1 Súčiny vektorov a ich aplikácie V tejto kapitole zadefinujeme niekoľko operácii s vektormi a ukážeme ich použitie. 1.1 Násobok vektora skalárom Nech ~v =(v 1 ,v 2 ,v 3 ) je daný vektor a c ∈ R, potom c.~v =(cv 1 , cv 2 , cv 3 ) Pri násobení vektora skalárom sa mení veľkosť vektora, zatiaľ čo smer a orientácia (c> 0) zostávajú. Vektory c.~v, c.~v sú teda rovnobežné. 1.2 Skalárny súčin Nech ~v =(v 1 ,v 2 ,v 3 ) a ~u =(u 1 ,u 2 ,u 3 ) sú dané vektory. Skalárny súčin vektorov ~v, ~u označujeme ~v ◦ ~u a definujeme nasledovne ~v ◦ ~u = u 1 v 1 + u 2 v 2 + u 3 v 3 . Pomocou skalárneho súčinu vieme vyjadriť uhol dvoch vektorov. ✲ ✻ ✠ O ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✘ ✿ Q ~ u ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✁ ✕ P ~v α Uvažujme vektory ~v =(v 1 ,v 2 ,v 3 ), ~u =(u 1 ,u 2 ,u 3 ) body P =[v 1 ,v 2 ,v 3 ] a Q =[u 1 ,u 2 ,u 3 ] počítajme štvorec veľkosti vektora ~ PQ | ~ PQ| 2 =(u 1 - v 1 ) 2 +(u 1 - v 1 ) 2 +(u 1 - v 1 ) 2 = u 2 1 + u 2 2 + u 2 3 + v 2 1 + v 2 2 + v 2 3 - 2(u 1 v 1 + u 2 v 2 + u 3 v 3 ) = |~u| 2 + | ~v| 2 - 2 ~u ◦ ~v Na trojuholník PQO aplikujeme kosínusovú vetu | ~ PQ| 2 = |~u| 2 + | ~v| 2 - 2 |~u|.| ~v| cos α, kde α je uhol vektorov ~u, ~v. Spojením oboch rovností dostávame ~u ◦ ~v = |~u|.| ~v| cos α. (♥) Poznámka 1 Niektorí autori práve týmto vzťahom definujú skalárny súčin. Vlastnosti skalárneho súčinu: Nech ~u, ~v sú vektory a α je uhol týchto vektorov. 1
14
Embed
1 Súčiny vektorov a ich aplikácie - web.tuke.skweb.tuke.sk/fei-km/sites/default/files/prilohy/1/... · 2013. 11. 15. · 1 Súčiny vektorov a ich aplikácie V tejto kapitole zadefinujeme
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1 Súčiny vektorov a ich aplikácie
V tejto kapitole zadefinujeme niekoľko operácii s vektormi a ukážeme ichpoužitie.
1.1 Násobok vektora skalárom
Nech ~v = (v1, v2, v3) je daný vektor a c ∈ R, potom
c.~v = (cv1, cv2, cv3)
Pri násobení vektora skalárom sa mení veľkosť vektora, zatiaľ čo smer aorientácia (c > 0) zostávajú. Vektory c.~v, c.~v sú teda rovnobežné.
1.2 Skalárny súčin
Nech ~v = (v1, v2, v3) a ~u = (u1, u2, u3) sú dané vektory. Skalárny súčinvektorov ~v, ~u označujeme ~v ~u a definujeme nasledovne
~v ~u = u1v1 + u2v2 + u3v3.
Pomocou skalárneho súčinu vieme vyjadriť uhol dvoch vektorov.
-
6
O :
Q
~u
P
~v
α
Uvažujme vektory ~v = (v1, v2, v3), ~u = (u1, u2, u3) body P = [v1, v2, v3] aQ = [u1, u2, u3] počítajme štvorec veľkosti vektora ~PQ
| ~PQ|2 = (u1 − v1)2 + (u1 − v1)2 + (u1 − v1)2
= u21 + u2
2 + u23 + v2
1 + v22 + v2
3 − 2(u1v1 + u2v2 + u3v3)
= |~u|2 + |~v|2 − 2 ~u ~v
Na trojuholník PQO aplikujeme kosínusovú vetu
| ~PQ|2 = |~u|2 + |~v|2 − 2 |~u|.|~v| cosα,
kde α je uhol vektorov ~u, ~v. Spojením oboch rovností dostávame
~u ~v = |~u|.|~v| cosα. (♥)
Poznámka 1 Niektorí autori práve týmto vzťahom definujú skalárny súčin.
