6.6 KiB
Приложения поверхностных интегралов первого рода
Вычисление площади поверхности
Площадь поверхности S
можно вычислить с помощью поверхностного интеграла первого рода:
A=\iint_{S}dS.
Если поверхность S
параметризована как (x(u, v), y(u, v), z(u, v))
для (u, v) \in D
, то площадь поверхности можно вычислить как:
A=\iint_{D}\sqrt{EG-F^2}\,du\,dv,
где E
, G
и F
— коэффициенты первой квадратичной формы поверхности:
E=\left(\frac{\partial x}{\partial u}\right)^2+\left(\frac{\partial y}{\partial u}\right)^2+\left(\frac{\partial z}{\partial u}\right)^2,
G=\left(\frac{\partial x}{\partial v}\right)^2+\left(\frac{\partial y}{\partial v}\right)^2+\left(\frac{\partial z}{\partial v}\right)^2,
F=\frac{\partial x}{\partial u}\frac{\partial x}{\partial v}+\frac{\partial y}{\partial u}\frac{\partial y}{\partial v}+\frac{\partial z}{\partial u}\frac{\partial z}{\partial v}.
Пример
Рассмотрим пример вычисления площади поверхности, заданной уравнением z = x^2 + y^2
над кругом радиуса R
, центрированного в начале координат. В полярных координатах (r, \theta)
область D
описывается как 0 \leq r \leq R
и 0 \leq \theta \leq 2\pi
.
Сначала параметризуем поверхность:
x=r\cos\theta,
y=r\sin\theta,
z=r^2.
Теперь вычислим коэффициенты первой квадратичной формы:
E=\left(\frac{\partial x}{\partial r}\right)^2+\left(\frac{\partial y}{\partial r}\right)^2+\left(\frac{\partial z}{\partial r}\right)^2=(\cos\theta)^2+(\sin\theta)^2+(2r)^2=1+4r^2,
G=\left(\frac{\partial x}{\partial\theta}\right)^2+\left(\frac{\partial y}{\partial\theta}\right)^2+\left(\frac{\partial z}{\partial\theta}\right)^2=(-r\sin\theta)^2+(r\cos\theta)^2+0=r^2,
F=\frac{\partial x}{\partial r}\frac{\partial x}{\partial\theta}+\frac{\partial y}{\partial r}\frac{\partial y}{\partial\theta}+\frac{\partial z}{\partial r}\frac{\partial z}{\partial\theta}=0.
Теперь подставим все в формулу поверхностного интеграла:
A=\iint_{D}\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{R}\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta.
Вычислим внутренний интеграл:
\int_{0}^{R}\sqrt{1+4r^2}r\,dr.
Для вычисления этого интеграла можно использовать численные методы или специальные функции.
Вычисление массы поверхности
Масса поверхности S
с плотностью \rho(x, y, z)
можно вычислить с помощью поверхностного интеграла первого рода:
M=\iint_{S}\rho(x,y,z)\,dS.
Пример
Рассмотрим пример вычисления массы поверхности, заданной уравнением z = x^2 + y^2
над кругом радиуса R
, центрированного в начале координат, с плотностью \rho(x, y, z) = 1
. В полярных координатах (r, \theta)
область D
описывается как 0 \leq r \leq R
и 0 \leq \theta \leq 2\pi
.
Сначала параметризуем поверхность:
x=r\cos\theta,
y=r\sin\theta,
z=r^2.
Теперь вычислим коэффициенты первой квадратичной формы:
E=1+4r^2,
G=r^2,
F=0.
Теперь подставим все в формулу поверхностного интеграла:
M=\iint_{D}\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{R}\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta.
Вычислим внутренний интеграл:
\int_{0}^{R}\sqrt{1+4r^2}r\,dr.
Для вычисления этого интеграла можно использовать численные методы или специальные функции.
Вычисление центра масс поверхности
Координаты центра масс поверхности S
с плотностью \rho(x, y, z)
можно вычислить с помощью поверхностных интегралов первого рода:
x_c=\frac{\iint_{S}x\rho(x,y,z)\,dS}{\iint_{S}\rho(x,y,z)\,dS},
y_c=\frac{\iint_{S}y\rho(x,y,z)\,dS}{\iint_{S}\rho(x,y,z)\,dS},
z_c=\frac{\iint_{S}z\rho(x,y,z)\,dS}{\iint_{S}\rho(x,y,z)\,dS}.
Вычисление моментов инерции поверхности
Моменты инерции поверхности S
относительно осей x
, y
и z
можно вычислить с помощью поверхностных интегралов первого рода:
I_x=\iint_{S}(y^2+z^2)\rho(x,y,z)\,dS,
I_y=\iint_{S}(x^2+z^2)\rho(x,y,z)\,dS,
I_z=\iint_{S}(x^2+y^2)\rho(x,y,z)\,dS.
Пример
Рассмотрим пример вычисления момента инерции поверхности, заданной уравнением z = x^2 + y^2
над кругом радиуса R
, центрированного в начале координат, с плотностью \rho(x, y, z) = 1
. В полярных координатах (r, \theta)
область D
описывается как 0 \leq r \leq R
и 0 \leq \theta \leq 2\pi
.
Сначала параметризуем поверхность:
x=r\cos\theta,
y=r\sin\theta,
z=r^2.
Теперь вычислим коэффициенты первой квадратичной формы:
E=1+4r^2,
G=r^2,
F=0.
Теперь подставим все в формулу поверхностного интеграла для момента инерции относительно оси z
:
I_z=\iint_{S}(x^2+y^2)\rho(x,y,z)\,dS=\iint_{D}(r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta)\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta.
Упростим интеграл:
\iint_{D}r^2\sqrt{1+4r^2}r\,dr\,d\theta=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{R}r^3\sqrt{1+4r^2}\,dr\,d\theta.
Вычислим внутренний интеграл:
\int_{0}^{R}r^3\sqrt{1+4r^2}\,dr.
Для вычисления этого интеграла можно использовать численные методы или специальные функции.