background image

4. CAŁKI POWIERZCHNIOWE ZORIENTOWANE I ELEMENTY ANALIZY WEKTOROWEJ 

 
4.1 DEFINICJA I WŁASNOŚCI CAŁKI POWIERZCHNIOWEJ ZORIENTOWANEJ 
 
Def. 4.1.1 (płat powierzchniowy zorientowany) 
Płat  powierzchniowy  dwustronny,  na  którym  wyróżniono  jedną  ze  stron,  nazywamy  płatem  powierzchniowym  zorientowa-
nym. Wyróżnioną stronę płata zorientowanego nazywamy stroną dodatnią. Płat zorientowany oznaczamy tym samym symbo-
lem co płat. Płat powierzchniowy zorientowany przeciwnie do płata zorientowanego 

 oznaczamy przez – 

 
Dla  płatów  zamkniętych  ograniczających  pewien  obszar  w  przestrzeni  za  stronę  dodatnią  płata  przyjmujemy  z  reguły  jego 
stronę zewnętrzną. Dla płatów będących wykresami funkcji postaci z = f(x,y), x = g(y,z), y = h(x,z) za stronę dodatnią przyj-
mujemy zwykle górną część takiego płata. 
 

 
 
 

 

 

 

Rys. 4.1.1 Płat powierzchniowy jednostronny   

Rys. 4.1.2 Płat powierzchniowy dwustronny; 

wykres funkcji z = f(x,y

 
Fakt 4.1.2 (postać wersora normalnego płata) 
Niech płat gładki zorientowany 

 ma przedstawienie parametryczne 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

. Wtedy wersor normalny 

n

 do 

płata 

 wystawiony w punkcie (x

0

y

0

z

0

) tego płata, odpowiadającym punktowi (u

0

v

0

) obszaru D w powyższej parametryzacji 

wyraża się wzorem: 

v

r

u

r

v

r

u

r

n

gdzie wektory 

u

r

 oraz 

v

r

 są obliczone w punkcie (u

0

v

0

). Znak stojący przed wersorem 

n

 ustala się na podstawie orienta-

cji płata 

. Przyjmujemy, że wersor normalny jest skierowany od strony ujemnej do dodatniej płata zorientowanego. 

 
Jeżeli płat gładki 

 jest wykresem funkcji z = z(x,y), gdzie (x,y

 D, to wersor normalny 

n

 do płata 

 wystawiony w 

punkcie (x

0

y

0

z

0

) tego płata, gdzie z

0

 = z(x

0

y

0

), wyraża się wzorem: 



2

2

2

2

2

2

1

1

,

1

,

1

q

p

q

p

q

q

p

p

n

gdzie 

)

,

(

0

0

y

x

x

z

p

)

,

(

0

0

y

x

y

z

q

. Wersor normalny 

n

 można przedstawić w postaci 

)

cos

,

cos

,

(cos

n

, gdzie 

  oznaczają kąty między tym wersorem, a dodatnimi częściami osi OxOyOz

 

 

 

 

Rys. 4.1.3 Wersor normalny do płata zorientowanego 

 

 

Rys. 4.1.4 Kosinusy kierunkowe wektora normalnego 

n

 

 

background image

Def. 4.1.3 (całka powierzchniowa zorientowana) 

Niech 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 będzie polem wektorowym na płacie gładkim zorientowanym 

. Całkę powierzchniową zorientowaną z 

pola wektorowego 

F

 po płacie 

 definiujemy wzorem: 







dS

z

y

x

R

z

y

x

Q

z

y

x

P

dS

z

y

x

n

z

y

x

F

dy

dx

z

y

x

R

dx

dz

z

y

x

Q

dz

dy

z

y

x

P

def

cos

)

,

,

(

cos

)

,

,

(

cos

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

 

gdzie 

)

cos

,

cos

,

(cos

n

 oznacza wersor normalny do płata zorientowanego 

 wystawiony w punkcie (x,y,z) tego płata. 

 
Uwaga. W zapisie wektorowym powyższa definicja przyjmuje postać: 





dS

r

n

r

F

S

d

r

F

def

)

(

)

(

)

(

gdzie 

)

,

,

(

dxdy

dzdx

dydz

S

d

def

.  Całkę  powierzchniową  zorientowaną  z  pola  wektorowego 

F

  po  płacie 

  oznaczamy  też 

krótko 



dy

dx

R

dx

dz

Q

dz

dy

P

, a w notacji wektorowej 



S

d

F

 

 
 
 

Rys. 4.1.5 Ilustracja do definicji całki powierzchniowej 

zorientowanej z pola wektorowego 

F

 po płacie 

zorientowanym 

 

Def. 4.1.4 (całka powierzchniowa po płacie kawałkami gładkim) 
Niech 

 będzie kawałkami gładkim płatem zorientowanym, utworzonym z płatów gładkich 

1

2

, …, 

m

, o orientacjach po-

krywających się z orientacją płata 

. Ponadto niech 

F

 będzie polem wektorowym określonym na płacie 

. Całkę powierzch-

niową zorientowaną z pola wektorowego 

F

 po płacie 

 definiujemy wzorem: 









m

S

d

F

S

d

F

S

d

F

S

d

F

def

...