Vlastnosti skalárneho súčinu:Nech ~u, ~v sú vektory a α je uhol týchto vektorov.
1
Zo vzťahu (??) máme
α =π
2⇐⇒ ~u ~v = 0
α ∈[0,π
2
)⇐⇒ ~u ~v > 0
α ∈(π
2, π]⇐⇒ ~u ~v < 0
priamo z definície plynie
~u ~v = ~u ~v(c~u) ~v = c(~u ~v)
~u ~u = |~u|2
1.3 Vektorový súčin
Nech ~v = (v1, v2, v3) a ~u = (u1, u2, u3) sú dané vektory. Vektorový súčin vek-torov ~v, ~u je vektor ~w, (zapisujeme ~w = ~v× ~u), ktorý definujeme nasledovne
je parametrické vyjadrenie jednoduchej, hladkej krivky. Zvoľme na krivkedva body P = [p1, p2, p3] = ~r(t0) a Q = ~r(τ), pričom teda t0, τ ∈ (α, β).
-
6
r rPQ
~r(t)
r r rt0 τα βr
MM
Našim cieľom je napísať rovnicu dotyčnice ku krivke C v bode P . Najprvnapíšeme rovnicu sečnice, t.j. priamky prechádzajúcej bodmi P a Q. Jejparametrické vyjadrenie je
X = P + t−−→PQ, t ∈ R.
Respektíve namiesto vektora−−→PQ môžeme v parametrickom vyjadrení použiť
jeho vhodný násobok, napr. 1τ−t0−−→PQ a teda
X = P + t1
τ − t0−−→PQ = P + t
~r(τ)− ~r(t0)
τ − t0.
Uvedené vyjadrenie rozpísané po zložkách je
x = p1 + tϕ(τ)− ϕ(t0)
τ − t0
y = p2 + tψ(τ)− ψ(t0)
τ − t0
z = p3 + tχ(τ)− χ(t0)
τ − t0
Pre Q → P , teda τ → t0 sa sečnica dotyčnicou, preto limitným prechodomdostávame rovnicu dotyčnice
x = p1 + t ϕ′(t0)
y = p2 + t ψ′(t0)
z = p3 + t χ′(t0)
respektíveX = P + t~r′(t0).
Teda ~r′(t0) je smerový vektor dotyčnice ku krivke C určenej parametrickým~r(t) vyjadrením v bode P = ~r(t0).
4
3 Dotyková rovina ku ploche určenej parametric-kými rovnicami
je parametrické vyjadrenie hladkej plochy. Na ploche zvolíme bod P ∈ σ, t.j.P [x0, y0, z0] = ~r(t1, s1), (t1, s1) ∈ Ω. Úlohou je zostrojiť dotykovú rovinu anormálový vektor k ploche σ v bode P .
-
6 t = t1
t1
s1 s = s1
Úsečke (t, s1) ⊂ Ω odpovedá priestorová krivka C1 ležiaca na Ω s paramet-rickým vyjadrením ~r(t, s1). Preto smerový vektor dotyčnice ku krivke C1 vbode P [x0, y0, z0] je [
∂~r(t, s1)
∂t
]t=t1
=∂~r(t1, s1)
∂t
-7
CCCCCCO ~n
P
qC1
C2
Analogicky úsečke (t1, s) ⊂ Ω odpovedá priestorová krivka C2 ležiaca naΩ s parametrickým vyjadrením ~r(t1, s). Preto smerový vektor dotyčnice ku
krivke C1 v bode P [x0, y0, z0] je∂~r(t1, s1)
∂sRovina prechádzajúca bodom P
a určená vektormi∂~r(t1, s1)
∂t,
∂~r(t1, s1)
∂s
sa nazýva dotyková rovina ku ploche σ v bode P . Vektor kolmý na dotykovúrovinu sa nazýva normálový vektor a je je určený
~n =∂~r(t1, s1)
∂t× ∂~r(t1, s1)
∂s
Poznámka 2 Normálový vektor ku ploche σ jednotkovej veľkosti vyjadrímeako
~n =~r′t × ~r′s|~r′t × ~r′s|
.
5
4 Plochy a ich parametrické vyjadrenie
Pred zavedením a študiom plošného integrálu II. druhu sa budeme zaoberaťpojmom plocha.
