Chương 7: Tích phân đường và tích phân mặt

Thể loại: Toán học
Lượt xem: 62,898Lượt tải: 8Số trang: 26

Mô tả tài liệu

Chương 7: Tích phân đường và tích phân mặt trình bày các nội dung về tích phân đường, tích phân mặt phẳng, lý thuyết trường. Hi vọng tài liệu sẽ giúp ích cho các bạn trong quá trình học tập cũng như làm việc của mình. Để nắm vững nội dung chi tiết mời các bạn cùng tham khảo tài liệu.

Tóm tắt nội dung

Chương 7 Tích phân đường và tích phân mặt 7.1. Tích phân đường .......................................................................................................... 233 7.1.1. Tích phân đường của hàm số ........................................................................................... 233 7.1.2. Ý nghĩa của tích phân đường loại I ................................................................................. 236 7.1.3. Tích phân đường của hàm vectơ...................................................................................... 237 7.1.4. Ý nghĩa vật lý của tích phân đường loại II...................................................................... 239 7.1.5. Định lý Green................................................................................................................... 240 7.1.6. Tích phân không phụ thuộc đường.................................................................................. 242 7.2. Tích phân mặt............................................................................................................... 245 7.2.1. Tích phân mặt của hàm số ............................................................................................... 245 7.2.2. Tích phân mặt của hàm vectơ .......................................................................................... 246 7.2.3. Định lý Ostrogradski........................................................................................................ 249 7.2.4. Định lý Stokes.................................................................................................................. 251 7.3. Lý thuyết trường ............................................................................................................ 253 7.3.1. Khái niệm về trường ........................................................................................................ 253 7.3.2. Gradient và luật bảo toàn................................................................................................. 255 7.3.3. Phân tán và định lý Ostrogradski..................................................................................... 256 7.3.4. Xoáy và định lý Stokes .................................................................................................... 257 7.1. Tích phân đường 7.1.1. Tích phân đường của hàm số Giả sử C là đường cong trơn trong R2 với điểm đầu A và điểm cuối B, f là hàm số xác định trên C. Phân hoạch T của đường cong C là một họ hữu hạn điểm trên đường cong 0 1 nA A,A ,...,A B= = , nối tiếp nhau (theo nghĩa khúc iAA là một phần của khúc 1iAA+ , với mọi i=1,2,...,n-1). Ký hiệu ks∆ là độ dài đoạn cong 1k kA A− và Tδ 234 Giải tích các hàm nhiều biến là đường kính phân hoạch, tức là số lớn nhất trong các số , 1,...,ks k n∆ = . Chọn 1( , )k k k k kc x y A A−∈ và xét tổng 1 ( , ) = =∑ n T k k k k f x y sσ ∆ . Nếu như tổng Tσ có giới hạn khi 0Tδ → và không phụ thuộc vào việc chọn các điểm kc thì giới hạn đó gọi là tích phân đường của hàm f (hay còn gọi là tích phân đường loại I của f ) theo C và ký hiệu 0 ( , ) lim T T C f x y ds δ σ → =∫ . Một số tính chất suy trực tiếp từ định nghĩa: • Nếu tồn tại ( , ) C f x y ds∫ thì ( , ) C f x y dsα∫ = α ( , ) C f x y ds∫ với mọi α ∈R. • Nếu tồn tại 1( , ) C f x y ds∫ và 2 ( , ) C f x y