background image

3. CAŁKI POWIERZCHNIOWE NIEZORIENTOWANE 

 
3.1 PŁATY POWIERZCHNIOWE 
 
Def. 3.1.1 (funkcja wektorowa dwóch zmiennych w przestrzeni) 
a)  Niech D będzie obszarem na płaszczyźnie. Funkcją wektorową dwóch zmiennych w przestrzeni nazywamy odwzorowanie 

3

:

R

D

r

. Funkcję taką będziemy zapisywać w postaci 

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

v

u

z

v

u

y

v

u

x

v

u

r

, gdzie 

D

v

u

)

,

(

 

 

Rys. 3.1.1 Funkcja wektorowa 

3

:

R

D

r

 

b)  Mówimy,  że  funkcja  wektorowa 

3

:

R

D

r

  jest  różnowartościowa,  gdy  dla  dowolnych  punktów  (u

1

,v

1

),  (u

2

,v

2

  D 

prawdziwa jest implikacja  

)

,

(

)

,

(

)

,

(

)

,

(

2

2

1

1

2

2

1

1

v

u

r

v

u

r

v

u

v

u

c)  Mówimy, że funkcja wektorowa 

3

:

R

D

r

 jest ciągła, gdy funkcje xyz są ciągłe na D

d)  Mówimy,  że  funkcja  wektorowa 

3

:

R

D

r

  jest  różniczkowalna  w  sposób  ciągły,  gdy  funkcje  x,  y,  z  mają  ciągłe 

wszystkie pochodne cząstkowe pierwszego rzędu na obszarze D

 
 
 
Def. 3.1.2 (płat powierzchniowy) 
Niech 

D 

będzie 

prostokątem 

na 

płaszczyźnie 

oraz 

niech 

funkcja 

wektorowa 

3

:

R

D

r

gdzie 

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

v

u

z

v

u

y

v

u

x

v

u

r

 dla 

D

v

u

)

,

(

, będzie ciągła i różnowartościowa na prostokącie D. Płatem powierzchnio-

wym nazywamy zbiór wartości funkcji wektorowej 

r

, tj. zbiór: 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

Zbiór  w  przestrzeni  taki,  że  każdy  jego  punkt  ma  otoczenie  domknięte,  które  jest  płatem  prostym,  nazywamy  płatem  po-
wierzchniowym. 
 
Uwaga. Funkcję wektorową 

r

 lub układ funkcji xyz nazywamy parametryzacją płata 

. Płat prosty można wyobrazić sobie 

jako powyginany w przestrzeni prostokąt. Przy tym przekształcaniu prostokąta nie można rozrywać ani sklejać. 
 

 

 

 

Rys. 3.1.2 Zbiór 

 nie jest płatem 

powierzchniowym 

 

Rys. 3.1.3 Zbiór 

 jest płatem 

powierzchniowym 

 
Def. 3.1.3 (płat powierzchniowy gładki) 
Płat powierzchniowy 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

, gdzie D jest obszarem domkniętym z brzegiem kawałkami gładkim, a funkcja 

wektorowa 

)

,

(

),

,

(

),

,

(

)

,

(

v

u

z

v

u

y

v

u

x

v

u

r

 jest różnowartościowa i różniczkowalna w sposób ciągły na obszarze D, nazy-

wamy płatem gładkim, gdy na obszarze D spełniony jest warunek 

0

v

r

u

r

gdzie 

background image

u

z

u

y

u

x

u

r

,

,

  oraz  

v

z

v

y

v

x

v

r

,

,

Płat, który można podzielić na skończoną liczbę płatów gładkich, nazywamy płatem kawałkami gładkim. 
 

