Pereiti prie turinio

Aptarimas:Matematika/Gauso formulė

Page contents not supported in other languages.
Pridėti temą
Iš Wikibooks.

Gauso formule atrodo kaip pilstymas is tuscio i kiaura.

Pavyzdžiai

[keisti]
Vaizdas:Pavirsinisintris427.jpg
427.
  • Apskaičiuoti tūrį V kūno (piramidės), kurį riboja plokštuma z=6−2x−3y ir sienos x=0, y=0, z=0. (pav. 427). Trikampio ABC Viršunės yra A(3; 0; 0), B(0; 2; 0) ir C(0; 0; 6). Piramidės AOBC viršunės yra A(3; 0; 0), O(0; 0; 0), B(0; 2; 0) ir C(0; 0; 6). Iš karto matosi, kad piramidės tūris yra V=13⋅SΔABC⋅h=13⋅12(OA⋅OB)⋅OC=16⋅(3⋅2)⋅6=6.
Randame:
x=6−3y−z2=3−3y+z2,
y=6−2x−z3=2−2x+z3.
Dar Randame:
∬Sxdydz=∫02dy∫06xdz=∫02dy∫06(3−3y+z2)dz=∫02dy∫06(3−3y2−z2)dz=
=∫02dy(3z−3yz2−z24)|06=∫02(3⋅6−3y⋅62−624)dy=∫02(18−18y2−364)dy=∫02(18−9y−9)dy=
=∫02(9−9y)dy=(9y−9y22)|02=9⋅2−9⋅222=18−18=0.
∬Sydzdx=∫03dx∫06ydz=∫03dx∫06(2−2x+z3)dz=∫03dx∫06(2−2x3−z3)dz=
=∫03dx(2z−2xz3−z26)|06=∫03(2⋅6−2x⋅63−626)dx=∫03(12−4x−6)dx=∫03(6−4x)dx=(6x−2x2)|03=6⋅3−2⋅32=18−18=0.


V=13∬Sxdydz+ydzdx+zdxdy=0+0+0=0.


Trikampio plotą galima surasti ir klasikiniu budu. Ieškomas plotas yra trikampis ABC, kurio taškai yra A(3; 0; 0), B(0; 2; 0) ir C(0; 0; 6). Pavadiname atkarpas AB=a, BC=b, CA=c; OA=d=3, OB=e=2, OC=f=6. Koordinačių pradžios taškas yra O(0; 0; 0). Randame trikampio ABC kraštinių ilgius:
a=d2+e2=32+22=9+4=13=3,605551275;
b=e2+f2=22+62=4+36=40=210=6,32455532;
c=d2+f2=32+62=9+36=45=35=6,708203933.
Toliau randame trikampio ABC pusperimetrį p=a+b+c2=13+40+452=8,319155264 ir plotą:
S=p(p−a)(p−b)(p−c)=8,319155264(8,319155264−13)(8,319155264−40)(8,319155264−45)=
=8.319155264⋅4.713603989⋅1.994599944⋅1.610951332=126=11.22497216.
Vadinasi šiame pavyzdyje ieškomas buvo ne trikampio plotas.

Integravime pagal paviršiaus plotą taikomos išvestinės todėl patikrinimas neteisingas

[keisti]
  • Pavyzdis. Apskaičiuoti integralą ∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy pagal išorinę pusę sferos x2+y2+z2=R2.
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy=∭V(3x2+3y2+3z2)dxdydz=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ∫0Rρ4dρ=
=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθρ55|0R=3⋅R55∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ=3R55∫02πdϕsin⁡θ|−π2π2=3R55∫02π(sin⁡π2−sin⁡−π2)dϕ=
=3R55∫02π(1−(−1))dϕ=6R55ϕ|02π=6R55⋅2π=12πR55.
Patikrinsime apskaičiuodami ∬Sx3𝐝y𝐝z,∬Sy3𝐝z𝐝x ir ∬Sx3𝐝x𝐝y sumą.
x2=R2−y2−z2,
x=R2−y2−z2.
Vx=∬Sx3𝐝y𝐝z=∬S(R2−y2−z2)3𝐝y𝐝z=∬S(R2−ρ2)3𝐝ρ𝐝ϕ=
=∫02π(∫0R(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ.
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi, gauname, kad
∫0R(R2−ρ2)3𝐝ρ=18(ρ(5R2−2ρ2)R2−ρ2+3R4arctan⁡ρR2−ρ2)|0R.
Toliau pritaikydami ribas, kai ρ artėja į R, gauname:
∫0R(R2−ρ2)3𝐝ρ=18(R(5R2−2R2)R2−R2+3R4arctan⁡RR2−ρ2)|0R=
=18(3R3⋅0+3R4arctan⁡Rlimρ→R(R2−ρ2))|0R=18(0+3R4arctan⁡R0.00000000001)=
=18(3R4arctan⁡(∞)).
Kadangi, lima→∞=arctan⁡(a)=π, tai arctan⁡(∞)=π. Todėl,
∫0R(R2−ρ2)3𝐝ρ=38R4π.
Vadinasi,
Vx=∬Sx3𝐝y𝐝z=∫02π(∫0R(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ=∫02π38R4π𝐝ϕ=38R4πϕ02π=38R4πϕ|02π=38R4π⋅2π=34R4π2.
V=3Vx=94R4π2.


