Розв’язок. Нехай радіус сфери R. В центрі сфери розмістимо прямокутну декартову систему координат. Тоді її рівняння буде . Який завгодно діаметр сфери буде її віссю симетрії, а тому за фіксований візьмемо діаметр, який співпадає з віссю Оу, рис. 10.5. Квадрат віддалі довільної точки від вісі Оу буде . За умовою ця функція є поверхнева густина, а тому маса сфери буде . Маса кожного із вісьми сегментів сфери, які розміщаються в кожному із вісьми
октантів буде однакова, а тому доцільно обчислити її при , тобто для першого октанту. Згідно з (10.7) маємо . – це косинус кута між віссю Oz та векторм нормалі до поверхні , в нашому випадку . Знайдемо вектор нормалі . Для сфери це буде . Напрямний Рис.10.5. вектор вісі Оz , а косинус кута між цими векторами знаходимо
з скалярного добутку
. Замінимо , підставимо в інтеграл і одержимо . Областю інтегрування є чверть круга при . Границі інтегрування в подвійному інтегралі очевидні
Відп. (одиниць маси)
Обчислити поверхневі інтеграли по координатах (інтегрли ІІ-го типу).
П.3. , де S – зовнішня сторона піраміди утвореної площинами .
Розв’язок. Зовнішня сторона піраміди, див. рис.10.4, (як, до речі, і внутрішня) складається з чотирьох поверхонь її граней. Крім точки , вершинами піраміди будуть точки перетину площини з вісями координат . Обчислення інтегралу заданого за умовою перетвориться в обчислення читирьох інтегралів по чотирьох частинах поверхні . Запишемо рівняння цих поверхонь і поведінку змінних та їх диференціалів на цих поверхнях.
: рівняння ; змінюються всі змінні ;.
: рівняння ; змінюються лише координати х і z. ; .
: рівняння ; змінюються лише координати х і у. ; .
: рівняння ; змінюються лише координати z і у. ; .
Обчислимо інтеграл по кожній з поверхонь.
. Зрозуміло за умовою на яку координатну площину який доданок проектується і яка змінна повинна виражатись через інші. Всі області мають однаковий вид – рівнобедрені прямокутні трикутники, а тому далі:
. Інтеграли відрізняються один від одного лише видом змінних, тому за величиною вони однакові. Обчислимо перший.
. буде втричі більший, тобто .
Приступимо до обчислення . Проектувати цю поверхню нікуди не треба бо вона вже лежить на координатній площині. ЇЇ проекції на інші координатні площини є відрізками ОА і ОВ, які не мають площі. Через те із трьох інтегралів два перших дорівнюють нулю із-за рівності нулю площі областей інтегрування, а третій при обчисленні також дасть нуль бо в цій області у=0. По двох інших областях одержимо такий же результат і з тих же самих причин.
Відповідь. 1/8.
П.4. , де S – додатня сторона нижньої половини сфери.
Розв’язок. Обчислювати інтеграл будемо використовуючи проектування поверхні S на площину хОу (на це нас прирікає умова, де під інтегралом стоїть ). При проектуванні одержимо область – круг , рис.10.6. Рівняння нижньої частини сфери в яному виді буде . Кут – між віссю Оz і нормаллю, для всієї нижньої півсфери буде тупий, а тому . При обчисленні цього подвійного інтегралу, зважаючи
Рис.10.6. на круглу область і наявність в функції виразу , доцільніше перейти до полярної системи координат .Далі одержимо
Внутрішній інтеграл обчислимо за допомогою рідстановки
Підставимо значення внутрішнього інтегралу і обчислимо зовнішній інтеграл
.
Відповідь. .
10.4. Теорема і формула Стокса
.
Для поверхневих інтегралів має місце формула, аналогічна формулі. Гріна, яка дозволяє звести обчислення інтеграла по поверхні S до обчислення криволінійного інтегралу по контуру L, що обмежує цю поверхню.
Теорема. Нехай функції неперервні разом зі своїми частинними похідними в деякій тривимірній області. Тоді для будь-якої гладкої поверхні S, що лежить у цій області, має місце формула
(10.10)
де напрямні косинуси нормалі до поверхні S, а L-границя поверхні.
Ця формула називається формулою Стокса.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.