Trường Đại học Bách khoa tp. Hồ Chí Minh
Bộ môn Toán Ứng dụng
-------------------------------------------------------------------------------------
Giải tích hàm nhiều biến
Chương 5: Tích phân đường
•
Giảng viên Ts. Đặng Văn Vinh (4/2008)
[email protected]
Nội dung
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
I –Tích phân đường loại 1
II –Tích phân đường loại hai
II.1 – Định nghĩa, cách tính
II.2 – Công thức Green
II.3 – Tích phân không phụ thuộc đường đi.
I. Tích phân đường loại một.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
A2
M2
A1
M1
A0
An
Mn
A
n1
I. Tích phân đường loại một.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
f f ( x, y ) xác định trên đường cong C.
Chia C một cách tùy ý ra n đường cong nhỏ bởi các điểm A0 , A1 ,..., An .
Độ dài tương ứng L1 , L2 ,..., Ln .
Trên mỗi cung Ai Ai 1 lấy tuỳ ý một điểm M i ( xi , yi ).
n
I n f ( M i ) Li
Lập tổng Riemann:
i 1
I lim I n , không phụ thuộc cách chia C, và cách lấy điểm Mi
n
I f ( x, y )dl
C
được gọi là tích phân đường loại một của f=f(x,y) trên cung C.
I. Tích phân đường loại một
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tính chất của tích phân đường loại một
1) Hàm liên tục trên cung C, bị chặn, trơn tùng khúc thì khả tích trên C.
3) fdl fdl
2) L(C ) 1dl
C
C
4) ( f g ) dl fdl gdl
C
C
C
C
5) Tích phân đường loại một không phụ thuộc chiều lấy tích phân trên C.
6) Nếu C được chia làm hai cung C1 và C2 không dẫm lên nhau:
fdl fdl fdl
C
7)
C1
C2
( x, y ) C , f ( x, y ) g ( x, y ) fdl gdl
C
C
8) Định lý giá trị trung bình. Nếu f(x,y) liên tục trên cung trơn C có độ dài
L. Khi đó tồn tại điểm M0 thuộc cung C, sao cho
fdl f ( M 0 ) L
C
Cách tính tích phân đường loại một
Cung C cho bởi phương trình tham số: x = x(t), y = y(t), t1 t t2
n
f
(
x
,
y
)
dl
f
(
M
)
L
lim
i
i
n i 1
C
Li là độ dài cung nhỏ AiAi+1:
x (t ) y (t ) dt x (t ) y (t ) t
Chọn điểm trung gian M có tọa độ x(t ), y (t )
f ( x, y )dl lim f x(t ), y (t ) x (t ) y (t )
ti 1
Li
2
'
'
2
2
'
2
'
i
i
ti ti ti 1
i
ti
i
i
n
i
t2
i
f ( x, y )dl f ( x(t ), y (t ))
C
2
'
n i 1
C
i
t1
'
i
2
i
x (t ) y (t )
'
2
'
2
ti
dt
Cách tính tích phân đường loại một
Cung C cho bởi phương trình: y = y(x),
a xb
Phương trình tham số của C là :x = x(t), y = y(t), t1 t t2
x (t ) y (t )
t2
'
f ( x, y )dl f ( x(t ), y (t ))
C
t1
2
'
2
dt
2
y ' (t ) '
f ( x(t ), y (t )) 1 ' x (t ) dt
t1
x (t )
t2
b
'
f ( x, y )dl f ( x, y ( x)) 1 y ( x)
C
a
2
dx
Tương tự, Cung C cho bởi phương trình: x = x(y), c y d
d
'
f ( x, y )dl f ( x( y ), y ) 1 x ( y )
C
c
2
dy
I. Tích phân đường loại một.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tương tự , ta có định nghĩa tích phân đường trong không gian.
f f ( x, y, z ) xác định trên đường cong C trong không gian.
C cho bởi phương trình tham số:
x x(t )
y y (t ),
z z (t )
t1 t t2
I f ( x, y, z )dl
C
t2
f ( x, y, z )dl f ( x(t ), y (t ), z (t )).
C
t1
x (t ) y (t ) z (t )
'
2
'
2
'
2
dt
Ví dụ
2
x
Tính I x3dl, trong đó C là cung parabol y , 0 x 3
2
C
b
'
I f ( x, y ( x)) 1 y ( x)
a
2
3
dx x
3
'
3
2
1 ( y ( x)) dx x3 1 x 2 dx
0
0
58
15
Ví dụ
Tính I 2 xdl , trong đó C = C1 + C2 , với C1: y = x2, từ (0,0) đến (1,1) và
C
C2 là đường thẳng từ (1,1) đến (1,2).
1
'
I 2 xdl 2 xdl 2 xdl 2 x 1 y ( x)
C
1
C1
0
C2
2
2 x 1 4 x dx 2 1 1 0
0
2
1
2
2
2
'
dx 2 x( y ) 1 x ( y )
1
5 5 1
2
dy
6
2
dy
Ví dụ
2
Tính I (2 x y )dl , với C là nửa trên đường tròn x 2 y 2 1
C
b
'
Có thể dùng công thức I f ( x, y ( x)) 1 y ( x)
a
2
dx
nhưng việc tính toán phức tạp.
Viết phương trình tham số cung C.
