Transcript Stokes sats
Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Stokes sats STOKES’ SATS N Y , , vara ett vektorfält definierad i ett öppet område Ω. Låt Y vara ett orienterad ytstycke i Ω med randen ∂Y som består av en eller flera kurvor . Låt Då gäller r r r ∫ Fdr = ∫∫ rot ( F ) ⋅ nˆ dS ∂Y (*) Y r N där nˆ = r är ytans enhetsnormalvektor orienterad i enlighet med randkurvans orientation |N| r i r r ∂ och rot ( F ) = ∇ × F = ∂x P r j ∂ ∂y Q r k ∂ ∂R ∂Q ∂P ∂R ∂Q ∂P =( − , − , − ) ∂z ∂y ∂z ∂z ∂x ∂x ∂y R r Alternativ beteckning för Stokes formel (*) : I några böcker betecknas nˆ dS som dS och därmed r r r r ∫ Fdr = ∫∫ rot ( F ) ⋅ dS ∂Y (**) Y Anmärkning: Med hjälp av Stokes formel ka vi beräkna en kurvintegral med hjälp av en r r flödesintegral. I de flesta fall är det enklastatt beräkna kurvintegralen ∫ Fdr direkt genom att C parametrisera kurvan C . Stokes formel kan vara användbar om kurvan definieras som r skärningskurvan mellan två ytor och dessutom rot ( F ) ⋅ nˆ dS ger ett enkelt uttryck, som i nedanstående exempel. 1 av 3 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Stokes sats Uppgift 1. Låt C vara skärningskurvan mellan planet z = 10 − x − y och cylindern x 2 + y 2 = 1 orienterad så att kurvans projektion i xy-planet är positivt orienterade. Bestäm det arbete som r kraftfältet F = ( x, x 3 , z 3 ) uträttar vid cirkulation runt kurvan C. Lösning: Vi ska använda Stokes formel r r r F d r = rot ( F ) ⋅ nˆ dS . ∫ ∫∫ ∂Y Y r Först beräknar vi rotationen av fältet F . r i r r ∂ rot ( F ) = ∇ × F = ∂x P r j ∂ ∂y Q r r k i ∂ ∂ = ∂z ∂x R x r k r r r r ∂ = i (0 − 0) − j (0 − 0) + k (3 x 2 − 0) = 3 x 2 k ∂z z3 r j ∂ ∂y x3 r Alltså rot ( F ) = (0,0,3 x 2 ) . N Y Eftersom kurvan ligger på ytan z = 10 − x − y k D som är given på explicit form beräknar vi r N = (− z ′x ,− z ′y , 1) = (1,1,1) . r r (Vi riktar N uppåt som enhetsvektorn k för att få samma orientation för slutna kurvor på ytan Y och kurvor i xy planet) Eftersom, för ytor på explicit form gäller r r N r nˆ dS = r | N | dxdy = Ndxdy , har vi att |N| r r r rot ( F ) ⋅ nˆ dS = rot ( F ) ⋅ Ndxdy . r r Vi beräknar rot ( F ) ⋅ N = 3 x 2 och därefter r r r F d r = rot ( F ) ⋅ nˆ dS ∫ ∫∫ C ( flödesintegral) Y r r = ∫∫ rot ( F ) ⋅ N dxdy = ( vanlig dubbelintegral, där domän D är cirkeln x 2 + y 2 ≤ 1 ) D 2π 1 0 0 2 2 2 ∫∫ 3x dxdy = ∫ dθ ∫ 3r cos θ ⋅ rdr = D Svar: 2π 1 + cos 2θ 3 3 3 ∫0 2 dθ ∫0 3r dr = π 4 = 4 π 1 3 π joule (joule = newtonmeter = wattsekund om kraftfält är given i N och längden i m) 4 2 av 3 Armin Halilovic: EXTRA ÖVNINGAR Stokes sats Uppgift 2. Låt C vara skärningskurvan mellan planet z = 5 och cylindern x 2 + y 2 = 4 orienterad så att kurvans projektion i xy-planet är positivt orienterade. Bestäm det arbete som kraftfältet r F = ( x 4 ,3 x + y 2 , z 3 + x 2 + y 5 ) uträttar vid cirkulation runt kurvan C. Lösning: r Först beräknar vi rotationen av fältet F . r i r r ∂ rot ( F ) = ∇ × F = ∂x P r j ∂ ∂y Q r r k i ∂ ∂ = ∂z ∂x R x4 r j ∂ ∂y 3x + y 2 r k r r r ∂ = 5 y 4 i − 2 xj + 3k ∂z z3 + x2 + y5 r Alltså rot ( F ) = (5 y 4 ,−2 x, 3) . r Vi beräknar N = (− z ′x ,− z ′y , 1) = (0,0,1) . r r (Vi riktar N uppåt som enhetsvektorn k för att få samma orientation för slutna kurvor på ytan Y och kurvor i xy planet) Eftersom, för ytor på explicit form gäller r r N r nˆ dS = r | N | dxdy = Ndxdy , har vi att |N| r r r rot ( F ) ⋅ nˆ dS = rot ( F ) ⋅ Ndxdy . r r Vi beräknar skalärprodukten rot ( F ) ⋅ N = 3 och därefter r r r ∫ Fdr = ∫∫ rot ( F ) ⋅ nˆ dS C ( flödesintegral) Y r r = ∫∫ rot ( F ) ⋅ N dxdy = ( vanlig dubbelintegral, där domän D är cirkeln x 2 + y 2 ≤ 1 ) D ∫∫ 3 dxdy = 3arean(D) = 3 ⋅ 2 2 π = 12π D Svar: 12π joule (joule = newtonmeter = wattsekund om kraftfält är given i N och längden i m) Uppgift 3. Låt C vara skärningskurvan mellan planet z = 5 + x 2 + 2 y 2 och cylindern x 2 + y 2 = 4 orienterad så att kurvans projektion i xy-planet är positivt orienterade. Bestäm det arbete som r kraftfältet F = ( x 4 , y 2 , z 3 ) uträttar vid cirkulation runt kurvan C. r Svar 0 ( eftersom rot ( F ) = (0,0,0) ) 3 av 3