 

 

 

Rys. 3.1.4 Płat powierzchniowy gładki 

 

Rys. 3.1.5 Płat powierzchniowy kawałkami gładki 

 
Fakt 3.1.4 (równania parametryczne ważniejszych płatów powierzchniowych) 
1.  Płaszczyzna  przechodząca  przez  punkt 

)

,

,

(

0

0

0

0

z

y

x

r

  i  rozpięta  na  wektorach 

)

,

,

(

1

1

1

z

y

x

a

)

,

,

(

2

2

2

z

y

x

b

  ma 

przedstawienie parametryczne: 

R

v

R

u

vz

uz

z

z

uy

uy

y

y

vx

ux

x

x

,

:

2

1

0

2

1

0

2

1

0

W formie wektorowej parametryzacja płaszczyzny ma postać: 

R

v

R

u

b

v

a

u

r

r

,

:

0

 

 

 

 

 

2.  Sfera o środku w początku układu współrzędnych i promieniu r > 0 ma przedstawienie parametryczne: 







2

,

2

],

2

,

0

[

sin

cos

sin

cos

cos

:

v

u

v

r

z

v

u

r

y

v

u

r

x

3.  Powierzchnia stożka określona równaniem 

2

2

y

x

k

z

, gdzie 

2

2

2

r

y

x

, ma przedstawienie parametryczne: 

  

r

v

u

kv

z

u

v

y

u

v

x

,

0

,

2

,

0

sin

cos

:

 

background image

 

 

 

 

4.  Powierzchnia paraboloidy obrotowej określona równaniem 

2

2

y

x

k

z

, gdzie 

2

2

2

r

y

x

,  ma przedstawienie 

parametryczne: 

  

r

v

u

kv

z

u

v

y

u

v

x

,

0

,

2

,

0

sin

cos

:

2

5.  Powierzchnia walcowa opisana równaniem 

2

2

2

r

y

x

, gdzie 

H

z

0

, ma przedstawienie parametryczne: 

 

H

v

u

v

z

u

r

y

u

r

x

,

0

,

2

,

0

sin

cos

:

 

Uwaga.  Równania  fragmentów  tych  płatów  powierzchniowych  otrzymamy  zmniejszając  odpowiednio  zakresy  parametrów       
uv
 
Fakt 3.1.5 (o postaci płatów powierzchniowych) 
Płatami powierzchniowymi są wykresy funkcji ciągłych postaci: 
1. 

1

)

,

(

);

,

(

D

y

x

y

x

z

z

, gdzie D

1

 jest obszarem na płaszczyźnie xOy

2. 

2

)

,

(

);

,

(

D

z

y

z

y

x

x

, gdzie D

2

 jest obszarem na płaszczyźnie yOz

3. 

3

)

,

(

);

,

(

D

z

x

z

x

y

y

, gdzie D

3

 jest obszarem na płaszczyźnie xOz

Jeżeli funkcje te mają ciągłe pochodne cząstkowe pierwszego rzędu na rozważanych obszarach, to te płaty powierzchniowe są 
gładkie. 
Uwaga. Równania ważniejszych płatów powierzchniowych, które są wykresami funkcji postaci z = f(x,y) podane są w części 
„Analiza matematyczna 2” w fakcie 3.2.5. 
 
Tw. 3.1.6 (pole płata powierzchniowego) 
Niech 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

 będzie gładkim płatem powierzchniowym. Wtedy pole tego płata wyraża się wzorem: 



D

dv

du

v

r

u

r

Uwaga. Jeżeli płat gładki 

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

 D, to jego pole wyraża się wzorem: 







D

dy

dx

y

z

x

z

2

2

1

Analogicznie wyglądają wzory na pola płatów gładkich będących wykresami funkcji x = x(y,z) oraz y = y(x,z). 
 
