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

FFM234, Klassisk fysik och vektorfält - Föreläsningsanteckningar

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

Lösningar till tentamen i EF för π3 och F3

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

Mängder i R n. Funktioner från R n till R p

Stokes sats och Integralberäkning Mats Persson

13 Generaliserade dubbelintegraler

10. Tillämpningar av integraler

Tavelpresentation grupp 5E

1.1 Sfäriska koordinater

Tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 och Modellering och simulering inom fältteori för F3, 29 augusti, 2008, kl

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

Tentamen i Analys B för KB/TB (TATA09/TEN1) kl 08 13

GEOMETRISKA VEKTORER Vektorer i rummet.

f(x)dx definieras som arean av ytan som begränsas av y = f(t), y = 0, t = a och t = b, se figur.

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

3 Parameterframställningar

Lösningar till repetitionstentamen i EF för π3 och F3

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

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...

Läsanvisningar till kapitel

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

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

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

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.

Uppsala Universitet Matematiska Institutionen Bo Styf. Genomgånget på föreläsningarna Föreläsning 16-17, 2010:

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

En skarp version av Iliev-Sendovs hypotes

Kan det vara möjligt att med endast

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.

Finaltävling den 20 november 2010

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

Kvalificeringstävling den 2 oktober 2007

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

Uttryck höjden mot c påtvåolikasätt:

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

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

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).