Đặt x r cos t ; y r sin t
2
2
Vì x y 1, nên r = 1.
x cos t
; 0t
Phương trình tham số của nửa trên cung tròn:
y sin t
I (2 cos t sin t )
0
2
x (t ) y (t ) dt
'
2
'
2
(2 cos2t sin t )dt
0
2
2
3
Ví dụ
Tính I ( x 2 y 2 )dl , với C là nửa đường tròn
C
Viết phương trình tham số cung C.
x r cos t
Đặt
y r sin t
Vì x 2 y 2 2 x , nên r 2cos t
Phương trình tham số của C:
x 2cos t cos t 1 cos 2t
t
;
4
4
y 2cos t sin t sin 2t
/4
I (2 2cos 2t ) (2sin 2t ) 2 (2cos 2t ) 2 dt
/ 4
x 2 y 2 2 x; x 1.
Ví dụ
2
2
4
Tính I xy dl , với C là nửa bên phải đường tròn x y 16; x 0.
C
Viết phương trình tham số cung C.
x r cos t
Đặt
y r sin t
Vì x 2 y 2 16 , nên
r4
x 4 cos t
Phương trình tham số của C:
; t
2
2
y 4 sin t
/2
I 4cost 4 sin t (4sin t ) (4cos t ) dt 4
/ 2
4
4
2
2
6
/2
cost sin tdt
/ 2
4
2 6
4
5
Ví dụ
I 2 xdl
Tính
, với C là giao của x 2 y 2 4 và x + z = 4
C
x r cos t
y r sin t
z 4 r cos t
Đặt
Vì x 2 y 2 4, x z 4 , nên r 2
Phương trình tham số của C:
x 2cos t
; 0 t 2
y 2sin t
z 4 2cos t
2
I 4cos t (2sin t ) 2 (2cos t ) 2 (2sin t ) 2 dt 0
0
Ví dụ
2
2
2
Tính I ( x y )dl , với C là phần đường tròn x y z 4; y x.
C
Viết phương trình tham số cung C.
x y 2 r cos t
Đặt
z 2 r sin t
Vì x 2 y 2 z 2 4, y x , nên r 1
Phương trình tham số của C:
x y 2 cos t
; 0 t 2
z 2sin t
2
I
0
2cost 2 cos t
( 2 sin t ) 2 ( 2 sin t ) 2 (2cos t ) 2 dt
Ví dụ
2
2
2
Tính I x 2 dl , với C là phần đường tròn x y z 4; x y z 0.
C
Viết phương trình tham số cung C phức tạp.
I x 2 dl y 2 dl z 2 dl
C
C
C
1
I x 2 y 2 z 2 dl
3C
I
4
dl
3C
4
độ dài cung C (chu vi đường tròn)
3
4
16
I 4
3
3
Ví dụ
Tính I ( x z )dl , với C là đường x 3cos t , y 3sin t , z t , 0 t 4 .
C
x2 y2 9
Khi t thay đổi từ thì cung C là đường cong nằm
trên hình trụ.
4
I (3cos t t )
0
4
x (t ) y (t ) z (t ) dt
'
2
'
2
I (3cos t t ) 10dt 8 2 10
0
'
2
II. Tích phân đường loại hai.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
P P ( x, y ), Q Q( x, y )
xác định trên đường cong C.
Chia C một cách tùy ý ra n đường cong nhỏ bởi các điểm
A0 ( x0 , y0 ), A1 ( x1 , y1 ),..., An ( xn , yn ).
Trên mỗi cung Ak Ak 1 lấy tuỳ ý một điểm M k ( xk , yk ).
n
Lập tổng Riemann: I n P ( M k ) ( xk xk 1 ) Q ( M k ) ( yk yk 1 )
i 1
I lim I n , không phụ thuộc cách chia C, và cách lấy điểm Mi
n
I P ( x, y )dx Q( x, y )dy
C
được gọi là tích phân đường loại hai của P(x,y) và Q(x,y) trên cung C.
II. Tích phân đường loại hai
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tính chất của tích phân đường loại hai
1) Tích phân đường loại hai phụ thuộc chiều lấy tích phân trên C.
Pdx Qdy Pdx Qdy
AB
BA
2) Nếu C được chia làm hai cung C1 và C2 không dẫm lên nhau:
C
Giải thích.
Pdx Qdy Pdx Qdy Pdx Qdy
C1
C2
Cách tính tích phân đường loại hai
1) C: x = x(t), y = y(t), t = a ứng với điểm đầu, t = b: điểm cuối cung.
P ( x, y )dx Q( x, y )dy P ( x, y )dx Q( x, y ) dy
C
C
C
n
P ( x, y )dx lim P ( xk , yk ) xk
C
n k 1
Chia [a,b] thành n đoạn: a t0 t1 t2 tn b
xk xk xk 1 x (tk ) x (tk 1 )
ñònh lyù Lagrange
Chọn điểm trung gian Mk x (tk ), y (tk )
n
x ' (tk ) tk
b
'
P ( x , y )dx lim P x (tk ), y (tk ) x (tk ) tk P x (t ), y (t ) x (t )dt
k 1
C
b
'
a
b
P ( x, y )dx Q( x, y )dy P x(t ), y (t ) x (t )dt Q x(t ), y (t ) y (t )dt
C
a
'
a
'
Cách tính tích phân đường loại hai
Các hàm P(x,y) và Q(x,y) liên tục trên tập mở D chứa cung trơn C.
2) C: y = y(x), x = x1 là hoành độ điểm đầu, x = x2: điểm cuối cung.
x2
'
P
(
x
,
y
)
dx
Q
(
x
,
y
)
dy
P
(
x
,
y
(
x
))
Q
(
x
,
y
(
x
))
y
( x) dx
C
x1
3) C: x = x(y), y = y1 là tung độ điểm đầu, y = y2: điểm cuối cung.
y2
'
P
(
x
,
y
)
dx
Q
(
x
,
y
)
dy
P
(
x
(
y
),
y
)
x
( y ) Q( x( y ), y ) dy
C
y1