Реферат: Поверхневі інтеграли

Якщо у формулі (2) покласти на поверхні , то отримаємо

,(5)

де – площа поверхні , тобто за допомогою поверхневого інтеграла першого роду можна обчислювати площі поверхонь.

Крім того, поверхневі інтеграли першого роду застосовують при обчисленні маси, координат центра маси, моменту інерції матеріальної поверхні з відомою поверхневою густиною розподілу маси. Виведення відповідних формул по суті не відрізняється від виводу аналогічних формул для матеріальної пластинки.

Якщо на кусково-гладкій поверхні розподілено масу з поверхневою густиною , то:

а) маса матеріальної поверхні

;

б) координати центра маси поверхні:

,

де – статичні моменти поверхні відносно осей ;

в) моменти інерції поверхні відносно осей координат і початку координат:

2. Поверхневі інтеграли другого роду

Введемо поняття сторони поверхні. Візьмемо на гладкій поверхні довільну точку , проведемо в ній нормаль певного напряму і розглянемо на поверхні довільний замкнений контур, який виходить з точки і повертається в точку , не перетинаючи при цьому межі поверхні . Переміщатимемо точку по замкненому контуру разом з вектором так, щоб вектор весь час залишався нормальним до . При обході заданого контуру ми можемо повернутися в точку з тим самим або з протилежним напрямом нормалі.

Якщо у довільну точку поверхні після обходу довільного замкненого контуру, розміщеного на поверхні , який не перетинає її межу, ми повертаємося з початковим напрямом нормалі , то поверхню називають двосторонньою.

Якщо при обході деякого контуру напрям нормалі змінюється на протилежний, то поверхню називають односторонньою.

Прикладами двосторонніх поверхонь є площина, сфера, довільна замкнена поверхня без самоперетинів, довільна поверхня, задана рівнянням , де – функції, неперервні в деякій області площини .

Прикладом односторонньої поверхні є так званий лист Мебіуса (рис. 3).

Рисунок 3 – Лист Мебіуса

Модель цієї поверхні можна отримати, якщо прямокутну полоску паперу, перекрутивши один раз, склеїти так, щоб точка збігалася з , а точка – з .

Двосторонню поверхню називаютьорієнтовною, а вибір певної її сторониорієнтацією поверхні. Направивши в кожній точці замкненої поверхні нормаль всередину об'єму, обмеженого поверхнею, отримаємо внутрішню сторону поверхні, а направивши нормаль зовні поверхні-зовнішню її сторону. Надалі розглядатимемо двосторонні поверхні. Односторонні поверхні неорієнтовні.

Нехай – орієнтовна (сторона уже обрана) поверхня, обмежена контуром , який не має точок самоперетину. Вважатимемо за додатний той напрям обходу контуру , при якому спостерігач, розміщений так, що напрям нормалі збігається з напрямом від ніг до голови при русі, залишає поверхню зліва від себе (рис. 4).

Рисунок 4 – Орієнтовна поверхня

Протилежний напрям обходу називається від'ємним. Якщо змінити орієнтацію поверхні на протилежну, то додатний і від'ємний напрями обходу контуру поміняються місцями.

З'ясуємо тепер поняття поверхневого інтеграла другого роду.

Нехай – гладка поверхня, задана рівнянням і – обмежена функція, визначена в точках поверхні . Зорієнтуємо поверхню . Розіб'ємо її довільно на частин. Позначимо через проекцію -ї частини поверхні на площину , а через – площу , взяту із знаком плюс, якщо обрана зовнішня сторона поверхні , та із знаком мінус, якщо обрана внутрішня сторона поверхні . Виберемо в кожній частині довільну точку і складемо суму

.(6)