ds∫ thì tồn tại 1 2( ) C f f ds+∫ và 1 2( ( , ) ( , )) C f x y f x y ds+∫ = 1( , ) C f x y ds∫ + 2 ( , ) C f x y ds∫ . • Khi C là hợp của C1 và C2 và 1 1( , ) C f x y ds∫ , 2 1( , ) C f x y ds∫ tồn tại, thì ( , ) C f x y ds∫ = 1 ( , ) C f x y ds∫ + 2 ( , ) C f x y ds∫ . • Việc lấy C = AB hay C = BA không ảnh hưởng tới tích phân, nghĩa là ( , ) AB f x y ds∫ = ( , ) BA f x y ds∫ . • Nếu ( , ) 0f x y ≥ trên C thì ( , ) 0 C f x y ds ≥∫ . • ( , ) C f x y ds∫ ≤ ( , ) C f x y ds∫ . • Tồn tại ( , ) ( , ) [ inf ( , ), sup ( , )] x y C x y C f x y f x yα ∈ ∈ ∈ sao cho ( , ) ( ) C f x y ds l Cα=∫ , trong đó ( )l C là độ dài của C. Để tính tích phân đường loại I chúng ta xét phương trình tham số của C theo tham số tự nhiên ( ) , ( ) ,x x s y y s= = 0 ( )s l C≤ ≤ . Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 235 Phân hoạch T của C bởi 0 1 nA A,A ,...,A B= = sinh ra phân hoạch tương ứng của [0, ( )]l C bởi 0 10 ... ( )ns s s l C= < < = . Điểm 1k k kc A A−∈ ứng với 1[ ]k k ks sτ −∈ . Khi ấy 1 ( ( ), ( )) = =∑ n T k k k k f x y sσ τ τ ∆ . Qua giới hạn tổng trên khi 0Tδ → ta thu được ( , ) C f x y ds∫ = ( ( ), ( )) C f x s y s ds∫ . Nếu C được cho bởi phương trình tham số t bất kỳ ( ) , ( ) ,x x t y y t= = a t b≤ ≤ , thì như ta đã biết 2 2' ( ) ' ( )ds x t y t dt= + , do đó ( , ) C f x y ds∫ = 2 2( ( ), ( )) ' ( ) ' ( ) b a f x t y t x t y t dt+∫ . Nhận xét. Hoàn toàn tương tự như trên, nếu C là đường cong không gian cho bởi phương trình tham số ( ) , ( ) , ( )x x t y y t z z t= = = , a t b≤ ≤ , thì tích phân đường của hàm f trên C được tính theo công thức ( , , ) C f x y z ds∫ = 2 2 2( ( ), ( ), ( )) ' ( ) ' ( ) ' ( ) b a f x t y t z t x t y t z t dt+ +∫ . Thí dụ 1) Cho C là đoạn parabol 2y x= giữa A = (0,0) và B = (1,1). Tính C xyds∫ . Giải. Phương trình tham số của C là 2, ,x t y t= = 0 1t≤ ≤ . Vậy C xyds∫ = 1 3 2 0 11 4 2 t t dt+ =∫ . 2) Cho C là đường cong trong không gian sin 2 , sin cos , cosx t y t t z t= = = 0 / 2t π≤ ≤ . Tính C zds∫ . Giải. Áp dụng công thức trong nhận xét ta có C zds∫ = 2 2 2 2 2 2 2 0 cos 4sin cos (cos sin ) sint t t t t tdt π + − +∫ = 1 2 0 1 u du+∫ = 1 12 ln( 2 1).2 2− − 236 Giải tích các hàm nhiều biến 7.1.2. Ý nghĩa của tích phân đường loại I Ý nghĩa hình học Giả sử C là đường cong phẳng trong mặt phẳng tọa độ Oxy, f là hàm số biến x và y, nhận giá trị không âm. Khi ấy, ta suy ra ngay từ định nghĩa là tích phân đường của f theo C là diện tích miền thẳng đứng giới hạn bởi C và đường cong không gian xác định như sau {( , , ( , )) : ( , ) }x y f x y x y C∈ . Ý nghĩa cơ học Giả sử C là đường cong vật chất với khối lượng riêng tại mỗi điểm là ( , )m x y . Với mỗi phân hoạch T của C AB= , trên cung 1k kA A− ta có thể xem như khối lượng riêng không đổi và bằng ( , )k km x y . Khi ấy tổng 1 ( , ) m k k k k m x y s∆ = ∑ là xấp xỉ của khối lượng của toàn bộ C. Qua giới hạn tổng trên khi 0Tδ → , ta sẽ thu được công thức tính khối lượng của đường cong vật chất C là ( , ) C M m x y ds= ∫ . Tương tự ta có thể tính moment theo x và y 0 1 lim ( , ) ( , ) T n x k k k k k C M y m x y s ym x y ds δ ∆ → = = =∑ ∫ , 0 1 lim ( , ) ( , ) T n y k k k k k C M x m x y s xm x y ds δ ∆ → = = =∑ ∫ , cũng như moment quán tính 2 2 0 ( ) ( , )x y C J J J y x m x y ds= + = +∫ . Trọng tâm của đường cong vật chất là 0 0( , )x y được tính theo công thức 0 yMx M= , 0 xMy M= . y x z C f x y( , ) Hình 7.1 Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 237 7.1.3. Tích phân đường của hàm vectơ Nếu như trong tổng Tσ khi định nghĩa tích phân đường loại I ta thay ks∆ bởi kx∆ và ky∆ thì ta sẽ thu được hai dạng tích phân đường nữa gọi là tích phân đường của f theo C đối với x và y. Cụ thể là ( , ) C f x y dx∫ = 0 1 lim ( , ) T n k k k k f u v x δ ∆ → = ∑ , ( , ) C