

Z

L

%(x, y, z) ( x

2

y

2

dl,

background image

14

• Moment bezwładności łuku

L

względem początku układu:

I

O

def

=

Z

L

%(x, y, z) ( x

2

y

2

z

2

dl,

Przykład

Oblicz masę odcinka o końcach

A(123)

i

B(022)

,

jeżeli gęstość liniowa masy w punkcie

(x, y, z)

tego odcinka jest

równa

xyz

.

Przykład

Oblicz masę asteroidy

= cos

3

t

,

= sin

3

t

, której

gęstość w każdym punkcie jest równa kwadratowi jego odległościod

środka obszaru ograniczonego przez asteroidę.

Przykład

Oblicz moment bezwładności względem osi

OZ

łuku

L

o gęstości liniowej

%(x, y, z) = z

, jeżeli łuk jest opisany równaniem

cos t,

sin t,

t

dla

0

6 4π

.

background image

15

Krzywa zadana równaniem we współrzędnych biegunowych

:

r(ϕ),

ϕ

1

ϕ ϕ

2

background image

16

Przykład

Sprowadzić całkę krzywoliniową

Z

L

(x, ydl

do całki oznaczonej, jeżeli łuk gładki

L

jest dany we współrzędnych

biegunowych.

Z

L

(x, ydl =

ϕ

2

Z

ϕ

1

r(ϕ) cos ϕ , r(ϕ) sin ϕ )

s

r(ϕ) + r

0

(ϕ

Przykład

Oblicz

masę

kardioidy

danej

równaniem

a( 1 + cos ϕ )

dla

0

ϕ 6 2π

, jeżeli gęstość masy tej krzywej

wynosi

%(x, y) =

v
u
u
t

2

s

x

2

y

.

background image

17

Pole płata powierzchniowego

Σ =

Z

L

(x, ydl

L ⊂ R

2

(x, y) > 0

background image

18

Przykład

Oblicz pole powierzchni bocznej walca

x

2

y

2

= 1

,

ograniczonej powierzchniami

= 0,

= 2 + xy

.