background image

 

17

 

 

.

dxdy

y

P

x

Q

dxdz

x

R

z

P

dydz

z

Q

y

R

Rdz

Qdy

Pdx

K

S





+

+





=

+

+

∫∫

 

 

 

.

dS

V

rot

dK

V

Rdz

Qdy

Pdx

K

S

K

∫∫

=

=

+

+

 

…………………………………………………. 
Całka krzywoliniowa skierowana inaczej cyrkulacja pola wektorowego    
 
po zamkniętej dodatnio skierowanej krzywej regularnej  K równa jest  
 
strumieniowi rotacji wektora pola   przez powierzchnię S,  
 
której brzegiem jest dodatnio skierowana krzywa K 

 

………………………………………………………………………………… 

 
Wniosek z tw. Stokesa 
 

Jeżeli 

0

=

V

rot

r

 w obszarze 

3

R

V

, to całka krzywoliniowa w tym obszarze  

nie zależy od drogi – zależy jedynie od początku i końca krzywej –  
a ponadto: 

)

A

(

F

)

B

(

F

Rdz

Qdy

Pdx

B

A

=

+

+

 

background image

 

16

Def.    
 

Dywergencję  pola wektorowego  

]

R

,

Q

,

P

[

V

=

r

 określamy wzorem: 

 

z

R

y

Q

x

P

V

div

+

+

=

r

 

…………………………………………………………………………….. 

 
Twierdzenie (Gaussa – Ostrogradskiego)
 
 
Jeśli S – powierzchnia regularna zamknięta ograniczająca obszar przestrzenny V  normalny 
 
względem trzech płaszczyzn układu współrzędnych  
 

oraz   pole wektorowe  

[

]

)

V

(

C

R

,

Q

,

P

F

1

=

,    

 
to 
 

     

dxdydz

S

V

V

div

)

(

dS

n

V

S

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

∫∫

∫∫∫

+

=

∫∫

+

=

+

+

 
 

……………………………………………………. 

Całka powierzchniowa zorientowana jako strumień wektora pola  przez zorientowaną 
powierzchnię zamkniętą S równa jest całce potrójnej  z dywergencji wektora pola 

V

r

  

po obszarze V,  ograniczonym tą powierzchnią. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Twierdzenie
 (Stokesa) 
 

Jeżeli 

[

]

)

(

,

,

1

S

C

R

Q

P

F

=

, gdzie S jest dwustronną  powierzchnią gładką  

 
ograniczoną krzywą regularną przestrzenną zamkniętą K,  
 
oraz orientacja powierzchni S jest zgodna z orientacją krzywej

K

 
to 

x

y

z

n

n

n

D

S

1

S

2

R

R

R

background image

 

15

czyli, że: 

 

0

=

x

R

z

P

,

 

 

0

=

y

P

x

Q

 

 
 

………………………………………………………………………….. 

ad b) 

 

+

+

+

+

+

+

+

+

=

)

,

,

(

)

0

,

0

,

1

(

2

2

2

2

2

2

2

2

2

)

,

,

(

z

y

x

dz

z

y

x

z

dy

z

y

x

y

dx

z

y

x

x

z

y

x

u

 

Zał: x>0, y>0, z>0 
 

 

[ ]

x

t

dz

z

dy

y

dt

dx

t

x

,

1

,

0

,

0

0

,

0

,

=

=

=

=

=

=

 

 

[

]

y

t

dz

z

dt

dy

t

y

dx

x

x

,

0

,

0

,

0

,

0

,

=

=

=

=

=

=

 

 

[

]

z

t

dt

dz

t

z

dy

y

y

dx

x

x

,

0

,

,

0

,

0

,

=

=

=

=

=

=

 

 
 
 

………………………………………………………………….. 

Wobec tego: 

[ ]

[ ]

=

=

=

=

+

+

+

+

+

+

=

x

u

x

t

udu

tdt

u

t

C

dt

t

y

x

t

dt

t

x

t

dt

t

t

z

y

x

u

z

y

x

,

1

:

,

1

:

)

,

,

(

2

0

2

2

2

0

2

2

1

2

 

C

y

x

z

y

x

x

y

x

x

C

z

y

x

t

x

u

z

y

x

+

+

+

+

+

+

+

=

+

+

+

+

+

+

=

2

2

2

2

2

2

2

2

0

2

2

2

0

2

2

1

1

 

 

Czyli: 

C

z

y

x

z

y

x

u

+

+

+

=

2

2

2

)

,

,

(

 

 

…………………………………………………………………. 