2

1

o ile całki po prawej stronie znaku równości istnieją. Jeżeli 

 jest płatem zorientowanym zamkniętym ograniczającym pewien 

obszar w przestrzeni, to wtedy piszemy 



w miejsce 



 
Tw. 4.1.5 (liniowość całki powierzchniowej zorientowanej) 
Jeżeli istnieją całki powierzchniowe z pól wektorowych 

F

 i 

G

 po kawałkami gładkim płacie powierzchniowym zorientowa-

nym 

 oraz jeżeli c jest dowolną stałą, to 

a)  istnieje całka z pola wektorowego 

G

F

 po płacie 

 oraz 







S

d

G

S

d

F

S

d

G

F

b)  istnieje całka z pola wektorowego 

F

c

 po płacie 

 oraz 

 





S

d

F

c

S

d

F

c

c)  istnieje całka z pola wektorowego 

F

 po płacie o orientacji przeciwnej – 

 oraz  





S

d

F

S

d

F

 
 
4.2 ZAMIANA CAŁKI POWIERZCHNIOWEJ ZORIENTOWANEJ NA CAŁKĘ PODWÓJNĄ 
 
Tw. 4.2.1 (o zamianie całki powierzchniowej na całkę podwójną) 
Jeżeli 

1. 

D

v

u

v

u

z

v

u

y

v

u

x

)

,

(

:

)

,

(

),

,

(

),

,

(

 jest gładkim płatem zorientowanym, gdzie  D jest obszarem regularnym na 

płaszczyźnie, 

2.  pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 jest ciągłe na płacie 

to 

background image

dv

du

v

y

u

y

v

x

u

x

v

u

z

v

u

y

v

u

x

R

v

x

u

x

v

z

u

z

v

u

z

v

u

y

v

u

x

Q

v

z

u

z

v

y

u

y

v

u

z

v

u

y

v

u

x

P

dxdy

z

y

x

R

dzdx

z

y

x

Q

dydz

z

y

x

P

D





)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

Znak stojący przed całką podwójną ustala się na podstawie orientacji płata 

 
Uwaga. W zapisie wektorowym wzór ten przyjmuje postać 

 





D

dv

du

v

r

u

r

v

u

r

F

S

d

r

F

)

,

(

Jeżeli gładki płat zorientowany 

 jest wykresem funkcji z = z(x,y), gdzie (x,y

 D, oraz pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 jest 

ciągłe na 

, to 





D

dxdy

y

x

z

y

x

R

y

z

y

x

z

y

x

Q

x

z

y

x

z

y

x

P

dxdy

z

y

x

R

dzdx

z

y

x

Q

dydz

z

y

x

P

)

,

(

,

,

)

,

(

,

,

)

,

(

,

,

)

,

,

(

)

,

,

(

)

,

,

(

Podobne równości mają miejsce, gdy płat 

 jest wykresem funkcji x = x(y,z) lub y = y(x,z). 

4.3 ELEMENTY ANALIZY WEKTOROWEJ 
 
Def. 4.3.1 (operator Hamiltona – nabla) 
Operator Hamiltona (nabla) określony jest wzorem: 





z

y

x

z

k

y

j

x

i

def

,

,

 
Def. 4.3.2 (gradient funkcji) 
Niech f będzie funkcją różniczkowalną na obszarze V 

 R

3

. Gradient funkcji f jest określony wzorem: 





z

f

y

f

x

f

f

f

def

,

,

grad

 
Fakt 4.3.3 (własności gradientu) 
Niech funkcje f i g będą różniczkowalne na obszarze V 

 R

3

 oraz niech ab 

 R. Wtedy 

a) 

g

b

f

a

bg

af

grad

grad

grad

)

(

b) 

g

f

f

g

fg

grad

grad

grad

)

(

c) 

2

g

g

f

f

g

g

f

grad

grad

grad





d) 

f

f

h

f

h

grad

grad

)

(

)

(

/

, gdzie h jest funkcją różniczkowalną na pewnym przedziale, 

e) 

o

f

const

f

grad

f) 

f

v

v

f

grad

, gdzie 

v

 jest wersorem. 