Plocha vznikne deformáciou nejakej časti roviny, predstavujeme si ju akonejaký krivý list (napr. papiera), alebo povrch telesa (prípadne časti telesa).
Budeme uvažovať plochy, ktoré vieme vyjadriť nasledovným parametric-kým vyjadrením
nazývame hladkou, ak sú funkcie x(t, s), y(t, s), z(t, s) a všetky ich parciálnederivácie spojité.
5 Plošný integrál II. druhu
V tejto kapitole zadefinujeme plošný integrál cez jeho praktickú aplikáciu.Budeme vyšetrovať tok tekutiny cez plochu σ ak rýchlosť toku za jednotkučasu je daná funkciou ~f(x, y, z) = (f1(x, y, z), f2(x, y, z), f3(x, y, z)).
Uvažujme na začiatok najjednoduchšiu situáciu plocha σ je obdlžník vrovine ρxy a rýchlosť toku tekutiny je popísaná konštantnou vektorovou fun-kciou ~f(x, y, z) = (0, 0, f3).
6
-
6
6~n
~f6
Našou úlohou je zistiť množstvo tekutiny, ktoré pretečie plochou σ zajednotku času v smere jednotkového normálového vektora ~n , ktorý je v tomtoprípade ~n = (0, 0, 1)
Tekutina, ktorá pretečie plochou za jednotku času vytvorí kváder s pod-stavou σ a výškou |~f | a teda s objemom
V = P (σ)|~f |,
kde P (σ) je obsah obdlžníka σ.
-
6
6~n
6 ~f
Uvažujme teraz zložitejšiu situáciu, keď plocha σ je opäť obdlžník, rých-losť toku tekutiny je popísaná konštantnou vektorovou funkciou ~f(x, y, z) =(f1, f2, f3) pričom teraz jednotkový normálový vektor ~n ∦ ~f a vektory ~n, ~fzvierajú uhol α. Tekutina za jednotku času vytvorí šikmý kváder s výškou va objemom
V = P (σ)v = P (σ)|~f | cosα,
6
~n
v
@@
@@@I~f
@@
@@@
@@@
@@
@@
@@@
α
Z vlastnosti skalárného súčinu
cosα =~n ~f|~f |
a preto pre hľadaný objem platí
V = P (σ)v = P (σ).~n ~f.
7
Uvažujme ďalej najvšeobecnejší prípad majme zakrivenú ednoduchu, počastiach hladkú, orientovanú plochu σ určenú parametrickým vyjadrením
ktorej orientáciu určuje jednotkový normálový vektor
~n =~r′t × ~r′s|~r′t × ~r′s|
Rýchlosť toku tekutiny je v každom bode plochy σ určený vektorovou fun-kciou ~f(x, y, z) = (f1, f2, f3) = (f1(x, y, z), f2(x, y, z), f3(x, y, z)), ktorá jeohraničená na σ. Otázka je: Aké množstvo tekutiny pretečie za jednotkučasu cez tú stranu plochy σ ktorú určuje jej normálový vektor. Keďže úlohuvieme riešiť pre prípad ak σ je obdlžník a vektorová funkcia ~f je konštantná,prevedieme úlohu na tento jednoduchší problém a zároveň zadefinujeme všty-roch krokoch plošný integrál.
1. Rozdelíme plochu σ na malé plôšky σij (viď obrázok) pomocou po-stupnosti delení Dn∞n=1, pričom táto postupnosť sa nazýva normálnaak
limt→∞‖Dn‖ = 0,
kde ‖Dn‖ = maxd(σij), pričom d(σij) je priemer plôšky σij , ktorýchápeme ako vzdialenosť dvoch "najvzdialenejších"bodov σij
σij
σ
Predpokladáme, že delenie je tak jemné, že zakrivenie plôšiek σij jeminimálne, t.j. plôšky sú "blízkeöbdlžníkom.
2. Z každej plôšky d(σij) vyberieme bod Qij a na celej plôške σij aproxi-mujeme vektorovú funkciu
~f(x, y, z) = ~f(Qij), (x, y, z) ∈ σij
3. Na základe úvad s obdlžníkovou plochou je objem tekutiny, ktorá pre-tečie cez plôšku σij približne rovný
P (σij).~n ~f(Qij).
A celkový objem tekutiny, ktorý pretečie cez celú plochu σ
V ≈∑i,j
P (σij).~n ~f(Qij) = S(Dn)
čo je postupnosť integrálnych súčtov pre delenia Dn a voľbu bodovQij , pričom sumácia vzľadom na i aj j sa robí podľa počtu deliacichbodov delenia Dn
8
4. Plošný integrál je limita postupnosti integrálnych súčtov.
Zhrnieme uvedené informácie do nasledujúcej dedinície.