Znajdź funkcję F (potencjał) pola wektorowego -jak w r.r. 
 

……………………………………………………………. 

ad c) 
 

6

5

)

1

,

2

,

1

(

)

2

,

1

,

0

(

)

2

,

1

,

0

(

)

1

,

2

,

1

(

=

=

+

+

u

u

Rdz

Qdy

Pdx

 

 
 
………………………………………………………………………………… 

L

1

L

3

L

2

L

1

 

(1,0,0) 

L

2

 

(x,0,0) 

L

3

 

(x,y,z) 

(x,y,0) 

background image

 

14

 

Zatem: 

 

,      

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

oraz    

dF(x,y,z)   =   

 = P dx + Q dy + R dz 

 
 

…………………………………………………………………………………. 

 
Def.  Rotacj
ę pola wektorowego  

 

[

]

)

z

,

y

,

x

(

R

),

z

,

y

,

x

(

Q

),

z

,

y

,

x

(

P

 określamy wzorem: 

 

 

rot 

∇x 

  

 

[

]

)

z

,

y

,

x

(

R

),

z

,

y

,

x

(

Q

),

z

,

y

,

x

(

P

  =   

 

 

 

=   

   =   

y

P

x

Q

,

x

R

z

P

,

z

Q

y

R

 

 
 

……………………………………………………………………………….. 

Tw. 
 

Pole wektorowe 

V

r

 jest potencjalne wtedy i tylko wtedy, gdy  

0

V

rot

=

r

 
 

…………………………………………………………………………….. 

Przykład.   

 

Dane jest pole wektorowe: 

 

]

z

,

y

,

x

[

z

y

x

1

W

2

2

2

+

+

=

 

a)

  sprawdź, czy 

W

 jest potencjalne, 

 

b)

  oblicz  potencjał, 

 

c)

  oblicz   

+

+

)

2

,

1

,

0

(

)

1

,

2

,

1

(

Rdz

Qdy

Pdx

 

 
ad a) 

 

(

)

3

2

2

2

z

y

x

yz

y

R

+

+

=

 

 

(

)

3

2

2

2

z

y

x

yz

z

Q

+

+

=

 

 
Analogicznie sprawdzamy dla pozostałych współrzędnych, 

0

=

z

Q

y

R

 

background image

 

13

Def. 
 

Powiemy, że pole skalarne jest gładkie, jeżeli pochodne cząstkowe pierwszego rzędu 

 

funkcji opisującej pole skalarne są ciągłe. 

 

…………………………………………………………………………………….. 

 
Def. 
 

Polem wektorowym  lub funkcją wektorową  nazywamy funkcję,  

 

która  każdemu punktowi pewnego obszaru 

3

 przyporządkowuje  

 

określony wektor. 

 

………………………………………………………………………………. 

 

 

 

Pole wektorowe 

3

3

R

R

:

W

czyliw 

3

:

 

)]

z

,

y

,

x

(

R

),

z

,

y

,

x

(

Q

),

z

,

y

,

x

(

P

[

)

z

,

y

,

x

(

W

=

 

…………………………………………………………………………… 

 
Def. 
 

Powiemy, że pole wektorowe  

W

jest gładkie, jeżeli pochodne cząstkowe 

 

pierwszego rzędu funkcji opisującej pole wektorowe są ciągłe. 

 

………………………………………………………………………………… 

Def. 

 

Operator Hamiltona (nabla) określamy wzorem: 

∇ = 

 

……………………………………………………………………………… 

Def. 
 

Jeżeli funkcja skalarna F ma pochodne cząstkowe pierwszego rzędu,  

 

to gradientem funkcji skalarnej F nazywamy wektor:  

 =  grad F. 

 

…………………………………………………………………… 

 

 
 

Gradient F = [0,0,0] wtedy i tylko wtedy, gdy pole skalarne jest stałe. 

 

………………………………………………………………………………… 

 
Def. 
 

