Gauso formule atrodo kaip pilstymas is tuscio i kiaura.
Vaizdas:Pavirsinisintris427.jpg 427.
Apskaičiuoti tūrį V kūno (piramidės), kurį riboja plokštuma z = 6 − 2 x − 3 y 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 = 1 3 ⋅ S Δ A B C ⋅ h = 1 3 ⋅ 1 2 ( O A ⋅ O B ) ⋅ O C = 1 6 ⋅ ( 3 ⋅ 2 ) ⋅ 6 = 6.
Randame:
x = 6 − 3 y − z 2 = 3 − 3 y + z 2 ,
y = 6 − 2 x − z 3 = 2 − 2 x + z 3 .
Dar Randame:
∬ S x d y d z = ∫ 0 2 d y ∫ 0 6 x d z = ∫ 0 2 d y ∫ 0 6 ( 3 − 3 y + z 2 ) d z = ∫ 0 2 d y ∫ 0 6 ( 3 − 3 y 2 − z 2 ) d z =
= ∫ 0 2 d y ( 3 z − 3 y z 2 − z 2 4 ) | 0 6 = ∫ 0 2 ( 3 ⋅ 6 − 3 y ⋅ 6 2 − 6 2 4 ) d y = ∫ 0 2 ( 18 − 18 y 2 − 36 4 ) d y = ∫ 0 2 ( 18 − 9 y − 9 ) d y =
= ∫ 0 2 ( 9 − 9 y ) d y = ( 9 y − 9 y 2 2 ) | 0 2 = 9 ⋅ 2 − 9 ⋅ 2 2 2 = 18 − 18 = 0.
∬ S y d z d x = ∫ 0 3 d x ∫ 0 6 y d z = ∫ 0 3 d x ∫ 0 6 ( 2 − 2 x + z 3 ) d z = ∫ 0 3 d x ∫ 0 6 ( 2 − 2 x 3 − z 3 ) d z =
= ∫ 0 3 d x ( 2 z − 2 x z 3 − z 2 6 ) | 0 6 = ∫ 0 3 ( 2 ⋅ 6 − 2 x ⋅ 6 3 − 6 2 6 ) d x = ∫ 0 3 ( 12 − 4 x − 6 ) d x = ∫ 0 3 ( 6 − 4 x ) d x = ( 6 x − 2 x 2 ) | 0 3 = 6 ⋅ 3 − 2 ⋅ 3 2 = 18 − 18 = 0.
V = 1 3 ∬ S x d y d z + y d z d x + z d x d y = 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 = d 2 + e 2 = 3 2 + 2 2 = 9 + 4 = 13 = 3 , 605551275 ;
b = e 2 + f 2 = 2 2 + 6 2 = 4 + 36 = 40 = 2 10 = 6 , 32455532 ;
c = d 2 + f 2 = 3 2 + 6 2 = 9 + 36 = 45 = 3 5 = 6 , 708203933.
Toliau randame trikampio ABC pusperimetrį p = a + b + c 2 = 13 + 40 + 45 2 = 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.
Pavyzdis . Apskaičiuoti integralą ∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y pagal išorinę pusę sferos x 2 + y 2 + z 2 = R 2 .
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y = ∭ V ( 3 x 2 + 3 y 2 + 3 z 2 ) d x d y d z = 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ∫ 0 R ρ 4 d ρ =
= 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ρ 5 5 | 0 R = 3 ⋅ R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ sin θ | − π 2 π 2 = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( sin π 2 − sin − π 2 ) d ϕ =
= 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( 1 − ( − 1 ) ) d ϕ = 6 R 5 5 ϕ | 0 2 π = 6 R 5 5 ⋅ 2 π = 12 π R 5 5 .
Patikrinsime apskaičiuodami ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z , ∬ S y 3 𝐝 z 𝐝 x ir ∬ S x 3 𝐝 x 𝐝 y sumą.
x 2 = R 2 − y 2 − z 2 ,
x = R 2 − y 2 − z 2 .
V x = ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − y 2 − z 2 ) 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ 𝐝 ϕ =
= ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ .
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi , gauname, kad
∫ 0 R ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ = 1 8 ( ρ ( 5 R 2 − 2 ρ 2 ) R 2 − ρ 2 + 3 R 4 arctan ρ R 2 − ρ 2 ) | 0 R .
Toliau pritaikydami ribas, kai ρ artėja į R , gauname:
∫ 0 R ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ = 1 8 ( R ( 5 R 2 − 2 R 2 ) R 2 − R 2 + 3 R 4 arctan R R 2 − ρ 2 ) | 0 R =
= 1 8 ( 3 R 3 ⋅ 0 + 3 R 4 arctan R lim ρ → R ( R 2 − ρ 2 ) ) | 0 R = 1 8 ( 0 + 3 R 4 arctan R 0.00000000001 ) =
= 1 8 ( 3 R 4 arctan ( ∞ ) ) .
Kadangi, lim a → ∞ = arctan ( a ) = π , tai arctan ( ∞ ) = π . Todėl,
∫ 0 R ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ = 3 8 R 4 π .
Vadinasi,
V x = ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ = ∫ 0 2 π 3 8 R 4 π 𝐝 ϕ = 3 8 R 4 π ϕ 0 2 π = 3 8 R 4 π ϕ | 0 2 π = 3 8 R 4 π ⋅ 2 π = 3 4 R 4 π 2 .
V = 3 V x = 9 4 R 4 π 2 .
Pavyzdis . Apskaičiuoti integralą ∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y pagal išorinę pusę sferos x 2 + y 2 + z 2 = R 2 .
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y = ∭ V ( 3 x 2 + 3 y 2 + 3 z 2 ) d x d y d z = 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ∫ 0 R ρ 4 d ρ =
= 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ρ 5 5 | 0 R = 3 ⋅ R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ sin θ | − π 2 π 2 = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( sin π 2 − sin − π 2 ) d ϕ =
= 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( 1 − ( − 1 ) ) d ϕ = 6 R 5 5 ϕ | 0 2 π = 6 R 5 5 ⋅ 2 π = 12 π R 5 5 .
Patikrinsime apskaičiuodami ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z , ∬ S y 3 𝐝 z 𝐝 x ir ∬ S x 3 𝐝 x 𝐝 y sumą.
x 2 = R 2 − y 2 − z 2 ,
x = R 2 − y 2 − z 2 .
V x = ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − y 2 − z 2 ) 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − ρ 2 ) 3 ρ 𝐝 ρ 𝐝 ϕ =
= ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ .
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi , gauname, kad
∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ = − 1 5 ( ( R − ρ ) ( R + ρ ) ) 5 / 2 | 0 R =
= − 1 5 ( ( R − R ) ( R + R ) ) 5 / 2 − ( − 1 5 ( ( R − 0 ) ( R + 0 ) ) 5 / 2 ) =
= 0 + 1 5 ( ( R − 0 ) ( R + 0 ) ) 5 / 2 = 1 5 ( R 2 ) 5 / 2 = R 5 5 ;
V x = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ = ∫ 0 2 π R 5 5 𝐝 ϕ = 2 π R 5 5 .
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
V X = 2 V x = 2 ⋅ 2 π R 5 5 = 4 π R 5 5 .
Kadangi, pagal sąlyga bus V X = V Y = V Z , tai
V = 3 V X = 3 ⋅ 4 π R 5 5 = 12 π R 5 5 .
Pavyzdis . Apskaičiuoti integralą ∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y pagal išorinę pusę sferos x 2 + y 2 + z 2 = R 2 .
Taikydami formulę Gauso - Ostragradksio, gauname:
∬ S x 3 d y d z + y 3 d z d x + z 3 d x d y = ∭ V ( 3 x 2 + 3 y 2 + 3 z 2 ) d x d y d z = 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ∫ 0 R ρ 4 d ρ =
= 3 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ρ 5 5 | 0 R = 3 ⋅ R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π d ϕ sin θ | − π 2 π 2 = 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( sin π 2 − sin − π 2 ) d ϕ =
= 3 R 5 5 ∫ 0 2 π ( 1 − ( − 1 ) ) d ϕ = 6 R 5 5 ϕ | 0 2 π = 6 R 5 5 ⋅ 2 π = 12 π R 5 5 .