Integravime pagal paviršiaus plotą taikomos išvestinės todėl patikrinimas neteisingas 2

[keisti]
  • Pavyzdis. Apskaičiuoti integralą ∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy pagal išorinę pusę sferos x2+y2+z2=R2.
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy=∭V(3x2+3y2+3z2)dxdydz=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ∫0Rρ4dρ=
=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθρ55|0R=3⋅R55∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ=3R55∫02πdϕsin⁡θ|−π2π2=3R55∫02π(sin⁡π2−sin⁡−π2)dϕ=
=3R55∫02π(1−(−1))dϕ=6R55ϕ|02π=6R55⋅2π=12πR55.
Patikrinsime apskaičiuodami ∬Sx3𝐝y𝐝z,∬Sy3𝐝z𝐝x ir ∬Sx3𝐝x𝐝y sumą.
x2=R2−y2−z2,
x=R2−y2−z2.
Vx=∬Sx3𝐝y𝐝z=∬S(R2−y2−z2)3𝐝y𝐝z=∬S(R2−ρ2)3ρ𝐝ρ𝐝ϕ=
=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ.
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi, gauname, kad
∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ=−15((R−ρ)(R+ρ))5/2|0R=
=−15((R−R)(R+R))5/2−(−15((R−0)(R+0))5/2)=
=0+15((R−0)(R+0))5/2=15(R2)5/2=R55;
Vx=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ=∫02πR55𝐝ϕ=2πR55.
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
VX=2Vx=2⋅2πR55=4πR55.
Kadangi, pagal sąlyga bus VX=VY=VZ, tai
V=3VX=3⋅4πR55=12πR55.