Pole wektorowe  

W

 = 

 

[

]

)

z

,

y

,

x

(

R

),

z

,

y

,

x

(

Q

),

z

,

y

,

x

(

P

 - nazywamy 

potencjalnym  
 
 

w obszarze  

3

 wtedy i tylko wtedy, 

 

 

gdy istnieje taka funkcja F: V

, że grad F =  

 =  

W

 = [P,Q,R], 

 
 

przy czym funkcję F = F(x,y,z)   nazywamy potencjałem pola wektorowego 

W

 
 
 

background image

 

12

 

Twierdzenie (Stokesa). 

 

Jeżeli 

[

]

)

(

,

,

1

S

C

R

Q

P

F

=

, gdzie S jest dwustronną       powierzchnią gładką  

 
 

ograniczoną krzywą regularną przestrzenną zamkniętą K,  

 
 

oraz   orientacja powierzchni S jest zgodna z orientacją krzywej 

 
to 

 

.

dxdy

y

P

x

Q

dxdz

x

R

z

P

dydz

z

Q

y

R

Rdz

Qdy

Pdx

K

S

+

+

=

+

+

∫∫

 

Zatem 
 

 

.

dxdy

)

z

,

y

,

x

(

R

dxdz

)

z

,

y

,

x

(

Q

dydz

)

z

,

y

,

x

(

P

Rdz

Qdy

Pdx

1

1

K

S

1

+

+

=

+

+

∫∫

 

 

 

 

K

---  całka po łuku  zamkniętym. 

 

 

Uwaga 
 
Je
śli powierzchnia S jest płaskim obszarem w płaszczyźnie OXY, to 

0

=

z

,  

 
i z twierdzenia Stokesa otrzymujemy twierdzenie Greena. 
 
 

…………………………………………………………………………. 

 

Twierdzenie (Gaussa – Ostrogradskiego) 

 
 

 

Jeśli S – powierzchnia zamknięta ograniczająca obszar przestrzenny V 
oraz  

        pole wektorowe 

[

]

)

(

,

,

1

V

C

R

Q

P

F

=

 

to 

        

(

)

dxdydz

R

Q

P

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

S

V

z

y

x

∫∫

∫∫∫

+

+

+

=

+

+

 

……………………………………..…………………………………………….. 

TEORIA POLA 

 
Def. 
 

Polem skalarnym lub funkcją skalarną F nazywamy funkcję, która każdemu 

punktowi   pewnego obszaru 

3

  ,   

R

3

R

:

F

,     przyporządkowuje określoną liczbę. 

 

……………………………………………………………………………………. 

 
 
 

background image

 

11

Sfera S ma następującą parametryzację

=

=

=

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

sin

sin

cos

cos

cos

R

z

R

y

R

x

,      gdzie   

[

]

π

ϕ

π

π

θ

2

,

0

       

,

2

,

2





 

i wtedy wektor normalny jest postaci 
 

n

r

]

cos

sin

 

,

sin

cos

 

,

cos

[cos

R

z

y

x

z

y

x

k

j

i

2

2

2

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

∂θ

∂θ

∂θ

∂ϕ

∂ϕ

∂ϕ

=

 

 

]

cos

sin

 ,

sin

cos

 ,

cos

[cos

R

n

2

2

2

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

=

r

 dla 

,

)

,

(

ϕ

θ

  

 

 

gdzie

[

]

.

2

,

0

2

,

2

 

π

π

π

×





=

  

 
 
St
ąd   

[

]

(

)

[

]

(

)

[

]

[

]

(

)

(

)

(

)

3

2

0

2

2

2

2

3

3

3

2

3

3

2

2

3

2

3

3

2

2

2

4

sin

2

cos

cos

   

cos

sin

cos

cos

sin

sin

cos

cos

cos

   

cos

sin

,

sin

cos

,

cos

cos

sin

,

sin

cos

,

cos

cos

   

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

   

)

,

(

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

R

R

d

R

d

d

d

R

d

d

R

d

d

R

d

d

R

R

R

R

d

d

n

z

y

x

d

d

n

n

z

y

x

I

e

π

θ

π

θ

θ

ϕ

ϕ

θ

θ

ϕ

θ

θ

θ

θ

ϕ

θ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

π

π

π

π

π

=

=

=

=

=

+

=

+

+

=

=

=

=

=

=

=

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

+

o

r

o

r

r

o

 

Dowód 
 

[

]

(

) (

) (

)

[

]

(

) (

) (

)

[

]

