6 Greens formel, Stokes sats och lite därtill

Relevanta dokument
19 Integralkurvor, potentialer och kurvintegraler i R 2 och R 3

SF1626 Flervariabelanalys Tentamen 8 juni 2011, Svar och lösningsförslag

Gauss och Stokes analoga satser och fältsingulariteter: källor och virvlar Mats Persson

24 Integraler av masstyp

1 e x2. lim. x ln(1 + x) lim. 1 (1 x 2 + O(x 4 )) = lim. x 0 x 2 /2 + O(x 3 ) x 2 + O(x 4 ) = lim. 1 + O(x 2 ) = lim = x = arctan x 1

ORTONORMERADE BASER I PLAN (2D) OCH RUMMET (3D) ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM

ORTONORMERAT KOORDINAT SYSTEM. LÄNGDEN AV EN VEKTOR. AVSTÅND MELLEN TVÅ PUNKTER. MITTPUNKT. TYNGDPUNKT. SFÄR OCH KLOT.

9. Bestämda integraler

5 Gauss sats. div. dv = A V. Noterbart är att V AdV = A ˆNdS, dvs Gauss sats, har strukturella likheter med b df

TATA42: Föreläsning 12 Rotationsarea, tyngdpunkter och Pappos-Guldins formler

Några integraler. Kjell Elfström. x = f 1 (y) = arcsin y. . 1 y 2 Vi låter x och y byta roller och formulerar detta resultat som en sats: cos x = 1

SF1625 Envariabelanalys

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (ETE055)

Volum av rotationskroppar. Båglängd, rotationsytor. Adams 7.1, 7.2, 7.3

TATA42: Föreläsning 11 Kurvlängd, area och volym

Preliminär version 2 juni 2014, reservation för fel. Tentamen i matematik. Kurs: MA152G Matematisk Analys MA123G Matematisk analys för ingenjörer

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Thomas Erlandsson

Stokes sats och Integralberäkning Mats Persson

13 Generaliserade dubbelintegraler

10. Tillämpningar av integraler

1.1 Sfäriska koordinater

16 Area- och volymberäkningar, areor av buktiga

EGENVÄRDEN och EGENVEKTORER

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

Tentamen i ETE115 Ellära och elektronik, 25/8 2015

TATA42: Föreläsning 4 Generaliserade integraler

SF1625 Envariabelanalys

Lösningsskiss för tentamen Vektorfält och klassisk fysik (FFM234 och FFM232)

Integralen. f(x) dx exakt utan man får nöja sig med att beräkna

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

1.1 Stokes sats. Bevis. Ramgard, s.70

KOMPLETTERANDE MATERIAL TILL KURSEN MATEMATIK II, MATEMATISK ANALYS DEL A VT 2015

Sfärisk trigonometri

V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE ±. är begränsad i intervallet [a,b].

Sats 3: Egenskaper. (a) (b) f(x) dx = 2 f(x) dx. (c) (Af(x) + Bg(x))dx. g(x) dx = A. (d) (e) Om a b och f(x) g(x) (f) Triangelolikheten: Om a b

Tyngdkraftfältet runt en (stor) massa i origo är. F(x, y, z) =C (x 2 + y 2 + z 2 ) 3 2

Analys o 3D Linjär algebra. Lektion 16.. p.1/53

FEM2: Randvärdesproblem och finita elementmetoden i flera variabler

Matris invers, invers linjär transformation.

Volym och dubbelintegraler över en rektangel

LINJÄR ALGEBRA II LEKTION 1

Trigonometri. 2 Godtyckliga trianglar och enhetscirkeln 2. 3 Triangelsatserna Areasatsen Sinussatsen Kosinussatsen...

Om stationära flöden och Gauss sats i planet

============================================================ V1. Intervallet [a,b] är ändligt, dvs gränserna a, b är reella tal och INTE.

Lösningar till uppgifter i magnetostatik

Tillämpning av integraler

Vilken rät linje passar bäst till givna datapunkter?

Lösningar basuppgifter 6.1 Partikelns kinetik. Historik, grundläggande lagar och begrepp

TMV151/TMV181. Fredrik Lindgren. 19 november 2013

Tentamen 1 i Matematik 1, HF dec 2016, kl. 8:00-12:00

Definition. En cirkel är mängden av de punkter i planet vars avstånd till en given punkt är (*)

Byt till den tjocka linsen och bestäm dess brännvidd.