Pasirodo įmanoma

[keisti]
  • Pavyzdis. Apskaičiuoti integralą ∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy pagal išorinę pusę sferos x2+y2+z2=R2.
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬Sx3dydz+y3dzdx+z3dxdy=∭V(3x2+3y2+3z2)dxdydz=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ∫0Rρ4dρ=
=3∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθρ55|0R=3⋅R55∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ=3R55∫02πdϕsin⁡θ|−π2π2=3R55∫02π(sin⁡π2−sin⁡−π2)dϕ=
=3R55∫02π(1−(−1))dϕ=6R55ϕ|02π=6R55⋅2π=12πR55.
Patikrinsime apskaičiuodami ∬Sx3𝐝y𝐝z,∬Sy3𝐝z𝐝x ir ∬Sx3𝐝x𝐝y sumą.
x2=R2−y2−z2,
x=R2−y2−z2;
∂x∂y=∂(R2−y2−z2)∂y=−2y2R2−y2−z2=−yR2−y2−z2;
∂x∂z=∂(R2−y2−z2)∂z=−2z2R2−y2−z2=−zR2−y2−z2.
Vx=∬Sx31+(∂x∂y)2+(∂x∂z)2𝐝y𝐝z=
=∬Sx31+(−yR2−y2−z2)2+(−zR2−y2−z2)2𝐝y𝐝z=
=∬Sx31+y2R2−y2−z2+z2R2−y2−z2𝐝y𝐝z=
=∬Sx3R2−y2−z2+y2+z2R2−y2−z2𝐝y𝐝z=
=∬Sx3R2R2−y2−z2𝐝y𝐝z=∬SR2−y2−z2R2R2−y2−z2𝐝y𝐝z=∬SR𝐝y𝐝z=
=∬SRρ𝐝ρ𝐝ϕ=∫02π(∫0RRρ𝐝ρ)𝐝ϕ=
=∫02π(R⋅R22)𝐝ϕ=R32∫02π𝐝ϕ=R32⋅2π=R3π.
V=3Vx=3R3π.
Gautas tūris nesutampa su Gauso formulės logika.
Pastaba. Rutulio paviršiaus ploto neįmanoma apskaičiuoti nei cilindinėse, nei sferinėse koordinatėse. Bandydami, gauname:
R2=x2+y2+z2,
z=R2−x2−y2;
zx′=−2x2R2−x2−y2=−xR2−x2−y2;
zy′=−2y2R2−x2−y2=−yR2−x2−y2;
1+(zx′)2+(zy′)2=1+(−xR2−x2−y2)2+(−yR2−x2−y2)2=
=1+x2R2−x2−y2+y2R2−x2−y2=R2−x2−y2+x2+y2R2−x2−y2=R2R2−x2−y2;
x2+y2=ρ2 cilindinėse ir polinėse koordinatėse;
Iš internetinio integratoriaus ∫0RρR2R2−ρ2dρ=(ρ2−R2)R2R2−ρ2|0R=−RR2−ρ2|0R;
Spav.=∬s1+(zx′)2+(zy′)2dxdy=∬sR2R2−x2−y2dxdy=∫02πdϕ∫0RρR2R2−ρ2dρ=
=∫02π−RR2−ρ2|0Rdϕ=−R∫02π(R2−R2−R2−02)dϕ=−R∫02π(0−R2)dϕ=R2∫02πdϕ=2πR2.
Taigi, visas rutulio paviršiaus plotas susideda iš dviejų pusrutulių, todėl
Svisas=2⋅Spav.=2⋅2πR2=4πR2.
Kitaip patikrinsime apskaičiuodami ∬Sx3𝐝y𝐝z,∬Sy3𝐝z𝐝x ir ∬Sx3𝐝x𝐝y sumą.
x2=R2−y2−z2,
x=R2−y2−z2.
Vx=∬Sx3𝐝y𝐝z=∬S(R2−y2−z2)3𝐝y𝐝z=∬S(R2−ρ2)3ρ𝐝ρ𝐝ϕ=
=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ.
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi, gauname, kad
∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ=−15((R−ρ)(R+ρ))5/2|0R=
=−15((R−R)(R+R))5/2−(−15((R−0)(R+0))5/2)=
=0+15((R−0)(R+0))5/2=15(R2)5/2=R55;
Vx=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)3𝐝ρ)𝐝ϕ=∫02πR55𝐝ϕ=2πR55.
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
VX=2Vx=2⋅2πR55=4πR55.
Kadangi, pagal sąlyga bus VX=VY=VZ, tai
V=3VX=3⋅4πR55=12πR55.

Gal blogas pavyzdis

[keisti]
  • Pavyzdis. Apskaičiuoti integralą ∬Sx2dydz+0dzdx+0dxdy pagal išorinę pusę sferos x2+y2+z2=R2.
Taikydami formulę Gauso, gauname:
∬Sx2dydz=∭V(2x+0+0)dxdydz=2∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ∫0Rρ3dρ=
=2∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθρ44|0R=2⋅R44∫02πdϕ∫−π2π2cos⁡θdθ=R42∫02πdϕsin⁡θ|−π2π2=R42∫02π(sin⁡π2−sin⁡−π2)dϕ=
=R42∫02π(1−(−1))dϕ=R4ϕ|02π=R4⋅2π=2πR4.
Dar viską reikia padalinti iš 3, kad gauti teisingai:
∬Sx2dydz+0dzdx+0dxdy=23πR4.
Kitaip patikrinsime apskaičiuodami ∬Sx2𝐝y𝐝z.
x2=R2−y2−z2,
x=R2−y2−z2.
Vx=∬Sx2𝐝y𝐝z=∬S(R2−y2−z2)2𝐝y𝐝z=∬S(R2−ρ2)2ρ𝐝ρ𝐝ϕ=
=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)𝐝ρ)𝐝ϕ.
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi, gauname, kad
∫0Rρ(R2−ρ2)𝐝ρ=∫0R(ρR2−ρ3)𝐝ρ=(ρ2R22−ρ44)|0R=
=R2⋅R22−R44=R44.
Vx=∫02π(∫0Rρ(R2−ρ2)2𝐝ρ)𝐝ϕ=∫02πR44𝐝ϕ=2πR44=πR42.
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
VX=2Vx=2⋅πR42=πR4.
Atsakymai 23πR4 ir πR4 nesutampa, todėl tokie skaičiavimai neturi prasmės (Gauso formulė gali būti arba neteisinga arba turi labai mažai pritaikymo pavyzdžių).