 

background image

3.2 DEFINICJA I WŁASNOŚCI CAŁKI POWIERZCHNIOWEJ NIEZORIENTOWANEJ 
 
Oznaczenia w definicji całki powierzchniowej niezorientowanej 
Niech 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

  będzie  gładkim  płatem  powierzchniowym,  zakładamy  przy  tym,  że  D  jest  domkniętym  ob-

szarem regularnym na płaszczyźnie. Wprowadzamy następujące oznaczenia: 
P = {

D

1

D

2

, ..., 

D

n

}, – podział obszaru D na obszary regularne 

D

(o rozłącznych wnętrzach), 1 

 k 

 n

d

k

 – średnica obszaru 

D

k

, tj. kres górny odległości punktów zbioru 

D

k

, 1 

 k 

 n

(

P) = max{d

k

: 1 

 k 

 n } – średnica podziału 

P; 

)

,

(

,

)

,

(

),

,

(

2

2

1

1

n

n

v

u

v

u

v

u

, gdzie 

k

k

k

D

v

u

)

,

(

 dla 1 

 k 

 n – zbiór punktów pośrednich podziału 

P. 



k

 – część płata 

 odpowiadająca obszarowi 

D

k

 w podanej wyżej parametryzacji 

r

, 1 

 k 

 n

|



k

| – pole płata 



k

, 1 

 k 

 n

)

,

,

(

k

k

k

z

y

x

 – punkt płata 



k

 odpowiadający punktowi 

k

k

k

D

v

u

)

,

(

 w podanej parametryzacji 

r

, 1 

 k 

 n

 

Rys. 3.2.1 Ilustracja do definicji całki powierzchniowej niezorientowanej 

Def. 3.2.1 (całka powierzchniowa niezorientowana) 
Niech 

 będzie płatem powierzchniowym gładkim oraz niech funkcja 

R

f

:

 będzie ograniczona. Całkę powierzchniową 

niezorientowaną z funkcji f po płacie 

 definiujemy wzorem: 





n

k

k

k

k

k

def

z

y

x

f

dS

z

y

x

f

1

0

)

(

,

,

lim

)

,

,

(

P

o ile granica po prawej stronie znaku równości istnieje oraz nie zależy od sposobu podziału  P obszaru D, ani od sposobu wy-
boru punktów pośrednich 

Uwaga. Wartość całki powierzchniowej niezorientowanej nie zależy od sposobu parametryzacji płata. Całkę powierzchniową 
niezorientowaną z funkcji f po płacie 

 oznaczamy krótko symbolem 



dS

f

 
Def. 3.2.2 (całka powierzchniowa po płacie kawałkami gładkim) 
Niech 

 będzie płatem kawałkami gładkim złożonym z płatów gładkich 

1

2

, …, 

m

 oraz niech f będzie funkcją określoną i 

ograniczoną na płacie 

. Całkę powierzchniową niezorientowaną z funkcji f po płacie 

 definiujemy wzorem:; 









m

dS

f

dS

f

dS

f

dS

f

def

...

2

1

o ile całki po prawej stronie znaku równości istnieją. 
 
Tw. 3.2.3 (liniowość całki powierzchniowej niezorientowanej) 
Jeżeli funkcje f i g są całkowalne na kawałkami gładkim płacie powierzchniowym 

 oraz jeżeli c jest dowolną stałą, to: 

a)  funkcja f + g jest całkowalna na płacie 

 oraz 







dS

g

dS

f

dS

g

f

)

(

b)  funkcja cf jest całkowalna na płacie 

 oraz  





dS

f

c

dS

cf )

(

 
Def. 3.2.4 (całka powierzchniowa niezorientowana z funkcji wektorowej) 
Niech 

  będzie  kawałkami  gładkim  płatem  powierzchniowym  oraz  niech  funkcje  P,  Q,  R  będą  całkowalne  na 

. Całkę  po-

wierzchniową niezorientowaną po płacie 

 z funkcji wektorowej 

)

,

,

(

R

Q

P

F

 określamy wzorem: 













dS

R

dS

Q

dS

P

dS

F

def

,

,

 

background image

 
3.3 ZAMIANA CAŁKI POWIERZCHNIOWEJ NIEZORIENTOWANEJ NA CAŁKĘ PODWÓJNĄ 
 
Tw. 3.3.1 (o zamianie całki powierzchniowej na całkę podwójną) 
Jeżeli 

1. obszar D 

 R

2

 jest regularny, 

2. płat 

D

v

u

v

u

r

)