TENTAMEN. Matematik för basår I. Massimiliano Colarieti-Tosti, Niclas Hjelm & Philip Köck :00-12:00

Integraler och statistik

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

Uppgiftssamling 5B1493, lektionerna 1 6. Lektion 1

Enhetsvektorer. Basvektorer i två dimensioner: Basvektorer i tre dimensioner: = i. Enhetsvektor i riktningen v: v v. Definition: Vektorprodukt

Användande av formler för balk på elastiskt underlag

Läsanvisningar för MATEMATIK I, ANALYS

Definition 1 En funktion (eller avbildning ) från en mängd A till en mängd B är en regel som till några element i A ordnar högst ett element i B.

1 Föreläsning IX, tillämpning av integral

Appendix. De plana triangelsatserna. D c

UPPTÄCK OCH DEFINIERA SAMBANDET MELLAN TVÅ OMRÅDEN SOM DELAS AV GRAFEN TILL EN POTENSFUNKTION

Tillämpad Matematik I Övning 4

TATA44 ösningar till tentamen 13/01/ ) Paraboloiden z = 2 x 2 y 2 skär konen z = x 2 + y 2 då x 2 + y 2 = 2 x 2 y 2. Med

TATA44 Lösningar 24/8/ ) Låt S vara den del av x 2 + y 2 + z 2 = 2 innanför cylindern x 2 + y 2 = 1. Inför cylinderkoordinater.

Integraler. 1 Inledning. 2 Beräkningsmetoder. CTH/GU LABORATION 2 MVE /2013 Matematiska vetenskaper

Inför tentamen i Analys I och II, TNA008

9. Vektorrum (linjära rum)

HF1703, Inledande matematik (Byggproduktion) DEN TRIGONOMETRISKA ENHETSCIRKELN OCH TRIGONOMETRISKA FUNKTIONER

Generaliserade integraler

Kontrollskrivning 3 till Diskret Matematik SF1610, för CINTE1, vt 2019 Examinator: Armin Halilovic Datum: 2 maj

NATIONELLT KURSPROV I MATEMATIK KURS C VÅREN Kravgränser 4. Del I, 8 uppgifter utan miniräknare 5. Del II, 9 uppgifter med miniräknare 8

x = x = x = x=3 x=5 x=6 42 = 10x x + 10 = 15 x = = 20 x = 65 x + 36 = 46

Föreläsning 7: Trigonometri

Mat Grundkurs i matematik 1, del III

14. MINSTAKVADRATMETODEN

TATA42: Föreläsning 2 Rotationsarea, tyngdpunkter och Pappos-Guldins formler

Transkript:

6 Greens formel, tokes sts och lite därtill 6.1 Greens formel i låter de två sklärvärd funktionern P (, ) och Q(, ) vr kontinuerligt deriverbr i ett öppet område i -plnet. Området begränss v en positivt orienterd rndkurv (se figuren nedn). Med positivt orienterd rndkurv mens tt om vi vndrr längs i dess positiv orienteringsriktning, så hr vi till vänster om oss. eller: = 1 + 2 2 1 Under nss nämnd förutsättningr gäller Greens formel ( Q P ) dd = (P d + Qd) Bevis: i börjr med tt del upp tintegrlen över i dess två beståndsdelr, ( Q P ) dd = Bsert på figuren till höger fås sedn tt P dd = (ˆ f() På liknnde sätt erhålls ˆ Q dd = Qd, Q dd P dd. g() P d ) d = 2 1 [P (, )] f() g() d b =f() längs 2 =g() längs 1 ˆ ˆ = (P (, f()) P (, g())) d = P d + 2 P d 1 = P d. vilket, tillsmmns med uttrcket för P dd, ger Greens formel ( Q P ) dd = (P d + Qd). et är även värt tt noter tt med A(, ) = A ˆ + A ŷ, P Q

