Криволинијски интеграл

Извор: testwiki
Пређи на навигацију Пређи на претрагу

Криволинијски интеграл је интеграл за чију се област интеграције узима одређена крива, најчешће дефинисана у равни или простору. За разлику од обичног одређеног интеграла, за чију се област интеграљења узима одређени правоугаони сегмент простора, криволинијски интеграл омогућава израчунавање интеграла у којем домен функције представљају тачке одређене глатке (или део-по-део глатке) криве. У математици се дефинишу криволинијски интеграли прве и друге врсте. У физици криволинијски интеграли другог реда имају примјену у израчунавању рада који чини нека сила по датој кривој.

Криволинијски интеграл прве врсте

Криволинијски интеграл прве врсте

Ако са f(x,y,z) означимо функцију чији интеграл рачунамо, а са L означимо дату криву, криволинијски интеграл прве врсте се обиљежава на сљедећи начин:

∫Lf(x,y,z)ds.

Уколико један крај криве L означимо са A, а њен други крај са B, криволинијски интеграл прве врсте се обиљежава још и са:

∫ABf(x,y,z)ds.

Дефиниција

Нека је крива L задата параметарски на интервалу [α,β]:

x=φ(t),y=ψ(t),z=χ(t)(t∈[α,β]).

Нека је на тој кривој, односно на скупу тачака које је сачињавају, дефинисана функција f(x,y,z).

Можемо формирати подјелу интервала [α,β] на n дијелова, у сљедећим ознакама:

α=t1<t2<…<ti−1<ti<…<tn=β.

На сваком сегменту [ti,ti−1] можемо изабрати по једно τi, од којих свако параметарски одређује по једну тачку Mi(ξi,ηi,ζi), гдје је ξi=φ(τi),ηi=ψ(τi),ζi=χ(τi). Са Δsi ћемо означити дужину криве на сегменту [ti,ti−1]. Тада имамо сљедећу ознаку:

σ1(f,L)=∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)Δsi

Јасно је да ће за различите подјеле интервала горњи израз имати различите вриједности. Нас занима случај када Δsi тежи нули, тј. када је подјела интервала [α,β] „бесконачно густа“. На тај начин уводимо појам криволинијског интеграла прве врсте: ако постоји неки број I, такав да за свако ε>0 постоји одређено δ>0 тако да:

max(Δsi)<δ⇒|σ1(f,L)−I|<ε,

тај број I називаћемо криволинијским интегралом прве врсте функције f на кривој L. Записује се као што је дато у уводу текста. Крива интеграције се назива још и луком интеграције.

Особине

Криволинијски интеграл прве врсте дијели неке од основних особина са обичним одређеним интегралом.

  1. ∫L(αf(x,y,z)+βg(x,y,z))ds=α∫Lf(x,y,z)ds+β∫Lg(x,y,z)ds,
  2. Ако је за сваку тачку домена тачно: f(x,y,z)<g(x,y,z), онда важи и: ∫Lf(x,y,z)ds<∫Lg(x,y,z)ds,
  3. |∫Lf(x,y,z)ds|≤∫L|f(x,y,z)|ds,
  4. ∫ABf(x,y,z)ds=∫ACf(x,y,z)ds+∫CBf(x,y,z)ds, ако се тачка C налази између тачака A и B.

Супротно криволинијском интегралу друге врсте, код којег постоји појам оријентације, за криволинијски интеграл прве врсте важи сљедеће:

∫ABf(x,y,z)ds=∫BAf(x,y,z)ds.

Рачунање

Криволинијски интеграл прве врсте, у складу са ознакама из одјељка „Дефиниција“, израчунава се помоћу сљедеће формуле:[1]

∫ABf(x,y,z)ds=∫αβf(φ(t),ψ(t),χ(t))φ'2(t)+ψ'2(t)+χ'2(t)dt

Услови за коришћење ове формуле су да је функција f непрекидна и ограничена на кривој L и да је крива L глатка и без сингуларних тачака. Формула важи и у случајевима када је крива дио-по-дио глатка и функција дио-по-дио непрекидна.[2]

Криволинијски интеграл друге врсте

Криволинијски интеграл друге врсте

Дефиниција

Нека је крива L задата параметарски на интервалу [α,β]:

x=φ(t),y=ψ(t),z=χ(t)(t∈[α,β]).

Нека су на тој кривој, односно на скупу тачака које је сачињавају, дефинисане функције P(x,y,z),Q(x,y,z) и R(x,y,z).

Можемо формирати подјелу интервала [α,β] на n дијелова, у сљедећим ознакама:

α=t1<t2<…<ti−1<ti<…<tn=β.