Patikrinsime apskaičiuodami ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z , ∬ S y 3 𝐝 z 𝐝 x ir ∬ S x 3 𝐝 x 𝐝 y sumą.
x 2 = R 2 − y 2 − z 2 ,
x = R 2 − y 2 − z 2 ;
∂ x ∂ y = ∂ ( R 2 − y 2 − z 2 ) ∂ y = − 2 y 2 R 2 − y 2 − z 2 = − y R 2 − y 2 − z 2 ;
∂ x ∂ z = ∂ ( R 2 − y 2 − z 2 ) ∂ z = − 2 z 2 R 2 − y 2 − z 2 = − z R 2 − y 2 − z 2 .
V x = ∬ S x 3 1 + ( ∂ x ∂ y ) 2 + ( ∂ x ∂ z ) 2 𝐝 y 𝐝 z =
= ∬ S x 3 1 + ( − y R 2 − y 2 − z 2 ) 2 + ( − z R 2 − y 2 − z 2 ) 2 𝐝 y 𝐝 z =
= ∬ S x 3 1 + y 2 R 2 − y 2 − z 2 + z 2 R 2 − y 2 − z 2 𝐝 y 𝐝 z =
= ∬ S x 3 R 2 − y 2 − z 2 + y 2 + z 2 R 2 − y 2 − z 2 𝐝 y 𝐝 z =
= ∬ S x 3 R 2 R 2 − y 2 − z 2 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S R 2 − y 2 − z 2 R 2 R 2 − y 2 − z 2 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S R 𝐝 y 𝐝 z =
= ∬ S R ρ 𝐝 ρ 𝐝 ϕ = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R R ρ 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ =
= ∫ 0 2 π ( R ⋅ R 2 2 ) 𝐝 ϕ = R 3 2 ∫ 0 2 π 𝐝 ϕ = R 3 2 ⋅ 2 π = R 3 π .
V = 3 V x = 3 R 3 π .
Gautas tūris nesutampa su Gauso formulės logika.
Pastaba. Rutulio paviršiaus ploto neįmanoma apskaičiuoti nei cilindinėse, nei sferinėse koordinatėse. Bandydami, gauname:
R 2 = x 2 + y 2 + z 2 ,
z = R 2 − x 2 − y 2 ;
z x ′ = − 2 x 2 R 2 − x 2 − y 2 = − x R 2 − x 2 − y 2 ;
z y ′ = − 2 y 2 R 2 − x 2 − y 2 = − y R 2 − x 2 − y 2 ;
1 + ( z x ′ ) 2 + ( z y ′ ) 2 = 1 + ( − x R 2 − x 2 − y 2 ) 2 + ( − y R 2 − x 2 − y 2 ) 2 =
= 1 + x 2 R 2 − x 2 − y 2 + y 2 R 2 − x 2 − y 2 = R 2 − x 2 − y 2 + x 2 + y 2 R 2 − x 2 − y 2 = R 2 R 2 − x 2 − y 2 ;
x 2 + y 2 = ρ 2 cilindinėse ir polinėse koordinatėse;
Iš internetinio integratoriaus ∫ 0 R ρ R 2 R 2 − ρ 2 d ρ = ( ρ 2 − R 2 ) R 2 R 2 − ρ 2 | 0 R = − R R 2 − ρ 2 | 0 R ;
S p a v . = ∬ s 1 + ( z x ′ ) 2 + ( z y ′ ) 2 d x d y = ∬ s R 2 R 2 − x 2 − y 2 d x d y = ∫ 0 2 π d ϕ ∫ 0 R ρ R 2 R 2 − ρ 2 d ρ =
= ∫ 0 2 π − R R 2 − ρ 2 | 0 R d ϕ = − R ∫ 0 2 π ( R 2 − R 2 − R 2 − 0 2 ) d ϕ = − R ∫ 0 2 π ( 0 − R 2 ) d ϕ = R 2 ∫ 0 2 π d ϕ = 2 π R 2 .
Taigi, visas rutulio paviršiaus plotas susideda iš dviejų pusrutulių, todėl
S v i s a s = 2 ⋅ S p a v . = 2 ⋅ 2 π R 2 = 4 π R 2 .
