Теоретические и методические аспекты изучения темы "Интегральное исчисление функции нескольких переменных"

Дипломная работа - Педагогика

Другие дипломы по предмету Педагогика

?анственных областей.

Пусть имеем пространство, отнесенное к системе прямоугольных координат , и другое пространство с системой координат . Рассмотрим две замкнутые области и в этих пространствах ограниченные соответственно поверхностями и , которые всегда будем предполагать кусочно-гладкими. Допустим, что эти области связаны между собой взаимно однозначным непрерывным соответствием, которое осуществляется формулами:

 

(19)

 

При этом, необходимо, точкам поверхности отвечают именно точки поверхности , и наоборот [1].

Пусть функции (19) имеют в области непрерывные частные производные; тогда и якобиан

 

(20)

 

также является непрерывной функцией в . Здесь будем считать, что этот определитель всегда отличен от нуля, сохраняя определенный знак.

Если в области взять кусочно- гладкую поверхность:

, , (21)

 

(предполагая, что параметры изменяются в некоторой области на плоскости ), то формулы (19) преобразуют ее в кусочно-гладкую же поверхность в области . Эта поверхность будет иметь уравнения

 

. (22)

 

Ограничимся случаем гладкой поверхности (20): на ней особых точек нет, так что определяем:

 

, , (23)

 

одновременно в нуль не обращаются. Проверке подлежит лишь отсутствие особых точек и на поверхности (21).

Имеем линейные равенства относительно величин (22):

 

,

,

[2].

 

Определитель, составленный из коэффициентов при этих величинах, т.e. из алгебраических дополнений к элементам определителя (20), по известной теореме алгебры равен квадрату этого последнего и, следовательно, вместе с ним отличен от нуля. Если бы левые части написанных равенств в какой-нибудь точке одновременно обратились а нуль, то нулями были бы и все три определителя (23), что противоречило бы допущению.

Числа , , однозначно характеризующие положение точки в пространстве , называются криволинейными координатами этой точки. Точки пространства , для которых одна из этих координат сохраняет постоянное значение, образуют координатную поверхность. Всего будет существовать три семейства таких координатных поверхностей; через каждую точку области проходит по одной поверхности каждого семейства [3].

Впрочем, все это будет так лишь в предположении строгой однозначности соответствия между областями и . На практике эта однозначность часто нарушается.

 

.2 Примеры

 

) Цилиндрические координаты представляют соединение полярных координат в плоскости с обычной декартовой аппликатой (рис.4). Формулы, связывающие их с декартовыми, имеют вид

 

, , (24)

 

Эти формулы отображают область

 

, ,

 

на все пространство . Отметим, однако, что прямая , отображается в одну точку ; этим нарушается взаимная однозначность соответствия [2].

 

Рис. 4.

 

Координатные поверхности в рассматриваемом случае будут:

а)- цилиндрические поверхности с образующими, параллельными оси ; направляющими для них служат окружности на плоскости с центром в начале;

б) - полуплоскости, проходящие через ось ;

в) - плоскости, параллельные плоскости .

Якобиан преобразования:

 

.

 

Исключая случай , якобиан сохраняет положительный знак.

) Сферические координаты, называемые иначе полярными координатами в пространстве, связаны с декартовыми формулами:

 

, , ,

 

Где , , .

Геометрический смысл величин , , ясен из puc.5: есть радиус вектор , соединяющий начало(полюс) с данной точкой ;- угол, составляемый с осью координат (полярной осью); - угол, составляемый с осью проекцией (перпендикулярную к полярной оси) [1].

 

Рис.5.

 

В этом случае снова сталкиваемся с нарушением взаимной однозначности соответствия: плоскость пространства отображается в начало координат , прямая , отображается в одну точку , .

Координатные поверхности составляют три семейства:

а) - концентрические сферы с центром в начале координат;

б) - круговые конусы, осью которых служит ось ;

в) - полуплоскости, проходящие через ось .

Якобиан этого преобразования:

 

.

 

Якобиан сохраняет знак плюс, за исключением упомянутых выше случаев, когда , либо , и якобиан обращается в нуль [4].

) Преобразование пространства самого в себя по формулам:

 

, ,

 

однозначно обратимо:

 

, , .

 

Оно называется инверсией [5].

) Эллиптические координаты. Рассмотрим семейство софокусных и соосновных поверхностей второго порядка:

 

,

 

состоящее из эллипсоидов (при ), однополостных гиперболоидов (при ) и, наконец, двуполостных гиперболоидов (при ).

Через каждую точку пространства, не лежащую на координатах плоскостях, проходит по одной поверхности каждого типа. Действительно, левая часть уравнения, получаемого из (24):

 

,

 

имеет знак минус при , знак плюс при , снова знак минус при и, наконец, знак плюс при больших . Отсюда следует, что уравнение имеет три положительных корня: один (что отвечает эллипсоиду), второй , (он дает однополостный гиперболоид), третий (двуполостной гиперболоид) [1].

Используя свойства корней написанного выше уравнения, которое мы можем рассматривать как кубическое уравнение относительно , а именно:

 

,

;

,

 

найдем:

 

, ,

.

 

Если ограничиться первым координатным октантом, то в этих формулах надлежит сохранить лишь положительны?/p>