f x y dy∫ = 0 1 lim ( , ) T n k k k k f u v y δ ∆ → = ∑ . Những tích phân này còn được gọi là tích phân đường loại II. Khác với ks∆ luôn dương, trong tích phân này giá trị kx∆ và ky∆ có thể âm, dương, hay bằng 0, và phụ thuộc vào việc chọn điểm đầu, điểm cuối của đường cong. Cho nên người ta còn viết rõ ( , ) B A f x y dx∫ và ( , ) B A f x y dy∫ . Nếu như đường cong C được cho bởi phương trình tham số ( ) , ( ) ,x x t y y t= = a t b≤ ≤ , thỏa mãn giả thiết ( ), ( )x t y t liên tục trên [a,b] và hàm f liên tục trên C, thì do 1 1 1( ) ( ) '( ) k k t k k k k k t x x x x t x t x t dt∆ − − −= − = − = ∫ , 1 1 1( ) ( ) '( ) k k t k k k k k t y y y y t y t y t dt∆ − − −= − = − = ∫ , nên sau khi qua giới hạn trong các tổng tích phân ta có công thức ( , ) C f x y dx∫ = ( ( ), ( )) '( ) b a f x t y t x t dt∫ , ( , ) C f x y dy∫ = ( ( ), ( )) '( ) b a f x t y t y t dt∫ . Trong các ứng dụng, tích phân đường loại II thường xuất hiện dưới dạng tích phân đường của hàm vectơ ( , )f g như sau ( , ) ( , ) C f x y dx g x y dy+∫ . Nếu C là đường cong không gian thì tích phân đường của hàm ba biến theo C đối với x, y, z cũng định nghĩa tương tự, và ta cũng có các công thức tính tương ứng khi C được cho bởi phương trình tham số. 238 Giải tích các hàm nhiều biến Thí dụ 1) Tính 2 C xydx x dy+∫ với C được cho bởi phương trình 23 1, 3 2 ,x t y t t= − = − 1 5 / 3t≤ ≤ . Giải. Vì 3 , (6 2)dx dt dy t dt= = − nên ta có 5 / 3 5 / 3 2 2 2 1 1 (3 1)(3 2 )3 (3 1) (6 2) 58 C xydx x dy t t t dt t t dt+ = − − + − − =∫ ∫ ∫ . 2) Tính C yzdx xzdy xydz+ +∫ với C được cho bởi công thức 2 3, ,y x z x= = 0 2x≤ ≤ . Giải. Bằng cách đặt x t= ta có phương trình tham số của C là 2 3, , ,x t y t z t= = = 0 2t≤ ≤ . Do đó C yzdx xzdy xydz+ +∫ = 2 2 3 3 2 2 0 ( . . .2 . .3 )t t dt t t tdt t t t dt+ +∫ 2 5 0 6 64t dt= =∫ . Chú ý. Khi C là đường cong đóng kín, tức là điểm đầu trùng với điểm cuối, thì tích phân đường loại I không phụ thuộc vào việc lựa chọn các điểm này. Tuy nhiên đối với tích phân đường loại II thì ta phải xác định hướng đi (thông thường, trong mặt phẳng, người ta quy định hướng dương là hướng đi theo đó phần mặt phẳng giới hạn bởi đường cong luôn nằm phía bên trái, hướng ngược lại là hướng âm). Khi đã xác định hướng rồi, lấy A, B là 2 điểm khác trên C, ta có ( , ) C f x y dx∫ = ( , ) B A f x y dx∫ + ( , ) A B f x y dx∫ , và như vậy tích phân không phụ thuộc vào việc chọn A hay B là điểm đầu. Tích phân này còn được viết là ( , ) C f x y dx∫ , khi đã chọn hướng dương trên C, và ( , ) C f x y dx−∫ , nếu trái lại . A B Hình 7.2 Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 239 Thí dụ. Tính C ydx xdy−∫ với C là cạnh tam giác đỉnh (0,0), (1,0), (0,1). Giải. Tính trực tiếp ta có C ydx xdy−∫ = (1,0) (0,0) ( )ydx xdy−∫ + (0,1) (1,0) ( )ydx xdy−∫ + (0,0) (0,1) ( ) 1ydx xdy− =−∫ . (Vì trên đoạn [(0,0), (1,0)] ta có y = 0, dy = 0, còn trên đoạn [(0,1),(0,0)] ta có x = 0, dx = 0). Nhận xét . Giả thiết C được cho bởi phương trình tham số tự nhiên ( ) , ( ) ,x x s y y s= = 0 1s≤ ≤ , với x(s), y(s) là những hàm trơn. Khi ấy ( , ) C f x y dx∫ = ( ( ), ( )) '( ) C f x s y s x s ds∫ . Đây chính là công thức cho mối liên hệ giữa các tích phân đường loại I và loại II. 7.1.4. Ý nghĩa vật lý của tích phân đường loại II Giả thiết rằng trong mặt phẳng R2 ta có một trường lực, tức là tại mỗi điểm ( , )x y ∈R2 có một lực tác động ( , ) ( ( , ), ( , ))F x y f x y g x y= . Hãy tính công khi điểm vật chất khối lượng đơn vị di chuyển theo đường cong C AB= trong R2. Trước hết ta nhớ rằng công sinh ra bởi lực P khi điểm vật chất di chuyển được đoạn thẳng 1 2Q Q là W = P . 1 2Q Q . Như vậy, nếu dùng phân hoạch T của C bởi 0 1 nA A,A ,...,A B= = thì công sinh ra khi điểm vật chất di chuyển trên mỗi cung nhỏ 1k kA A− được xấp xỉ bởi ( , ).