=

×

=

=

=

=

=

+

+

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

+

dudv

v

u

r

v

u

r

v

u

z

v

u

y

v

u

x

R

v

u

z

v

u

y

v

u

x

Q

v

u

z

v

u

y

v

u

x

P

dudv

v

u

n

v

u

z

v

u

y

v

u

x

R

v

u

z

v

u

y

v

u

x

Q

v

u

z

v

u

y

v

u

x

P

dS

n

R

Q

P

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

v

u

S

S

e

)

,

(

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

,

)

,

(

),

,

(

),

,

(

,

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

,

)

,

(

),

,

(

),

,

(

,

)

,

(

),

,

(

),

,

(

,

,

r

r

o

r

o

r

o

dudv

v

z

v

y

v

x

u

z

u

y

u

x

R

Q

P

∫∫

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

 

10

,

∫∫

+

+

=

S

zdxdy

ydzdx

dydz

x

I

Stąd   

[

]

(

)

[

]

(

)

[

]

[

]

(

)

(

)

(

)

3

2

0

2

2

2

2

3

3

3

2

3

3

2

2

3

2

3

3

2

2

2

4

sin

2

cos

cos

   

cos

sin

cos

cos

sin

sin

cos

cos

cos

   

cos

sin

,

sin

cos

,

cos

cos

sin

,

sin

cos

,

cos

cos

   

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

   

)

,

(

)

,

(

)

,

(

),

,

(

),

,

(

R

R

d

R

d

d

d

R

d

d

R

d

d

R

d

d

R

R

R

R

d

d

n

z

y

x

d

d

n

n

z

y

x

I

e

π

θ

π

θ

θ

ϕ

ϕ

θ

θ

ϕ

θ

θ

θ

θ

ϕ

θ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

π

π

π

π

π

=

=

=

=

=

+

=

+

+

=

=

=

=

=

=

=

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

+

o

r

o

r

r

o

 

 
Twierdzenie 
 
Je
śli płat powierzchniowy S zadany jest równaniami parametrycznymi 

 

=

=

=

)

,

(

)

,

(

)

,

(

:

v

u

z

z

v

u

y

y

v

u

x

x

S

,   gdzie 

)

,

v

u

oraz 

[

]

)

(

,

,

S

C

R

Q

P

F

=

r

 

to 

dudv

v

z

v

y

v

x

u

z

u

y

u

x

R

Q

P

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

S

∫∫

∫∫

+

=

+

+

 
 
 =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  

Przykład 

 

Obliczyć całkę 
 
 
gdzie S
 jest zewnętrzną stroną powierzchni sfery  

.

2

2

2

2

R

z

y

x

=

+

+

 

 
 
 
 
 
 

 
 

Skorzystamy z definicji całki powierzchniowej zorientowanej,  
a nast
ępnie z twierdzenia o zamianie całki powierzchniowej niezorientowanej  
na całk
ę podwójną.  
 

 

 

[

]

dS

n

z

y

x

I

e

S

r

o

∫∫

=

,

,

 

x

y

z

n

n

n

D

S

1

S

2

R

R

R

background image

 

9

 

Obliczyć całkę 
 
 
gdzie S
 jest zewnętrzną stroną powierzchni sfery  

.

2

2

2

2

R

z

y

x

=

+

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I sposób. 

Oczywiście 

∫∫

∫∫

∫∫

=

=

S

S

S

zdxdy

ydzdx

dydz

x

.

 

Wystarczy więc obliczyć tylko jedną z tych całek, np. 

.

∫∫

S

zdxdy

 Sferę S rozbijamy na dwie półsfery: 

górną (względem płaszczyzny OXY

1

S

 i dolną 

2

S

; a następnie korzystamy z twierdzenia. 

 

(

)

(

)

.

4

3

1

2

6

6

   

6

3

   

3

3

3

0

2

0

0

2

3

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

1

2

R

r

R

rdr

r

R

d

dxdy

y

x

R

dxdy

y

x

R

dxdy

y

x

R

zdxdy

zdxdy

zdxdy

I

R

R

D

D

D

S

S

S

π

π

ϕ

π

=

=

=

=

=



=

=

+

=

=

∫ ∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

+

 

II sposób. 
Tym razem skorzystamy z definicji całki powierzchniowej zorientowanej, a następnie z twierdzenia o 
zamianie całki powierzchniowej niezorientowanej na całk
ę podwójną.  