На сваком сегменту [ti,ti−1] можемо изабрати по једно τi, од којих свако параметарски одређује по једну тачку Mi(xi,yi,zi), гдје је xi=φ(τi),yi=ψ(τi),zi=χ(τi). Са Δxi ћемо означити разлику xi−xi−1, и аналогно Δyi и Δzi Тада имамо сљедеће ознаке:

σ2(P,L)=∑i=1nP(xi,yi,zi)Δxi
σ3(Q,L)=∑i=1nQ(xi,yi,zi)Δyi
σ4(R,L)=∑i=1nR(xi,yi,zi)Δzi

У нареднон тексту говорићемо о σ2(P,L), имајући на уму да важе аналогне ознаке и за σ3 и σ4. Јасно је да ће за различите подјеле интервала горњи израз σ2 имати различите вриједности. Нас занима случај када Δxi тежи нули, тј. када је подјела интервала [α,β] „бесконачно густа“. На тај начин, ако постоји неки број I, такав да за свако ε>0 постоји одређено δ>0 тако да:

max(Δxi)<δ⇒|σ2(P,L)−I|<ε,

тај број I називаћемо криволинијским интегралом друге врсте функције P на кривој L. Записује се на сљедећи начин:

∫LP(x,y,z)dx, или само:
∫LPdx.

Аналогно се дефинишу интеграли ∫LQdy и ∫LRdz. Најчешће се посматрају збирови ових интеграла:

∫LPdx+∫LQdy+∫LRdz,

који се обично обиљежавају као:

∫LPdx+Qdy+Rdz. (1)

Ако усвојимо ознаку векторске функције r→(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)), односно r→=(P,Q,R), тада ознаку (1) називамо (општим) криволинијским интегралом другог реда функције r→.

У случају да је крива L затворена, тј. да је A=B, говоримо о циркулацији и дефинисани интеграл обиљежавамо са:

∮LPdx+Qdy+Rdz,

премда ово није обавезно срести у литератури, јер се понекад сматра сувишним.[3]

Особине

За разлику од криволинијског интеграла првог реда, код којег не постоји појам оријентације и код којег важи особина:

∫ABf(x,y,z)ds=∫BAf(x,y,z)ds,

код криволинијског интеграла другог реда важи особина:

∫ABPdx+Qdy+Rdz=−∫BAPdx+Qdy+Rdz.

Ова особина настаје као посљедица дефиниције криволинијског интеграла и чињенице да је xi−xi−1=−(xi−1−xi). На тај начин, није свеједно да ли интеграције вршимо у једном или другом смјеру криве, а ту особину интеграла другог реда називамо оријентабилношћу, односно оријентацијом криве.

Рачунање

Формула за израчунавање вриједности криволинијског интеграла другог реда функције P (аналогно за Q,R, у складу са ознакама у пододјељку „Дефиниција“ овог одјељка) јесте сљедећа:[4]

∫ABP(x,y,z)dx=∫αβP(φ(t),ψ(t),χ(t))φ′(t)

Формула важи уколико је функција P(x,y,z) непрекидна на кривој AB, а крива AB глатка и без сингуларних тачака. Она такође важи уколико је поменута крива дио-по-дио глатка, а функција P дио-по-дио непрекидна.[5]

У случају затворене дводимензионалне криве, тј. криве смјештене у равни, и под одређеним условима, криволинијски интеграл друге врсте може се рачунати и користећи Гринову теорему.

Независност интеграције од путање

Јасно је да ће у општем случају вриједност криволинијског интеграла другог реда зависити од облика криве интеграције L, тј. њене „путање“. Понекад то, међутим, није тако и вриједност интеграла ће зависити само од почетне и крајње тачке, а бити потпуно независна од међутачака, тј. од облика криве. Наиме, важи сљедећа теорема, која има своје примјене у науци и техници:[6]

Сљедећи искази су еквивалентни:

  • За векторску функцију r→=(P,Q,R) постоји функција u, таква да је (ux′,uy′,uz′)=(P,Q,R)
  • Криволинијски интеграл ∫ABPdx+Qdy+Rdz не зависи од путање, него само од тачака A и B. Вриједност интеграла у том случају биће u(B)−u(A)
  • Циркулација ∮LPdx+Qdy+Rdz по произвољној затвореној путањи је једнака нули.

Види још

Референце

Шаблон:Референце

Литература

Шаблон:Литература

Шаблон:Литература крај

Спољашње везе

Шаблон:Калкулус Шаблон:Подножје

  1. ↑ Аднађевић и Каделбург 1998, pp. 185. ↓
  2. ↑ Аднађевић и Каделбург 1998, pp. 186. ↓
  3. ↑ Школа математике Универзитета у Минесоти: Векторска анализа и функције више промјенљивих, Приступљено 9. 4. 2013.
  4. ↑ Аднађевић и Каделбург 1994, pp. 189. ↓
  5. ↑ Аднађевић и Каделбург 1994, pp. 190. ↓
  6. ↑ Аднађевић и Каделбург 1994, pp. 193. ↓