Перейти к содержанию

Криволинейные интегралы первого рода (по длине дуги)

Математика Алгебра Сложность 2/5

Начало урока

1. Объект: Масса изогнутой проволоки

Напоминание — механизм «от плотности к общему»: Вы уже встречали рецепт разбиения в курсе анализа одной переменной: разрезать отрезок на маленькие кусочки, умножить плотность на малую длину, просуммировать и перейти к пределу. Теперь мы запускаем тот же самый механизм на кривой, а не на прямолинейном отрезке.

1.1 Физическая картина

Представьте тонкую проволоку, изогнутую в виде кривой $C$ в пространстве. В каждой точке $(x,y,z)$ проволоки задана линейная плотность (масса на единицу длины) $\rho(x,y,z)$. Как найти полную массу?

  1. Разрежем проволоку на $n$ маленьких дуг длиной $\Delta s_i$.
  2. На каждой дуге выберем пробную точку $P_i^*$ и считаем плотность $\rho(P_i^*)$.
  3. Умножим: масса $i$-го кусочка $\approx \rho(P_i^*)\,\Delta s_i$.
  4. Просуммируем: $\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\rho(P_i^*)\,\Delta s_i$.
  5. Предел: устремим $n\to\infty$ (все $\Delta s_i\to 0$).
Определение — Криволинейный интеграл первого рода
$$\int_C f(x,y,z)\,ds \;=\; \lim_{n\to\infty}\sum_{i=1}^{n} f(P_i^*)\,\Delta s_i$$

Мера интегрирования — элемент длины дуги $ds$. Подынтегральная функция $f$ — это скалярная функция, вычисляемая на кривой.

1.2 Сводка применений

Физическая / геометрическая величинаПодынтегральная функция $f$Интеграл
Полная масса проволоки$\rho(x,y,z)$ (линейная плотность)$m = \displaystyle\int_C \rho\,ds$
Полный заряд нити$\lambda(x,y,z)$ (линейная плотность заряда)$Q = \displaystyle\int_C \lambda\,ds$
Средняя температура вдоль пути$T(x,y,z)$$\bar{T} = \dfrac{1}{L}\displaystyle\int_C T\,ds$
Длина дуги как таковая$f \equiv 1$$L = \displaystyle\int_C 1\,ds$
Напоминание о тождественном шаблоне (третье появление): Подстановка $f=1$ в любой интеграл по мере даёт меру области. Для длины дуги: $\int_C 1\,ds = \text{длина}(C)$. Вы уже видели тот же шаблон: $\int_a^b 1\,dx = b-a$ и $\iint_D 1\,dA = \text{Площадь}(D)$.

Продолжите этот урок на YourAIZone

В полном уроке — объяснение целиком, разобранные примеры, частые ошибки, тесты с мгновенной проверкой и ИИ-репетитор. Начните сразу как гость или создайте аккаунт, чтобы сохранять прогресс.

В полном уроке

  • Объяснение целиком
  • Разобранные примеры
  • Частые ошибки и как их избежать
  • Тестовые вопросы: 15
  • ИИ-репетитор, который отвечает на вопросы по теме
  • Отслеживание прогресса для ученика, родителей и учителя