[

]

dS

n

z

,

y

,

x

I

e

S

r

o

∫∫

=

 

Sfera S ma następującą parametryzację

=

=

=

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

sin

sin

cos

cos

cos

R

z

R

y

R

x

,      gdzie   

[

]

π

ϕ

π

π

θ

2

,

0

       

,

2

,

2





 

 

i wtedy wektor normalny jest postaci 
 

 

 

n

r

i

j

k

x

u

y

u

z

u

x

v

y

v

z

v




≠ 0  

 

]

cos

sin

 

,

sin

cos

 ,

cos

[cos

2

2

2

θ

θ

ϕ

θ

ϕ

θ

R

n

=

r

 dla 

,

)

,

(

ϕ

θ

  

 
 

gdzie

[

]

.

2

,

0

2

,

2

 

π

π

π

×





=

  

 
 
 
 

background image

 

8

,

∫∫

+

+

=

S

zdxdy

ydzdx

dydz

x

I

 

 
Rozłó
żmy całkę I na sumę trzech całek I

I

I

I

=

+

+

1

2

3

, gdzie 

(

)

I

x

yz dxdy

S

1

2

2

=

+

∫∫

I

xyzdxdz

S

2

=

∫∫

I

x zdydz

S

3

2

=

∫∫

 

i dla każdej z całek  I

k

 skorzystajmy z Twierdzenia k , gdzie  k

= 1 2 3

, , 

 

1

o

 Ponieważ powierzchnia S jest płatem powierzchniowym zadanym równaniem  

(

)

S z

x

x y

D

:

,

,

 

 

=

4

2

1

, gdzie 

[

] [ ]

D

1

2 2

0 3

= −

×

,

,

 

     zatem 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

I

x

y

x

dxdy

dx

x

y

x

dy

x y

x

y

dx

D

1

2

2

2

2

2

2

0

3

2

0

3

2

2

0

3

2

2

4

4

4

1

2

1

= +

+

=

+

=

+



=

∫∫

∫ ∫

 

    

=

+



=

+



=−

+

= − +

=

3

18

9

2

3

2

18

1

2

18

8

72

64

2

2

2

2

2

2

2

3

2

2

2

2

x

x

dx

x

dx

x

x

 

2

o

I

2

0

 - bo rzut powierzchni S jest krzywą  K

2

 (a nie obszarem). 

3

o

 Rzutujemy S na płaszczyznę  OYZ . Rzut 

( )

[ ]

[ ]

{

}

D

y z

y

z

3

0 3

0 2

=

, :

, ,

,

 

 

powstaje zatem          

z  rzutowania zarówno części  S

1

 powierzchni S dla której  x

> 0  oraz z części  S

2

 dla której  x

< 0 .  

Rozłóżmy zatem S na sumę  S

S

S

=

1

2

, gdzie 

( )

S

x=

z

y z

D

1

2

3

4

:

,

 

 dla 

 

    oraz 

( )

S

x=

z

y z

D

2

2

3

4

:

,

 

 dla 

    Stą

(

)

(

)

I

x zdydz

x zdydz

z

zdydz

z

zdydz

S

S

D

D

3

2

2

2

2

1

2

3

3

4

4

0

=

+

=

=

+

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

 

1

o

2

o

3

o

 otrzymujemy  I

= 64 

 
Przykład 

x

y

z

n

n

n

D

S

1

S

2

R

R

R

background image

 

7

Twierdzenie 3 
Niech  
S

− płat powierzchniowy zorientowany, 

( )

( )

S x

h y z

y z

D

:

, ,

,

  

  gdzie   

=

3

r

F

C S

∈ ( ) 

Wtedy 1

o

całka powierzchniowa po górnej stronie płata 

(

)

( )

(

)

P x y z dydz

P h y z y z dydz

S

D

, ,

, , ,

∫∫

∫∫

=

3

2

o

całka powierzchniowa po dolnej stronie płata 

(

)

( )

(

)

P x y z dydz

P h y z y z dydz

S

D

, ,

, , ,

∫∫

∫∫

= −

3

 

 =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  =  

 

Najczęściej i najwygodniej stosować następujące : 
 
Twierdzenie. 
 