,

(

:

)

,

(

 jest gładki, 

3. funkcja 

R

f

:

 jest ciągła, 

to 

dv

du

v

r

u

r

v

u

r

f

dS

z

y

x

f

D





)

,

(

)

,

,

(

Uwaga. Jeżeli płat gładki 

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

 D oraz funkcja f jest ciągła na 

, to wzór na zamianę 

całek przyjmuje postać: 

dy

dx

y

x

y

z

y

x

x

z

y

x

z

y

x

f

dS

z

y

x

f

D

2

2

)

,

(

)

,

(

1

)

,

(

,

,

)

,

,

(









Analogiczne wzory otrzymujemy w przypadku płatów powierzchniowych opisanych równaniami x = x(y,z) lub y = y(x,z). 
 
 
3.4 ZASTOSOWANIA CAŁEK POWIERZCHNIOWYCH NIEZORIENTOWANYCH 
 
Fakt 3.4.1 (zastosowania w geometrii) 
Pole kawałkami gładkiego płata 

 wyraża się wzorem: 



dS

 

 
Fakt 3.4.2 (zastosowania w fizyce) 
1.  Masa płata materialnego 

 o gęstości powierzchniowej masy 

 wyraża się wzorem: 



dS

z

y

x

M

)

,

,

(

 

 

 

 

2.  Momenty statyczne względem płaszczyzn układu współrzędnych płata materialnego 

 o gęstości powierzchniowej masy 

 

wyrażają się wzorami: 



dS

z

y

x

x

MS

yz

)

,

,

(



dS

z

y

x

y

MS

xz

)

,

,

(



dS

z

y

x

z

MS

xy

)

,

,

(

3.  Współrzędne środka masy płata 

 o gęstości powierzchniowej masy 

 wyrażają się wzorami: 

background image

M

MS

x

yz

C

,    

M

MS

y

xz

C

,   

 

M

MS

z

xy

C

 

 

 

 

 

4.  Momenty  bezwładności  względem  osi  oraz  względem  początku  układu  współrzędnych  płata  materialnego 

  o  gęstości 

powierzchniowej masy 

 wyrażają się wzorami: 



dS

z

y

x

z

y

I

x

)

,

,

(

2

2



dS

z

y

x

z

x

I

y

)

,

,

(

2

2



dS

z

y

x

y

x

I

z

)

,

,

(

2

2



dS

z

y

x

z

y

x

I

)

,

,

(

2

2

2

0

5.  Natężenie  pola  elektrycznego  w  punkcie 

0

r

  pochodzące  od  ładunku  elektrycznego  rozłożonego  na  płacie 

  o  gęstości 

powierzchniowej ładunku 

 wyraża się wzorem: 



dS

r

r

r

r

r

E

3

0

0

0

)

(

)

(

4

1



gdzie 

0

 oznacza stałą dielektryczną próżni. 

 

 

 

 

 

6.  Siła  przyciągania  grawitacyjnego  masy  m  skupionej  w  punkcie 

0

r

  przez  płat  materialny 

  o  gęstości  powierzchniowej 

masy 

 wyraża się wzorem: 

dS

r

r

r

r

r

Gm

F



3

0

0

)

(

)

(

gdzie G oznacza stałą grawitacji. 

 
Fakt 3.4.3 (środki masy płatów symetrycznych) 
1.  Jeżeli płat powierzchniowy ma środek symetrii i gęstość powierzchniowa masy jest funkcją symetryczną względem tego 

środka (np. jest stała), to środek masy płata pokrywa się z jego środkiem symetrii. 

2.  Jeżeli  płat  powierzchniowy  ma  oś  lub  płaszczyznę  symetrii  i  gęstość  powierzchniowa  masy  jest  funkcją  symetryczną 

względem tej osi lub płaszczyzny (np. jest stała), to środek masy tego płata leży na jego osi lub płaszczyźnie symetrii.