( , ) ( , ) ( , )k k k k k k k k k k kA F u v x y f u v x g u v y∆ ∆ ∆ ∆ ∆= = + trong đó 1( , )k k k ku v A A−∈ . Theo định nghĩa công sinh ra bởi F dọc theo G sẽ là 0 1 lim T n k k W W δ ∆ → = = ∑ . Vậy công thức tính công W được cho bởi tích phân đường của hàm vectơ F ( , ) ( , ) C W f x y dx g x y dy= +∫ . Đối với trường hợp lực trong không gian việc tính toán hoàn toàn tương tự. 240 Giải tích các hàm nhiều biến Thí dụ. Cho trường lực 3 3 3( , , ) ( , , ) yx zF x y z r r r = với 2 2 2r x y z= + + . Tính công sinh ra dọc theo đoạn [(1,0,0), (2,0,0)]. Giải. Bằng cách tính trực tiếp ta có (2,0,0) 3 3 3 (1,0,0) ( )yx zW dx dy dz r r r = + +∫ = 2 2 1 1 1 2dxx =∫ . (Chú ý: Trên đoạn [(1,0,0),(2,0,0)] ta có y = 0, dy = 0, và z = 0, dz = 0). 7.1.5. Định lý Green Trong nhận xét ở Mục 7.1.3 chúng ta đã có công thức liên hệ tích phân đường các loại. Định lý Green dưới đây sẽ cho công thức liên hệ giữa tích phân kép và tích phân đường. Để ngắn gọn, đôi lúc ta viết , ,f ff x y ∂ ∂ ∂ ∂ thay vì viết rõ giá trị tương ứng tại (x,y). Nhắc lại rằng đường cong C gọi là trơn từng khúc nếu ánh xạ xác định nó trơn từng khúc. Định lý. Giả thiết C là đường cong phẳng kín, đơn và trơn từng khúc, U là miền bao gồm cả C và phần C bao bọc. Khi ấy nếu f và g là những hàm khả vi liên tục trên miền mở chứa U thì ( ) C U g ffdx gdy dxdy x y  ∂ ∂ + = −  ∂ ∂ ∫ ∫∫ . Chứng minh. Chúng ta sẽ chứng minh công thức trên cho trường hợp U có dạng đơn giản. Đối với trường hợp tổng quát chúng ta chỉ nêu ý tưởng chính và không đi vào chi tiết kỹ thuật. a) Giả thiết U := { a x b≤ ≤ , 1 2( ) ( )x y xϕ ϕ≤ ≤ }, trong đó 1 2,ϕ ϕ liên tục trên [a, b]. Khi ấy ∂∂∫∫ U f dxdyy = 2 1 ( ) ( ) xa b x fdx dyy ϕ ϕ ∂ ∂∫ ∫ = 2 1( ( , ( )) ( , ( )))−∫ b a f x x f x x dxϕ ϕ 1B 2B 1A 2A a b0 Hình 7.3 Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 241 và C fdx∫ = 2 1 A A fdx∫ + 2 2 B A fdx∫ + 1 2 B B fdx∫ + 1 1 A B fdx∫ = 1( , ( ))∫ b a f x x dxϕ + 2( , ( ))∫ a b f x x dxϕ . Từ đây suy ra C fdx∫ = ∂− ∂∫∫ U f dxdy y . b) Tương tự, U:= { yα β≤ ≤ , 1 2( ) ( )y x yϕ ϕ≤ ≤ }, thì C gdy∫ = U f dxdyx ∂ ∂∫∫ . Tóm lại nếu miền U có dạng đơn giản như đã nêu thì ta có công thức Green như trong định lý. c) Đối với miền U mà có thể chia thành những miền con có dạng như đã nêu thì công thức Green vẫn đúng vì tích phân kép ở vế phải là hợp của tích phân kép trên từng miền nhỏ, còn tích phân đường vế trái chỉ chứa những đường là biên U (trên mỗi đoạn đường phụ bên trong như B1B2 trên hình vẽ, tích phân được tính hai lần, một lần từ A đến B và một lần từ B đến A, nên chúng triệt tiêu nhau). d) Đối với miền U tổng quát hơn, người ta cố định điểm A bất kỳ trên C và xét phân hoạch T: 0 1 nA A,A ,...,A A= = (theo hướng dương). Ký hiệu TC là đường gấp khúc với các đỉnh 0 nA ,...,A và TU là miền bao bởi đường gấp khúc này. Miền TU có dạng xét trong phần trên, do đó ta có công thức Green ( ) ( ) T TC U g ffdx gdy dxdyx y ∂ ∂+ = −∂ ∂∫ ∫∫ . Nhận xét rằng khi độ dài các cung 1k kA A− dần tới 0 thì ( ) TC fdx gdy+∫ dần tới ( ) C fdx gdy+∫ , còn ( ) TU g f dxdyx y ∂ ∂−∂ ∂∫∫ dần tới ( ) U g f dxdyx y ∂ ∂−∂ ∂∫∫ . Do vậy, ta có công thức Green như đã được nêu trong định lý. 0 y x α β Hinh 7.4 B1 B2 Hình 7.5 C1 B1 B2 C2 Hình 7.6 242 Giải tích các hàm nhiều biến Nhận xét. Định lý Green cũng có thể áp dụng cho miền có “lỗ hổng” với lưu ý là lấy tích phân đường theo biên với hướng dương. Thí dụ như trong hình vẽ bên ( ) U g f dxdyx y ∂ ∂−∂ ∂∫∫ = 1 ( ) C fdx gdy+∫ + 2 ( ) C fdx gdy+∫ . Muốn chứng minh công thức trên chỉ cần tách U thành miền bao bởi C1, C2 và đoạn B1B2. Tích phân đường dọc theo B1B2 tham gia hai lần, một lần từ B1 đến B2 và một lần từ B2 đến B1 , nên triệt tiêu nhau. Đối với miền có nhiều lỗ hổng, cách chứng minh hoàn toàn tương tự. Thí dụ 1) Tính 2 2( ) ( 1 tan )x C e y dx x y dy+ + +∫ với C là biên hình chữ nhật đỉnh (1,2), (5,2), (5,4), (1,4). Giải. Việc tính trực tiếp tích phân trên không đơn giản. Nếu ta áp dụng công thức Green thì tích phân trên bằng 4 5 2 1 (2 1) (2 1) 40 M x dxdy x dxdy− = − =∫∫ ∫ ∫ . 