Niech 

S

płat powierzchniowy zorientowany, 

 

(

)

(

)

D

y

,

x

  

gdzie

  

,

y

,

x

f

z

  

:

S

=

   (  S

 

 

 

)

R

,

S

(

C

]

R

,

Q

,

P

[

F

3

=

r

 

 
 

to  

∫∫

=

+

+

S

dxdy

)

z

,

y

,

x

(

R

dxdz

)

z

,

y

,

x

(

Q

dydz

)

z

,

y

,

x

(

P

 

 

 

 

 

 

 =  

∫∫

+

D

dxdy

)]

y

,

x

(

f

,

y

,

x

(

R

y

)

y

,

x

(

f

)

y

,

x

(

f

,

y

,

x

(

Q

x

)

y

,

x

(

f

)

y

,

x

(

f

,

y

,

x

(

P

[

 

 

gdzie 

 

 
 

Przykład 
1. 

Obliczyć całkę 

dxdy

z

dxdz

y

dydz

x

I

S

∫∫

+

+

=

 

 

gdzie    S: …

 

 

Przykład 
 

2. 

Obliczyć całkę 

(

)

I

x zdydz

xyzdxdz

x

yz dxdy

S

=

+

+

+

∫∫

2

2

2

 po zewnętrznej stronie powierzchni 

(

)

{

}

S

x y z

y

z

x

z

=

+

=

, , :

,

,

   

    

    

0

3

0

4

2

2

background image

 

6

Dowód 

Ponieważ płat S zadany jest w postaci jawnej 

(

)

z

f x y

=

,

, więc wektor normalny jest postaci 

[

]

r

n

f

f

x

y

= −

'

'

,

,1    lub 

[

]

r

n

f

f

x

y

=

'

'

,

, 1 

1

o

 Niech  S

S

=

+

 

 

 

 

Wtedy 

[

]

r

n

f

f

x

y

= −

'

'

,

,1  oraz 

( )

( )

( )

( )

( )

( )

r

n

f

f

f

f

f

f

f

f

e

x

x

y

y

x

y

x

y

=

+

+

+

+

+

+

'

'

'

'

'

'

'

'

,

,

.

2

2

2

2

2

2

1

1

1

1

 

 
Zatem 

(

)

(

)

(

)

(

)

( )

( )

( )

( )

(

)

(

)

R x y z dxdy

R x y z

dS

R x y f x y

f

f

f

f

dxdy

R x y f x y dxdy

S

def

S

tw

x

y

x

y

D

D

, ,

, ,

cos

, ,

,

, ,

,

.

'

'

'

'

+

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

=

=

=

+

+

+

+

=

γ

1

1

1

2

2

2

2

1

1

 

2

o

 Dowodzimy  analogicznie. 

 
 
 
 
 
 

Twierdzenie 2 
 
Niech  
S

− płat powierzchniowy zorientowany, 

(

)

(

)

S

y

g x z

x z

D

:

, ,

,

  

  gdzie   

=

2

r

F

C S

∈ ( ) 

Wtedy 1

o

całka powierzchniowa po górnej stronie płata 

(

)

(

)

(

)

Q x y z dxdz

Q x g x z z dxdz

S

D

, ,

,

, ,

∫∫

∫∫

=

2

2

o

całka powierzchniowa po dolnej stronie płata 

(

)

(

)

(

)

Q x y z dxdz

Q x g x z z dxdz

S

D

, ,

,

,

,

∫∫

∫∫

= −

2

…………………………………………………………………………….. 

 

 
 
 
 

background image

 

5

Definicja 
Całk
ę powierzchniową niezorientowaną funkcji 

r

o

r

F n

e

, czyli  

(

)

r

o

r

F n dS

P

Q

R

dS

e

S

S

∫∫

∫∫

=

+

+

cos

cos

cos

α

β

γ

 

nazywamy całką powierzchniową zorientowaną funkcji wektorowej 

r

 na płacie zorientowanym 

oznaczamy symbolem 

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

S

+

+

∫∫

Uwaga 
Je
śli zmienimy orientację płata S na przeciwną, to 

czyli 

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

S

S

+

+

= −

+

+

∫∫

∫∫

 

…………………………………………………………………… 

 
Niech  
S

− powierzchnia regularna dwustronna, 

2

1

S

S

S

=

,  

gdzie S

i

− płat gładki dla i

n

= 1,..., 

 
Wtedy 

∑ ∫∫

+

+

∫∫

+

+

=

2

1

i

Si

S

i

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

:=

 

