Криволинейный интеграл первого рода
Задача о массе проволоки
Пусть проволока имеет форму кривой L, и её линейная плотность \rho(x, y) меняется от точки к точке. Разобьём кривую на маленькие дуги длины \Delta s_k; масса каждой \approx\rho(M_k)\Delta s_k. Предел сумм
называется криволинейным интегралом первого рода (по длине дуги).
Смысл: - \int_L ds — длина кривой; - \int_L\rho\,ds — масса проволоки; - \frac{1}{|L|}\int_L f\,ds — среднее значение функции на кривой; - при f \ge 0 — площадь вертикального «забора» высоты f над кривой L.
Вычисление
Если кривая задана параметрически x = x(t), y = y(t), t \in [\alpha; \beta], то ds = \sqrt{x'^2 + y'^2}\,dt и
причём \alpha < \beta — независимо от того, в каком направлении обходится кривая. Для пространственной кривой добавляется z'^2.
Частные случаи: - график y = y(x): ds = \sqrt{1 + y'^2}\,dx; - полярная кривая r = r(\varphi): ds = \sqrt{r^2 + r'^2}\,d\varphi; - окружность радиуса R: x = R\cos t, y = R\sin t, ds = R\,dt.
Пример. \int_L xy\,ds по четверти окружности x = 2\cos t, y = 2\sin t, t \in [0; \frac\pi2]:
import sympy as sp
t = sp.symbols("t", real=True)
def line_integral_1(f, x, y, z, a, b):
"""∫_L f ds для кривой (x(t), y(t), z(t)), t от a до b."""
ds = sp.sqrt(sp.diff(x, t)**2 + sp.diff(y, t)**2 + sp.diff(z, t)**2)
return sp.simplify(sp.integrate(sp.simplify(f(x, y, z) * ds), (t, a, b)))
print("забор над четвертью окружности:", line_integral_1(lambda x, y, z: x * y, 2 * sp.cos(t), 2 * sp.sin(t), 0, 0, sp.pi / 2))
print("масса винтовой линии:", line_integral_1(lambda x, y, z: z, sp.cos(t), sp.sin(t), t, 0, 2 * sp.pi))
print("длина параболы y = x² от 0 до 1:", line_integral_1(lambda x, y, z: 1, t, t**2, 0, 0, 1))
Центр масс и моменты дуги
Однородная полуокружность радиуса R: \bar y = \frac{\int_0^\pi R\sin t\cdot R\,dt}{\pi R} = \frac{2R}{\pi}. Проверка по Паппу–Гульдину: вращая полуокружность вокруг диаметра, получаем сферу площадью 2\pi\cdot\frac{2R}{\pi}\cdot\pi R = 4\pi R^2 ✓.
import numpy as np
import vis
t = np.linspace(0, np.pi, 400)
x, y = np.cos(t), np.sin(t)
vis.plane({"полуокружность": (x, y)}, points={"центр масс дуги (0; 2/π)": (0, 2 / np.pi), "центр масс полукруга (0; 4/3π)": (0, 4 / (3 * np.pi))},
title="Центр масс дуги выше, чем у полукруга")
Свойства
Линейность и аддитивность по кривой — как у обычного интеграла. Главное: интеграл первого рода не зависит от направления обхода, потому что ds > 0.
Итог
- \int_L f\,ds — масса проволоки, длина (f = 1), площадь «забора».
- \int_L f\,ds = \int_\alpha^\beta f(x(t), y(t))\sqrt{x'^2 + y'^2}\,dt, \alpha < \beta.
- Не зависит от направления обхода.
Практика решено 0 из 9
\displaystyle\int_L (x + y)\,ds, L — отрезок от (0, 0) до (3, 4).
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
35/2\displaystyle\int_L (x^2 + y^2)\,ds, L — окружность радиуса 2 с центром в начале координат.
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
16pi\displaystyle\int_L y\,ds, L — верхняя полуокружность x^2 + y^2 = 1, y \ge 0.
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
2\displaystyle\int_L x\,ds, L — дуга параболы y = x^2 от (0, 0) до (1, 1).
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
(5sqrt(5) - 1)/12Масса винтовой линии x = \cos t, y = \sin t, z = t, t \in [0;\,2\pi], с плотностью \rho = z.
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
2sqrt(2)pi^2\displaystyle\int_L \frac{ds}{x - y}, L — отрезок прямой y = \frac x2 - 2 от (0, -2) до (4, 0).
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
sqrt(5) ln(2)Площадь «забора» высоты f(x, y) = xy над четвертью окружности x^2 + y^2 = 4, x, y \ge 0.
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
4\bar y центра масс однородной полуокружности x^2 + y^2 = 1, y \ge 0.
Как вводить формулы
Степень —^ (x^2, e^(3x)), умножение можно не писать (2x, x sin(x)),
дробь — / (1/(x+1)), корень — sqrt(x), модуль — |x| или abs(x).
Функции: sin cos tg ctg arcsin arccos arctg arcctg sh ch ln lg exp, константы pi и e.
Аргументы функций лучше брать в скобки: sin(2x). Для неопределённого интеграла допишите + C.
Индексы пишутся слитно: m1, v0; греческие буквы — словом или символом: alpha или α.
Десятичная дробь — через точку или запятую, большие числа — через 10^: 6,67*10^(-11).
2/piКак изменится \int_L f\,ds, если кривую обходить в противоположном направлении?
Войдите, чтобы отмечать пройденные уроки.