2) Chứng minh rằng diện tích miền M bao bởi đường cong C được tính bằng công thức ( ) C C S M xdy ydx= =−∫ ∫ và áp dụng cho tính diện tích hình ellip cos , sin ,x a t y b t= = 0 2t π≤ ≤ . Giải. Trong công thức Green, lấy ( , ) 0, ( , )f x y g x y x= = , ta có ( ) C M xdy dxdy S M= =∫ ∫∫ và lấy ( , ) , ( , ) 0f x y y g x y=− = , ta có ( ) C M ydx dxdy S M− = =∫ ∫∫ . Từ hai công thức này ta thu dược 1( ) ( )2 C S M xdy ydx= −∫ . Áp dụng cho hình ellip ta có 2 2 2 0 1( ) ( ) (cos sin )2 2 C abS M xdy ydx t t dt ab π π= − = + =∫ ∫ . 7.1.6. Tích phân không phụ thuộc đường Giả thiết A và B là hai điểm trong một miền mở U liên thông đường theo nghĩa hai điểm bất kỳ trong miền đều nối với nhau được bằng một đường cong trơn từng Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 243 khúc. Đường từ A tới B là đường cong trơn từng khúc nhận A là điểm đầu, B là điểm cuối. Định lý sau sẽ cho ta điều kiện khi nào tích phân đường không phụ thuộc vào đường nối A với B. Định lý. Giả thiết f và g liên tục trên U, A và B là hai điểm bất kỳ trong U. Khi ấy C fdx gdy+∫ không phụ thuộc vào đường C nối A với B khi và chỉ khi tồn tại hàm khả vi F trên U để '( , ) ( ( , ), ( , ))F x y f x y g x y= . Chứng minh. Giả sử tích phân không phụ thuộc đường, ta cố định 0 0( , )x y U∈ và xây dựng F theo công thức 0 0 ( , ) ( , ) ( , ) x y x y F x y fdx gdy= +∫ . Hiển nhiên F chỉ phụ thuộc vào ( , )x y và không phụ thuộc vào đường lấy tích phân từ 0 0( , )x y đến ( , )x y . Để tính đạo hàm riêng của F xét đường C1∪ C2 từ (x0, y0) đến (x+∆x,y). Ta có ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , ) x x y x x x y x F x x y F x y fdx gdy f x y dx ∆ ∆ ∆ + + + − = + =∫ ∫ . Do đó 0 ( , ) ( )( , ) lim ( , ) x F x x y F xF x y f x yx x∆ ∆ ∆→ + −∂ = =∂ . Tương tự 0 ( , ) ( )( , ) lim ( , ) y F x y y F xF x y g x yy y∆ ∆ ∆→ + −∂ = =∂ . Do f và g liên tục, ta kết luận F khả vi và '( , ) ( ( , ), ( , ))F x y f x y g x y= . Ngược lại, cho ( , ) 'f g F= . Lấy hai điểm bất kỳ A và B trong U và C là đường cong nối A với B cho bởi phương trình tham số ( ) , ( ) ,x x t y y t= = a t b≤ ≤ . Giả thiết C trơn, ta có C fdx gdy+∫ = ( ( ), ( )) '( ) ( ( ), ( )) '( ) b a F Fx t y t x t dt x t y t y t dtx y ∂ ∂+ =∂ ∂∫ = [ ( ( ), ( ))] ( ( ), ( )) ( ( ), ( )) b a d F x t y t dt F x b y b F x a y adt = −∫ . ),( yx ),( 00 yx ),( yyx ∆+ ),( yxx ∆+ Hình 7.7 244 Giải tích các hàm nhiều biến Chứng tỏ tích phân không phụ thuộc vào đường. Nếu C trơn từng khúc, tách tích phân trên thành từng khúc và ta có ngay kết quả. Chú ý 1) Nếu f và g có các đạo hàm riêng liên tục và tích phân không phụ thuộc đường thì f gy x ∂ ∂=∂ ∂ (= 2F x y ∂ ∂ ∂ ) . Điều ngược lại cũng đúng nếu U là miền đơn liên (tức là miền giới hạn bởi một đường cong kín bất kỳ). 2) Điều kiện tích phân không phụ thuộc đường chính là điều kiện tích phân theo mọi đường cong kín bằng 0. Xét về khía cạnh vật lý, nếu trường ( , )f g là bảo toàn có hàm thế năng F (tức là ' ( , )F f g= ) thì công sinh ra khi di chuyển hạt vật chất theo đường cong đóng (khi không có ma sát) bằng 0. Đây chính là hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng. 3) Định lý có thể mở rộng cho tích phân đường trong không gian một cách dễ dàng. Thí dụ 1) Chứng minh 2 22 B A x ydx xy dy+∫ phụ thuộc vào đường lấy tích phân. Giải. Từ Chú ý 1) ta có 2f xy ∂ =∂ và 22g yx ∂ =∂ . Chứng tỏ f y ∂ ∂ ≠ g x ∂ ∂ , nên tích phân không thể không phụ thuộc đường. 