Rdxdy

Qdxdz

Pdydz

 
Uwaga 

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

S

S

S

S

+

+

=

+

+

∫∫

∫∫

∫∫

∫∫

 

bo 

[

]

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

P

Q

R

dS

S

S

+

+

=

+

+

=

∫∫

∫∫

cos

cos

cos

α

β

γ

 

        

=

+

+

=

∫∫

∫∫

∫∫

P

dS

Q

dS

R

dS

S

S

S

cos

cos

cos

α

β

γ

 

        

=

+

+

∫∫

∫∫

∫∫

Pdydz

Qdxdz

Rdxdy

S

S

S

 

……………………….………………………………… 

Twierdzenie 1 
Niech  
S

− płat powierzchniowy zorientowany, 

(

)

(

)

S z

f x y

x y

D

:

,

,

,

  

  gdzie  

=

1

r

F

C S

∈ ( ) 

Wtedy 1

o

 całka powierzchniowa po górnej stronie płata 

(

)

(

)

(

)

R x y z dxdy

R x y f x y dxdy

S

D

, ,

, ,

,

∫∫

∫∫

=

1

2

o

 całka powierzchniowa po dolnej stronie płata 

(

)

(

)

(

)

R x y z dxdy

R x y f x y dxdy

S

D

, ,

, ,

,

∫∫

∫∫

= −

1

 
 
 

r

o

r

r

o

r

F n dS

F n dS

e

S

e

S

∫∫

∫∫

= −

background image

 

4

Uwaga 
Istniej
ą powierzchnie jednostronne (np. wstęga Möbiusa) 
 

 

Zatem nie każdą powierzchnię regularną można zorientować
 
 

………………………………………………………………………… 

 

 

Niech 

r

n

e

- wersor normalny do płata S. Ponieważ 

r

n

e

= 1, więc wersor normalny zadany jest wzorem 

[

]

r

n

e

= cos , cos ,cos

α

β

γ

,  

gdzie 

α β γ

, , są kątami między wektorem 

r

n

e

 a dodatnimi półosiami 

OX

OY

OZ

+

+

+

,

,

 

 
 
Niech  

r

- pole wektorowe określone na płacie S

[

]

r

F

P Q R

S

=

, ,

:

    

R

3

oraz niech 

r

F

C S

∈ ( ) 

W każdym punkcie płata tworzymy iloczyn skalarny 

r

o

r

F n

P

Q

R

e

=

+

+

cos

cos

cos

α

β

γ

 
Poniewa
ż 

  

r

o

r

F n

C S

e

⇒ ∃

( )

  całka powierzchniowa niezorientowana 

r

o

r

F n dS

e

S

 

 

………………………………………………………………………………..    

 
 
 

background image

 

3

Przykład 
 

 

 

 

 

 

 

 

                                   

- powierzchnia regularna 
 
 
 

 
 
- półsfera nie jest powierzchni
ą regularną, bo dla jej brzegu 
(najwi
ększego okręgu) nie istnieją pochodne cząstkowe, natomiast 
sfera jest powierzchni
ą regularną bo można ją podzielić na 6 płatów 
gładkich.  
 
 
 
 
 

 

Całka powierzchniowa zorientowana  

(całka powierzchniowa funkcji wektorowej) 

 
Niech 
– gładki płat powierzchniowy. 
 

 

Płat orientujemy czyli rozróżniamy jego strony: dodatnią  S

S

+

 i ujemną 

. W każdym punkcie płata 

zorientowanego prowadzimy wektor normalny 

r

 o zwrocie od strony ujemnej do dodatniej. 

 

………………………………………………………………………. 

Orientacja płata S wyznacza jednoznacznie orientację krzywej  K

S

 

………………………………………………………………………. 

Krzywa jest zorientowana dodatnio, gdy obiegając krzywą K zgodnie ze wzrostem parametru 
wektor normalny mamy po stronie lewej. 
 