Kitaip patikrinsime apskaičiuodami ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z , ∬ S y 3 𝐝 z 𝐝 x ir ∬ S x 3 𝐝 x 𝐝 y sumą.
x 2 = R 2 − y 2 − z 2 ,
x = R 2 − y 2 − z 2 .
V x = ∬ S x 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − y 2 − z 2 ) 3 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − ρ 2 ) 3 ρ 𝐝 ρ 𝐝 ϕ =
= ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ .
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi , gauname, kad
∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ = − 1 5 ( ( R − ρ ) ( R + ρ ) ) 5 / 2 | 0 R =
= − 1 5 ( ( R − R ) ( R + R ) ) 5 / 2 − ( − 1 5 ( ( R − 0 ) ( R + 0 ) ) 5 / 2 ) =
= 0 + 1 5 ( ( R − 0 ) ( R + 0 ) ) 5 / 2 = 1 5 ( R 2 ) 5 / 2 = R 5 5 ;
V x = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 3 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ = ∫ 0 2 π R 5 5 𝐝 ϕ = 2 π R 5 5 .
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
V X = 2 V x = 2 ⋅ 2 π R 5 5 = 4 π R 5 5 .
Kadangi, pagal sąlyga bus V X = V Y = V Z , tai
V = 3 V X = 3 ⋅ 4 π R 5 5 = 12 π R 5 5 .
Pavyzdis . Apskaičiuoti integralą ∬ S x 2 d y d z + 0 d z d x + 0 d x d y pagal išorinę pusę sferos x 2 + y 2 + z 2 = R 2 .
Taikydami formulę Gauso, gauname:
∬ S x 2 d y d z = ∭ V ( 2 x + 0 + 0 ) d x d y d z = 2 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ∫ 0 R ρ 3 d ρ =
= 2 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ ρ 4 4 | 0 R = 2 ⋅ R 4 4 ∫ 0 2 π d ϕ ∫ − π 2 π 2 cos θ d θ = R 4 2 ∫ 0 2 π d ϕ sin θ | − π 2 π 2 = R 4 2 ∫ 0 2 π ( sin π 2 − sin − π 2 ) d ϕ =
= R 4 2 ∫ 0 2 π ( 1 − ( − 1 ) ) d ϕ = R 4 ϕ | 0 2 π = R 4 ⋅ 2 π = 2 π R 4 .
Dar viską reikia padalinti iš 3, kad gauti teisingai:
∬ S x 2 d y d z + 0 d z d x + 0 d x d y = 2 3 π R 4 .
Kitaip patikrinsime apskaičiuodami ∬ S x 2 𝐝 y 𝐝 z .
x 2 = R 2 − y 2 − z 2 ,
x = R 2 − y 2 − z 2 .
V x = ∬ S x 2 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − y 2 − z 2 ) 2 𝐝 y 𝐝 z = ∬ S ( R 2 − ρ 2 ) 2 ρ 𝐝 ρ 𝐝 ϕ =
= ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ .
Pasinaudodami internetiniu integratoriumi , gauname, kad
∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 𝐝 ρ = ∫ 0 R ( ρ R 2 − ρ 3 ) 𝐝 ρ = ( ρ 2 R 2 2 − ρ 4 4 ) | 0 R =
= R 2 ⋅ R 2 2 − R 4 4 = R 4 4 .
V x = ∫ 0 2 π ( ∫ 0 R ρ ( R 2 − ρ 2 ) 2 𝐝 ρ ) 𝐝 ϕ = ∫ 0 2 π R 4 4 𝐝 ϕ = 2 π R 4 4 = π R 4 2 .
Kadangi reikia dviejų rutulio pusrutulių (teigiama ir neigiama Ox kryptimi), tai
V X = 2 V x = 2 ⋅ π R 4 2 = π R 4 .
Atsakymai 2 3 π R 4 ir π R 4 nesutampa, todėl tokie skaičiavimai neturi prasmės (Gauso formulė gali būti arba neteisinga arba turi labai mažai pritaikymo pavyzdžių).