2) Kiểm tra xem tích phân 2 2 2cos (2 sin ) 2z z C y xdx y x e dy ye dz+ + +∫ có phụ thuộc đường hay không. Giải. Giả sử tồn tại F để 2 2 2( ) ( cos 2 sin 2 )z zF x, y,z y x, y x e , ye= + . Khi ấy 2( ) sin ( , )F x, y,z y x G y z= + , với hàm G nào đó, vì rằng 2 cosF y x x ∂ =∂ . Tiếp theo, do 22 sin zF y x e y ∂ = +∂ , ta tìm được 2( , ) ( )zG y z ye H z= + . Tương tự, do 22 xF ye z ∂ =∂ , ta thấy ( )H z α= (hằng số). Vậy, 2 2( ) sin zF x, y,z y x ye α= + + thỏa mãn yêu cầu. Chứng tỏ tích phân không phụ thuộc đường. Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 245 7.2. Tích phân mặt 7.2.1. Tích phân mặt của hàm số Cũng như tích phân đường, chúng ta có thể xây dựng tích phân kép trên mặt cong thay vì tích phân trên mặt phẳng. Giả sử S là một mặt cong trơn, T là một phân hoạch của S bởi các đường cong trơn từng khúc bao gồm các mảnh 1 2, ,..., nS S S . Gọi Tδ là đường kính phân hoạch tức là đường kính lớn nhất của các đường kính của các cầu nhỏ nhất chứa từng , 1,...,kS k n= và kS∆ là diện tích của kS . Chọn ( , , ) , 1,2,...,k k k k kB S k nα β γ= ∈ = . Giả sử f là hàm số xác định trên S. Ta thiết lập tổng 1 ( ) n T k k k f B Sσ ∆ = =∑ . (*) Nếu như tổng Tσ có giới hạn khi 0Tδ → và không phụ thuộc vào việc chọn k kB S∈ , thì giới hạn đó gọi là tích phân mặt (loại I) của f trên S và ký hiệu 0 1 ( , , ) lim ( ) T n k k kS f x y z dS f B S δ ∆ → = = ∑∫∫ . Để tính tích phân mặt loại I ta xét phương trình tham số của S ( , ) , ( , ) , ( , ) ,x x u v y y u v z z u v= = = ( , )u v U∈ ⊆R2 , trong đó U là miền đóng giới nội. Giả thiết f liên tục. Phân hoạch T của S tương ứng với phân hoạch T’ của U thành các miền con 1,..., nM M . Theo công thức tính diện tích mặt đã biết k k M S EG Fdudv∆ = −∫∫ , trong đó 2XE u ∂= ∂ , . X XF u v ∂ ∂= ∂ ∂ , 2XG v ∂= ∂ . Thay công thức này vào tổng (*) và qua giới hạn khi 0Tδ → ta có 2( , , ) ( ( , ), ( , ), ( , )) S M f x y z dS f x u v y u v z u v EG F dudv= −∫∫ ∫∫ . (**) Tích phân mặt loại I có những tính chất tương tự như tích phân đường loại I và được suy trực tiếp từ định nghĩa. Thí dụ. Tính S zdS∫∫ khi S là nửa mặt cầu 2 2 2 1, 0x y z z+ + = ≥ . Giải. Phương trình tham số của S là 246 Giải tích các hàm nhiều biến 2 2, , 1 ( ) ,x u y v z u v= = = − + 2 2 1u v+ ≤ . Các hệ số Gauss của mặt cong (xem Chương 6) là 2 2 2 (1,0, ) 1 ( ) uE u v = − = − + 2 2 2 1 1 ( ) v u v − − + , 2 2 2 (0,1, ) 1 ( ) vG u v = − = − + 2 2 2 1 1 ( ) u u v − − + , 2 21 ( ) uvF u v = − + , 2 1EG F z− = . Thay vào công thức (**) ta có 2 2 1S u v zdS dS π + ≤ = =∫∫ ∫∫ . Ý nghĩa cơ học của tích phân mặt Nếu xem S là một mặt vật chất với khối lượng riêng tại mỗi điểm (x,y,z) là ( , , )x y zρ , thì đại lượng ( )k kB Sρ ∆ là khối lượng của mảnh kS khi xem như khối lượng riêng là không đổi và bằng ( )kBρ trên kS . Giới hạn của tổng 1 ( ) n k k k B Sρ ∆ = ∑ khi 0Tδ → gọi là khối lượng của mặt S. Các khái niệm moment, moment quán tính, trọng tâm ... được định nghĩa tương tự như trường hợp đường cong. 7.2.2. Tích phân mặt của hàm vectơ Giả sử S là mặt cong trơn. Tại mỗi điểm P ∈ S ta có hai vectơ pháp tuyến đơn vị đối chiều nhau là +n và −n . Khi P di chuyển theo đường cong kín, đơn trên S thì +n cũng di chuyển một cách liên tục về chính nó hoặc về −n . Nếu như với điểm B bất kỳ, sau khi di chuyển theo một đường cong kín, đơn bất kỳ mà +n lại trở về chính nó thì ta nói S là mặt cong hai phía. Trong trường hợp ngược lại, S được gọi là mặt cong một phía. Lá Moebius ở hình vẽ bên là một thí dụ mặt cong một phía. Giả sử S là mặt cong hai phía và tại mọi điểm vectơ pháp tuyến +n (hoặc −n ) đã được chọn. Khi ấy ta nói S đã được định hướng. Dưới đây ta chỉ xét các mặt cong hai phía. Trên một mặt cong S đã định hướng, nếu có một đường cong kín C thì