kn Greens formel formulers som ( A A ) dd = A d r, där vi utnttjt tt A d r = A d + A d i -plnet. Eempel 1: Beräkn ( 3 d + 3 d) längs, kring ren som begränss v 2 + 2 1 och 0 (se figuren till höger). Med P = 3 och Q = 3 instt i Greens formel fås tt ˆ ( 3 d + 3 d) = ( 3 2 + 3 2 )dd. P Q Q P i bter till polär koordinter, med r = 2 + 2 och φ = rctn(/), vilket betder tt = r cos φ, = r sin φ, r φ dd = drdφ = rdrdφ. r φ Jcobis determinnt en sökt linjeintegrlen kn slutligen beräkns till ˆ ( 3 d + 3 d) = 3r 2 rdrdφ = 3π 16. 0 r 1 0 φ π/4 Eempel 2: Guss sts i plnet Med P = A och Q = A fås ( A + A ) dd = d (A d A d). i inför nu A = (A, A, 0) smt vektorelementet ˆ ŷ ẑ ˆNds = d r ẑ = d d 0 = (d, d, 0), 0 0 1 till rndkurvn. Greens formel säger därmed tt Ad = A ˆNds. id jämförelse med Guss sts, Ad = A ˆNd, sns tt ovnstående formel motsvrr just Guss sts fst reducert till plnet. Med ndr ord; istället för ett tredimensionellt område med begränsningst (och utåtriktd norml) som i Guss sts, hr vi nu ett område i -plnet med rndkurv (och utåtriktd norml). I övrigt är ovnstående smbnd ekvivlent med Guss sts. dr Nds ẑ

Eempel 3: tokes sts i plnet Med P = A och Q = A fås istället tt ( A A ) dd = (A d + A d). d ẑ i inför åter A = (A, A, 0), smt observerr tt ( A) ẑ = A A. Greens formel ger nu tt ( A) ẑd = A d r, vilket visr sig vr tokes sts reducert till plnet. et bör understrks tt vrken Guss sts i plnet eller tokes sts i plnet är någon egen, riktig sts i egentlig mening. Båd två beskrivs ju v, och rms i, Greens formel. 6.2 tokes sts Betrkt en t med positivt orienterd rndkurv. å vi vndrr längs i dess positiv genomloppsriktning hr vi således tn till vänster om oss, se figuren till höger. i påminner även om högerhndsregeln (även klld tumregeln); om normlen ˆN pekr i höger tummes riktning, så är orienterd i pekfingrets riktning. Förutstt tt vektorfältet A är kontinuerligt deriverbrt på hel tn, så gäller tokes sts rot }{{ A } } ˆNd {{} = A d r. A d z d N + - iksom i fllet med Guss sts, noterr vi här de strukturell likhetern melln ovnstående reltion och b df d = f(b) f(). å vi integrerr en funktions derivt d över ett givet område, så blir resulttet endst beroende v funktionens värde på rnden v området. i ser även tt tokes sts i plnet, ( A) ẑd = A d r, fås om vi begränsr till ett område i -plnet med positivt orienterd rndkurv och med norml ˆN = ẑ. Innn vi går djupre in på tokes sts, så tr vi först ett räkneeempel. Eempel: i önskr nvänd tokes sts till tt beräkn u d r, där u = (3z, 5, 2) och där är skärningen melln clindern 2 + 2 = 1 och plnet z = + 3. Rmdkurvn är orienterd moturs sett uppifrån, se figuren på näst sid.