 
Def. 4.3.4 (pole wektorowe potencjalne) 

Pole wektorowe 

F

 nazywamy polem potencjalnym na obszarze V 

 R

3

, jeżeli istnieje funkcja 

R

V

U

:

 taka, że 

U

F

grad

Funkcję U nazywamy potencjałem pola wektorowego 

F

 
Def. 4.3.5 (rotacja pola wektorowego) 

background image

Niech 

)

,

,

(

R

Q

P

F

  będzie  różniczkowalnym  polem  wektorowym  określonym  na  obszarze  V 

  R

3

. Rotację  pola  wektoro-

wego 

F

 określamy wzorem: 

R

Q

P

z

y

x

k

j

i

F

F

def

rot

 
Fakt 4.3.6 (własności rotacji) 

Niech f będzie funkcją różniczkowalną na obszarze V 

 R

3

 oraz niech pola wektorowe 

F

 i 

G

 będą różniczkowalne na tym 

obszarze. Wtedy 

a) 

G

b

F

a

G

b

F

a

rot

rot

rot

, gdzie ab 

 R

b) 

 

F

f

F

f

F

f

rot

grad

rot

c) 

o

U

grad

rot

, gdzie U jest funkcją dwukrotnie różniczkowalną w sposób ciągły na V. 

 
Def. 4.3.7 (dywergencja pola wektorowego) 

Niech 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 będzie polem wektorowym różniczkowalnym w sposób ciągły na obszarze V 

 R

3

. Dywergencję pola 

wektorowego 

F

 określamy wzorem: 

z

R

y

Q

x

P

F

F

def

div

 
Fakt 4.3.8 (własności dywergencji) 

Niech  f  będzie  funkcją  różniczkowalną  w  sposób  ciągły  na  obszarze  V 

  R

3

  oraz  niech  pola  wektorowe 

F

  i 

G

  będą 

różniczkowalne w sposób ciągły na tym obszarze. Wtedy 

a) 

G

b

F

a

G

b

F

a

div

div

div

, gdzie ab 

 R

b) 

 

F

f

F

f

F

f

div

grad

div

c) 

G

F

F

G

G

F

rot

rot

div

d) 

 

0

F

rot

div

, gdzie pole wektorowe 

F

 ma współrzędne dwukrotnie różniczkowalne w sposób ciągły na V

 
 
4.4 TWIERDZENIE GAUSSA I STOKESA 
 
Tw. 4.4.1 (wzór Gaussa) 
Jeżeli 

1. 

 jest zorientowanym kawałkami gładkim płatem zamkniętym, który jest brzegiem obszaru domkniętego V 

 R

3

2.  pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 jest różniczkowalne w sposób ciągły na V

to 





V

dV

F

S

d

F

div

Po rozwinięciu powyższa równość (wzór Gaussa) przyjmuje postać: 

dV

z

R

y

Q

x

P

dy

dx

R

dx

dz

Q

dz

dy

P

V









 

 

 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.4.1 Ilustracja do wzoru Gaussa 

 
Tw. 4.4.2 (wzór Stokesa) 
Jeżeli 

background image

1. 

  jest  płatem  kawałkami  gładkim  zorientowanym,  którego  brzeg 

  jest  łukiem  kawałkami  gładkim  zorientowanym 

zgodnie z orientacją płata 

2.  pole wektorowe 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 jest różniczkowalne w sposób ciągły na płacie 

 (łącznie z brzegiem 

), 

to 



S

d

F

r

d

F

rot

Po rozwinięciu powyższa równość (wzór Stokesa) przyjmuje postać: 











dy

dx

y

P

x

Q

dx

dz

x

R

z

P

dz

dy

z

Q

y

R

Rdz

Qdy

Pdx

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Rys. 4.4.2 Ilustracja do wzoru Stokesa 

 
Uwaga.  Wzór  Greena  podany  w  rozdziale  2.4  jest  szczególnym  przypadkiem  wzoru  Stokesa.  Rzeczywiście,  przyjmując,  że     

 

 xOy jest płatem zorientowanym o brzegu 

 oraz, że pole wektorowe 

F

 określone na tym płacie ma postać 

)

0

,

,

(

Q

P

F

przy czym funkcje P i Q zależą tylko od zmiennych xy, otrzymamy 







dy

dx

y

P

x

Q

Qdy

Pdx

4.5 ZASTOSOWANIA CAŁEK POWIERZCHNIOWYCH ZORIENTOWANYCH 
 
Fakt 4.5.1 (zastosowania w geometrii) 
Objętość obszaru V ograniczonego płatem zamkniętym 

 zorientowanym na zewnątrz wyraża się wzorami: 









zdxdy

ydzdx

xdydz

ydzdx

xdydz

zdxdy

V

3

1

 

 

 
Fakt 4.5.2 (zastosowania w fizyce) 
1.  Ilość  cieczy  przepływającej  w  jednostce  czasu  przez  płat  zorientowany 

  (ze  strony  ujemnej  na  dodatnią)  wyraża  się 

wzorem: 



S

d

z

y

x

v

A

)

,

,

(

gdzie 

)

,

,

(

z

y

x

v

 oznacza prędkość cieczy w punkcie (x,y,z) tego płata. 

 

background image

 

 

 

 

2.  Parcie  cieczy  o  ciężarze  właściwym  C  na  dodatnią  stronę  płata  zorientowanego 

,  który  jest  zanurzony  w  tej  cieczy, 

wyraża się wzorem: 











zdxdy

zdzdx

zdydz

C

P

,

,