Definícia 1 Nech σ je jednoduchá, po častiach hladká, orientovaná plocha,nech ~f je spojitá na σ. Ak pre každú normálnu postupnosť delení plochy σ apre ľubovoľnú voľbu bodov Qij existuje
limn→∞
∑i,j
P (σij).~n ~f(Qij),
tak túto limitu nazývame plošným integrálom II. druhu funkcie ~f na plocheσ. Zapisujeme∫∫
σ
~f(x, y, z) d~σ =
∫∫σ
f1 dydz + f2 dxdz + f1 dxdy.
Tento integrál reprezentuje množstvo tekutiny, ktoré pretečie za jednotkučasu plochu σ ak rýchlosť toku je daná funkciou ~f
5.1 Základné vlastnosti plošného integrálu
Základne vlastnosti plošného integrálu sú zrejme z∫∫σ
~f(x, y, z) d~σ =
∫∫σ1
~f(x, y, z) d~σ +
∫∫σ2
~f(x, y, z) d~σ
5.2 Veta o výpočte plošného integrálu
Ukážeme ako vypočítať plošný integrál prevodom na dvojný integrál. Majmeplochu σ určenú parametrickým vyjadrením
K odvodeniu vety o výpočte využijeme definíciu plošného integrálu. DelenieDn plochy σ urobíme pomocou delenia množiny Ω nasledovne. Nech Ω ječasťou intervalu I = [a, b]× [c, d]. Urobíme delenie intervalu [a, b]:
a = t0 < t1 · · · < tn = b
a delenie intervalu [c, d]:
c = s0 < s1 · · · < sm = d
(viď obrázok). Úsečke [t1, s] ⊂ Ω odpovedá krivka ~r(t1, s) na ploche σ Po-dobne úsečke [t2, s] ⊂ Ω odpovedá krivka ~r(t2, s) ⊂ σ Analogicky úsečke[t, s1] ⊂ Ω odpovedá krivka ~r(t, s1) na ploche σ.
-
6 '
&
$
%s0
s1
sm
t0 t1 t2 tn. . .
... Ω
9
Takýmto spôsobom pomocou delenia rovinnej množiny Ω vyrobíme de-lenie priestorovej plochy σ.
σ11 σ12
σ
~r(t, s1)
~r(t1, s)
~r(t2, s)
Jednotlivé plôšky σij vytvárajúce delenie D majú teda hranice tvorenéoblúkmi kriviek ~r(ti, s), ~r(ti+1, s), ~r(t, sj), ~r(t, sj+1). Priesečníky kriviek~r(ti, s) a ~r(t, sj) označíme Qij = ~r(ti, sj).
σij
Qij r ρijrQij
Pre malú plôšku σij zostrojíme dotykovú rovinu (konkrétne rovnobežník)v bode Qij , krorý má predpis
Plocha je orientovaná tak, že normálový vektor v každom bode plochy zvierás vektorom ~k ostrý uhol.
11
00.2
0.40.6
0.81
00.2
0.40.6
0.81
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Obr. 1: Graf plochy σ
Riešenie: Použitím vety o výpočte dostávame
∫∫σ
x dydz + y dxdz + z dxdy = ±∫∫Ω
∣∣∣∣∣∣∣t s (ts+ 1)
1 0 t
0 1 s
∣∣∣∣∣∣∣ dtds = (♠)
Použili sme normálový vektor
~n = ~r′t × ~r′s =
∣∣∣∣∣∣∣~ı ~ ~k
1 0 t
0 1 s
∣∣∣∣∣∣∣ = (−t,−s, 1).
Keďže ~n ~k = 1 > 0, zvierá náš normálový vektor s vektorom ~k ostrý uhol ateda použijeme znamienko +. Preto
(♠) =
∫ 1
0
∫ 1
0(ts+ 1) dtds =
3
4
5.3 Gauss - Ostrogradského veta
Veta 2 Nech σ je uzavretá, jednoduchá, hladká plocha, orientovanej nor-málovým vektorom smerom von. Nech A ⊂ R3 je množina skladajúca sazo všetkých bodov plochy σ aj jej vnútra. Nech ~f(x, y, z) aj div ~f(x, y, z) súspojité na A. Potom platí