Först beräknr vi rottionen v u, ˆ ŷ ẑ u = z = ( 2, 3, 5). 3z 5 2 Nu bter vi fokus till rmdkurvn och tn som begränss v. i väljer till den elliptisk tn i plnet z = + 3, med medelpunkt (0, 0, 3) och hlvlrn [(1, 0, 3) (0, 0, 3)] [(1, 0, 3) (0, 0, 3)] = 1, [(0, 1, 1 + 3) (0, 0, 3)] [(0, 1, 1 + 3) (0, 0, 3)] = 2. i väljer, i enighet med tokes sts, :s ovnsid till tt vr positivt orienterd. Noterbrt är tt även ndr tor kn väljs, så länge som dess rnd ges v och dess ovnsid är positivt orienterd. Normlen ˆN till, bestäms härnäst genom tt behndl plnet z = + 3 som en nivåt till sklärfältet Φ(,, z), φ(,, z) = ±(z 3), där Φ = 0 på. e två tecknen, dvs ±, på Φ speglr det fktum tt vrje t hr två möjlig och motstt riktde normlvektorer. Endst en v dess vektorer stämmer dock med tns givn orientering. ilket det rätt tecknet på Φ är vet vi inte i dett läge. Normlen till nivåtn φ fås som grd φ. Eftersom ± (z 3) (z 3) = ±(0, 1, 1) 2, ses tt ˆN = (0, 1,1) 2, då denn vektor hr positiv z-komponent. injeintegrlen kn slutligen beräkns till u d r = ( u) ˆNd = 1 ( 2, 3, 5) (0, 1, 1)d 2 = 2 d = 2 2π = 2π 2 2 ren v en ellips med hlvlrn 2 och 1 Rottion Rottionen v ett vektorfält är uppenbrligen v centrl betdelse i tokes sts (på smm sätt som divergensen är det för Guss sts). i undersöker nu vd tokes sts säger om just A. i tr fllet med en liten, positivt orienterd t z (med ren z ) i -plnet. Ytn begränss v rndkurvn z och hr normlen ˆN = ẑ. I gränsen z 0 fås, enligt tokes sts, tt ( A) z (P ) = ( A)(P 1 ) ẑ = lim A d r, z 0 z z z P z N= z

där punkten P ligger mitt i z. e övrig komponentern, ( A) (P ) och ( A) (P ), fås på liknnde form som den ovn, fst med cirkultionen v A längs rndkurvn v en infinitesiml t i z- respektive z-plnet. Komponenten v ( A)(P ) i en godtcklig riktning ˆN fås v ( A)(P ) ˆN 1 = lim A d r, N 0 N N där N är en liten pln t med norml ˆN och med positivt orienterd rndkurv N, som krmper kring och till punkt P. mmntget beskriver således ( A)(P ) hur A vrider sig kring punkten P, se även diskussionen i kpitel 2.6. Bevis: Ovnstående formel för ( A) z (P ) kn beviss direkt ur Greens formel, dvs utn tt åberop tokes sts. Med punkten P : ( 0, 0, z 0 ) mitt i z, och eftersom z är konstnt och dz = 0 längs z, fås tt ( A A d r = (A (,, z 0 )d + A (,, z 0 )d) = A ) dd, z z i enlighet med kpitel 6.1. Härnäst nvänds integrlklklens medelvärdessts, vrpå vi får tt z ( A A d r = A ) z (P ) z = ( A) z (P ) z, ren v tn z där punkten P ligger i z. I gränsen z 0 måste P P, vilket resulterr i det eftersökt uttrcket på ( A) z (P ). Bevis v tokes sts För tt bevis tokes sts låter vi vr uppbggt v mång små pln deltor i, dvs = i i. rje delt, i, hr sin positivt orienterde rndkurv, i, och sin norml, ˆN i. För vrje delt gäller, i överensstämmelse med Greens formel, också tt ( A)(P i ) ˆN i i A d r, i deltns re där punkten P i ligger mitt i deltn i. För den totl tn gäller, på motsvrnde sätt, tt ( A)(P i ) ˆN i i A d r = A d r, i i i där vi utnttjt tt :s rndkurv kn skrivs som = i i. tokes sts fås slutligen i den gräns då smtlig i 0, ( A) ˆNd = A d r.

Noter tt likhet (och inte pproimtiv likhet) råder melln vänster- och högerled i nss nämnd gräns. irvelfritt fält Ett vektorfält A sägs vr virvelfritt i ett område om A = 0. Förutstt tt A är definiert och kontinuerligt deriverbrt i ett öppet och enkelt smmnhängnde område, så gäller följnde: A = 0 A = Φ, dvs A hr en sklär potentil. Bevis: Om A = Φ följer tt A = ( Φ) = 0, se kpitel 2.4. Med ndr ord, vrje potentilfält är nödvändigtvis virvelfritt. Bevis: Om A = 0 följer tt 0 = ( A) d = A d r för ll (och ) i. I sist steget nvände vi oss v tokes sts. Ur ovnstående reltion följer tt linjeintegrlen Q A d r, melln punkt P och Q i, är oberoende v P vägen. Med ndr ord, A = Φ. 6.3 Allmän integrlstser Både Guss och tokes sts kn generlisers, dvs de kn utvidgs och skrivs på ännu mer llmän form. Guss universlsts Guss universlsts lder d ( ) = d( ) där ( ) är ett uttrck som ger både höger- och vänsterledet mening. Eempelvis, med ( ) = A får vi Guss sts, d A = d A. Andr, n, vrienter är ( ) = Φ ( ) = A d Φ = dφ, d A = d A.