………………………………………………………………………… 

 
Je
śli S jest powierzchnią zamkniętą, to przyjmujemy, że jej zewnętrzna strona jest stroną dodatnią; a 
wewn
ętrzna – ujemną
 
 
 

………………………………………………………………………… 

 
 

background image

 

2

r

r

r

n

r

r

x

u

y

u

z

u

x

v

y

v

z

v

i

j

k

x

u

y

u

z

u

x

v

y

v

z

v

u

v

=

×

=







×







=









,

,

,

,

 

przy założeniu, że wyznacznik 

i

j

k

x

u

y

u

z

u

x

v

y

v

z

v




≠ 0 

 
 

……………………………………………………………………………… 

Jeśli dany jest wektor normalny 

[

]

r

n

A B C

=

, ,

 do powierzchni S, to płaszczyzna 

π

 styczna do 

powierzchni w punkcie 

(

)

M x

y z

0

0

0

,

,

 jest postaci 

(

)

(

)

(

)

π

:  A x

x

B y

y

C z

z

+

+

=

0

0

0

………………………………………………………… 

Zatem w przypadku * 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

π

:  

F

x

M x

x

F

y

M y

y

F

z

M z

z

+

+

=

0

0

0

 

………………………………………………………………………………….. 

Natomiast w przypadku ** 

(

)

(

)

(

)

(

)

π

:  

+ −

=

F

x

M x

x

F

y

M y

y

z

z

0

0

0

stą

( )

(

)

( )

(

)

π

:  z

z

F

x

M

x

x

F

y

M

y

y

=

+

0

0

0

 

………………………………………………………………………………. 

Definicja 
Powierzchnia gładka jest to powierzchnia, która w ka
żdym swoim punkcie ma płaszczyznę styczną
która zmienia si
ę w sposób ciągły przy zmianie punktu styczności. 
 
 

………………………………………………………………………………… 

Definicja 

Płatem nazywamy figurę określoną równaniem 

(

)

(

)

z

f x y

x y

D

=

,

,

,

 gdzie 

,  

- domknięty obszar jednospójny, 

(

)

( )

f

C

D

f

C D

1

int

,  

 

………………………………………………………………………………….. 

Definicja 
Płat nazywamy gładkim, gdy 

( )

f

C D

1

 
 

…………………………………………………………………………. 

Definicja 
Powierzchnia regularna jest to powierzchnia, któr
ą można podzielić na skończenie wiele płatów 
gładkich. 
 
 

background image

 

1

CAŁKA POWIERZCHNIOWA ZORIENTOWANA 

Powierzchnie 

Powierzchnia jest to zbiór punktów S(x,y,z) spełniających pewne równanie,  
które jest klasy  
C

1

 i ma jedną z trzech postaci: 

 

* postać uwikłana: 

(

)

F x y z

, ,

= 0

 

** postać jawna: 

(

)

(

)

z

f x y

x y

D D

D

OXY

=

,

,

,

 ,  gdzie 

    -  obszar,  

 

*** postać parametryczna: 

(

)

(

)

(

)

(

)

x

x u v

y

y u v

z

z u v

u v

=

=

=

,

,

,

,

,

 ,  gdzie 

 

Ω Ω

 - obszar w  R

2

 

 
 

……………………………………………………………………….. 

Definicja 
Wektorem normalnym do powierzchni 
w punkcie  M

S

∈  nazywamy niezerowy wektor prostopadły 

do wszystkich krzywych leżących na i przechodzących przez  

 

 

 

 

 
 
Je
śli zadana jest w postaci: 
* uwikłanej, to  

(

)

(

)

(

)

(

)

r

n

F M

F

x

M

F

y

M

F

z

M

=

=

grad

,

,

 , 

gdzie  jest punktem, w którym gradient nie zeruje się, gradF(M) ≠ 0 
 

……………………………………… 

** jawnej, to przekształcając równanie 

(

)

z

f x y

=

,

 otrzymujemy postać uwikłaną 

(

)

z

f x y

=

,

0

 

gdzie 

(

)

(

)

F x y z

z

f x y

, ,

,

= −

 

i korzystając ze wzoru na wektor normalny w przypadku * dostajemy 

(

)

(

)

(

)

r

n

F x y z

f

x

M

f

y

M

=

= −

grad

 

 

, ,

,

,

 

 

……………………………………………….. 

 

*** parametrycznej, to w punkcie jednokrotnym powierzchni S, tzn. punkcie odpowiadającym tylko 
jednej parze 

(

)

u v

,

 wektor normalny zadany jest wzorem