hướng của mặt cong sinh ra hướng của đường cong theo nguyên tắc “vặn nút chai”, hướng dương trên đường cong C là hướng mà khi đi theo nó (thân đứng theo hướng của Hình 7.8 Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 247 mặt cong) ta sẽ thấy mặt cong luôn ở phía bên tay trái. Ngược lại, nếu C đã được định hướng thì hướng của S cũng có thể được xác định sao cho phù hợp với quy tắc trên. Đối với mặt trơn từng mảnh, việc định hướng có thể được tiến hành trên từng mảnh của mặt cong sao cho hướng trên những đường tiếp giáp có chiều ngược nhau. Đối với mặt cong đóng kín (như mặt cầu) người ta sử dụng định hướng ra ngoài và định hướng vào trong. Bây giờ giả sử S là mặt cong trơn đã định hướng và ( , , )F f g h= là hàm vectơ trên S. Chúng ta giữ nguyên những ký hiệu về phân hoạch T của S như trước: 1,..., nS S là những mảnh con, Tδ là đường kính phân hoạch, , 1,...,k kB S k n∈ = . Thay vì tổng (*) ta xét tổng 1 ( ) n xy xy kT k k h B Sσ ∆ = =∑ , (***) trong đó xykS∆ có giá trị tuyệt đối là diện tích hình chiếu của kS xuống mặt phẳng tọa độ Oxy với dấu (+) nếu hướng của đường cong bao quanh kS chiếu xuống Oxy có chiều quay dương ở mặt Oxy (ngược kim đồng hồ như hình vẽ) và dấu (−) nếu ngược lại. Nếu như tổng xyTσ có giới hạn khi 0Tδ → và không phụ thuộc vào việc chọn k kB S∈ , thì giới hạn đó được gọi là tích phân mặt (loại II) của h trên S theo ( , )x y và ký hiệu là 0 ( , , ) lim T xy T S h x y z dxdy δ σ → =∫∫ . Đối với f và g ta cũng có những tích phân tương tự (chú ý: Chiều quay dương của mặt Ozx là đi từ Oz đến Ox, còn chiều quay dương của mặt Oyz là đi từ Oy đến Oz). Tích phân mặt của hàm vectơ F trên S (hay còn gọi tích phân mặt loại II) là đại lượng S fdydz gdzdx hdxdy+ +∫∫ . Để tính tích phân mặt của hàm vectơ chúng ta xét trường hợp S được cho bởi phương trình tham số ( , ) , ( , ) , ( , ) ,x x u v y y u v z z u v= = = ( , )u v U∈ , trong đó U là miền đóng giới nội trong R2. Nhớ lại công thức tính diện tích hình chiếu mảnh cong kS xuống mặt phẳng Oxy cos k xy k S S dS∆ γ= ∫∫ , trong đó Hình 7.9 248 Giải tích các hàm nhiều biến 2 2 2 cos C A B C γ= + + là thành phần thứ 3 của vectơ pháp tuyến đơn vị trên S (γ là góc tạo nên bởi pháp tuyến của mặt kS với trục Oz). Nếu như trên mảnh kS đại lượng C dương thì cos 0γ> , do đó xykS∆ lấy dấu (+). Trái lại xy kS∆ lấy dấu trừ. Như vậy cos k xy k S S dS∆ γ= ∫∫ . Theo định lý giá trị trung bình tìm được điểm kγ (góc giữa pháp tuyến tại điểm k kB S∈ và trục Oz) sao cho cosxy k kkS S∆ γ ∆= . Thay công thức này vào tổng (***) và lưu ý rằng giới hạn của tổng không phụ thuộc vào việc chọn điểm kB nên ( , , ) ( , , )cos S S h x y z dxdy h x y z dSγ=∫∫ ∫∫ . Tương tự đối với hàm f và g, ta thu được 1 2 3( cos cos cos ) , . S S S fdydz gdzdz hdxdy f g h dS F dSγ γ γ ++ + = + + = < >∫∫ ∫∫ ∫∫ n Kết hợp với công thức tính tích phân mặt của hàm số khi mặt được cho bởi phương trình tham số ta có , S F n dS+< >∫∫ = 2( ( , ), ( , ), ( , )), ( , ) . M F x u v y u v z u v u v EG F dudv+< > −∫∫ n = ( . . . ) M f A g B h C dudv+ +∫∫ . Chú ý 1) Nếu S được định hướng bằng −n thì trong công thức trên vế phải lấy dầu trừ. 2) Nếu S là mặt trơn từng mảnh thì phải xét tích phân trên từng mảnh rồi cộng lại. ý nghĩa vật lý của tích phân mặt loại II Giả sử dòng chất lỏng với mật độ ( , , )x y zϕ chịu tác động của trường lực 1 2 3( , , )G g g g= . Hàm vectơ F Gϕ= gọi là trường lực của dòng. Lượng của dòng chảy qua mặt S trong một đơn vị thời gian được gọi là lưu thông và tính bằng , S F dS< >∫∫ n . Đây chính là tích phân mặt loại II của F trên S. Hình 7.10 Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 249 Thí dụ. Tính tích phân hàm vectơ 2( , , ) ( , , )F x y z y x z= − trên mặt paraboloid 2 2z x y= + , 0 1z≤ ≤ . Giải. Phương trình tham số của mặt cong 2 2, , ,x u y v z u v= = = + 2 20 1u v≤ + ≤ . Ta tính được 2 , 2 , 1A u B v C=− =− = và suy ra 2 2 2 2 2 1 , ( ( 2 ) ( 2 ) ( ) ) S u v F dS v u u v u v dudv+ + ≤ < > = − − − + + =∫∫ ∫∫n = 2 2 2 2 2 1 ( ) 3 u v u v dudv π + ≤ + =∫∫ (chú ý: mặt được định hướng vào trong). 