tokes universlsts tokes universlsts ges v (d )( ) = d r( ) där ( ) lltså skll ersätts med något som ger mening åt ovnstående uttrck. tokes sts fås, eempelvis, med ( ) = A, (d ) A = d r A. ( A) d Noter åter tt (d ) A = ( A) d. N lterntiv är, t.e., ( ) = Φ (d )Φ = d rφ, ( ) = A (d ) A = d r A. 6.4 Prtiell integrtion Betrkt de sklärvärd funktionern f() och g(). Ur produktregeln följer tt d df (fg) = d d g + f dg d, d d (fg)d } {{ } [f()g()] b = df d gd + f dg d d. i möblerr om i ovnstående uttrck och får regeln för prtiell integrtion df d gd = [f()g()]b rndterm f dg d. d flttd derivt Observer strukturen i högerledet; vi hr en integrl med ombtt derivt och en nnn term som endst beror v f och g på rnden. Bsert på produktreglern i kpitel 2.4, kn vi, på liknnde sätt, skp regler för prtiell integrering inom vektornlsen. i ger tre eempel på dett förfrnde här nedn. Eempel 1: Ur produktregeln (Φ Ψ) = Φ Ψ + Φ Ψ följer tt (Φ Ψ)d = Φ Ψd + Φ Ψd.

i stuvr om Φ Ψd = (Φ Ψ)d smt nvänder oss v Guss sts Φ Ψd = (Φ Ψ) d } {{ } rndterm Φ Ψd, Φ } {{ Ψ } d, flttd derivt där är begränsningstn (med utåtriktd norml) till. Eempel 2: i utgår ifrån produktregeln (ΦΨ) = ( Φ)Ψ + Φ Ψ, vilket ger tt Φ Ψd = (ΦΨ)d ( Φ)Ψd. Med hjälp v Guss universlsts fås nu tt Φ Ψd = ΦΨd ( Φ)Ψ d. flttd derivt rndterm Eempel 3: om sist eempel strtr vi med (ΦA) = ( Φ) A + Φ A och skriver Φ( A) d = [ (ΦA)] d ( Φ A) d. tokes universlsts ger nu tt Φ( A) d = ΦA d r rndterm ( Φ A) }{{ d, } flttd derivt där är den positivt orienterde rndkurvn (kom ihåg högerhndsregeln) till tn.

Övningsuppgifter 6.1 Beräkn rot F för ) F = (,, z) = r b) F = (sin(), e 2, cos 2 (z)) c) F = (z, 2 2 z 2, 2 z 2 ) 6.2 Bestäm rottionen v vektorfälten A = (,, 0) och B = (,, 0), jämför med övningsuppgift 1.4. 6.3 Kontroller tokes sts för funktionen v = ˆ + 2zŷ + 3zẑ. Använd det tringulärt skuggde området i figuren nedn. 6.4 åt vr ellipsen 2 + 2 = 1, z =. Beräkn F d r för vektorfältet F = (, +, + + z). Kurvns tngent i punkten (0, 1, 1) är prllell med ˆ. 6.5 Beräkn integrlen A d r om A = ˆ( 2 ( + z)) + ŷ( 2 z) + ẑ(z 2 ( + )) och är den kurv som utgör skärningslinjen melln clindern { ( ) 2 + 2 = 2 z 0 och sfären 2 + 2 + z 2 = R 2, där R 2 > 4 2. Omloppsriktningen är sådn tt vid = 0 är kurvns tngentvektor prllell med ŷ. 6.6 Använd tokes sts för tt beräkn linjeintegrlen v vektorfältet A = (z + 2z, + z, + 5) längs skärningslinjen melln clindern 2 + z 2 = 4 och plnet + = 2. Kurvn är orienterd så tt dess tngentvektor i punkten (2, 0, 0) är (0, 0, 1).