7.2.3. Định lý Ostrogradski Định lý Green cho ta công thức liên hệ tích phân kép và tích phân đường. Định lý Ostrogradski dưới đây cho công thức liên hệ giữa tích phân mặt với tích phân bội ba. Định lý . Giả thiết S là mặt trơn từng mảnh, kín, bao quanh miền V trong R3 và được định hướng ra ngoài. Nếu hàm vectơ ( , , )F f g h= khả vi liên tục trên miền mở chứa V thì S fdydz gdzx hdxdy+ +∫∫ = ( ) V f g h dxdydzx y z ∂ ∂+ +∂ ∂ ∂∫∫∫ . Chứng minh. Trước hết chúng ta xét trường hợp V là hình trụ đáy dưới S1 cho bởi ( , )z x yϕ= và đáy trên S2 cho bởi ( , )z x yψ= ; mặt bên S3 có hình chiếu xuống Oxy là đường cong C kín, trơn từng khúc bao miền U. Ta có ( , ) ( , ) [ ( , , ( , ) ( , , ( , )] x y V U x y U h hdxdydz dxdy dz h x y x y h x y x y dxdyz z ψ ϕ ψ ϕ∂ ∂= = −∂ ∂∫∫∫ ∫∫ ∫ ∫∫ và S hdxdy∫∫ = 1S hdxdy∫∫ + 2S hdxdy∫∫ + 3S hdxdy∫∫ = ( , , ( , )) ( , , ( , )) U U h x y x y dxdy h x y x y dxdyϕ ψ− +∫∫ ∫∫ . Hình 7.11 250 Giải tích các hàm nhiều biến Từ hai đẳng thức trên ta có S V hhdxdy dxdydzz ∂= ∂∫∫ ∫∫∫ . Thay đổi vai trò các biến và các hàm f, g ta sẽ có công thức tương tự cho các miền dạng đã xét. Tổng của chúng chính là công thức Ostrogradski. Đối với miền tổng quát như nêu trong định lý, kỹ thuật chứng minh hoàn toàn tương tự như cách chứng minh định lý Green. Giả sử V là miền mở trong R3. Ta nói V là đơn liên nếu vùng bao bởi mặt cong kín, đơn, trơn từng mảnh bất kỳ trong V nằm trọn trong V. Hệ quả .Giả thiết V là miền đơn liên trong R3 và F là hàm vectơ khả vi liên tục trên V. Khi ấy tích phân của F theo bất kỳ mặt cong kín, trơn từng mảnh trong V bằng 0 khi và chỉ khi 0f g hx y z ∂ ∂ ∂+ + =∂ ∂ ∂ trên V. Chứng minh. Điều kiện đủ suy ngay từ định lý Ostrogradski. Để chứng minh điều kiện cần, giả sử có điểm P0 mà tại đó 0f g hx y z ∂ ∂ ∂+ + >∂ ∂ ∂ (trường hợp < 0 chứng minh tương tự). Do tính liên tục, có thể giả thiết bất đẳng thức trên đúng với mọi điểm trong quả cầu V0 tâm P0, bán kính 0δ> . Gọi S0 là mặt của quả cầu này. Theo định lý giá trị trung bình ta có bất đẳng thức 0 ( ) 0 V f g h dxdydzx y z ∂ ∂ ∂+ + >∂ ∂ ∂∫∫∫ . Thế nhưng theo định lý Ostrogradski và điều kiện đủ, ta lại có 0 0 ( ) , 0 V S f g h dxdydz F dSx y z + ∂ ∂ ∂+ + = < > =∂ ∂ ∂∫∫∫ ∫∫ n . Điều này là vô lý. Hệ quả được chứng minh xong. Thí dụ. Tính S xdydz ydzdx zdxdy+ +∫∫ biết rằng mặt cong S bao miền V có thể tích vol(V). Giải. Áp dụng công thức Ostrogradski ta có S xdydz ydzdx zdxdy+ +∫∫ = (1 1 1) 3vol( ). V dxdydz V+ + =∫∫∫ Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 251 7.2.4. Định lý Stokes Định lý Stokes là mở rộng của định lý Green cho đường cong kín trong không gian. Định lý. Giả thiết S là mặt cong trơn và đơn, bao bởi đường cong kín, đơn C đã được định hướng, ( , , )F f g h= là hàm vectơ trên miền mở chứa S. Khi ấy ( ) ( ) ( ) C S g f g fh hfdx gdy hdz dxdy dydz dzdxx y y z z x ∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂+ + = − + − + −∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∫ ∫∫ . Chứng minh. Trước tiên chúng ta chứng minh đẳng thức sau C S f ffdx dzdx dxdyz y ∂ ∂= −∂ ∂∫ ∫∫ . Để ý rằng, trong phương trình tham số của mặt cong S, hai biến ( , )u v U∈ ⊆R2 trong đó U là miền đóng, giới nội, có biên UC trơn từng khúc (lưu ý là chiều của UC được xác định bởi chiều của C phù hợp với hướng của S). Bằng cách tham số hóa UC và do đó C cũng được tham số hóa theo, ta suy ra ngay công thức ( ) UC C x xfdx f du dvu v ∂ ∂= +∂ ∂∫ ∫ . Áp dụng công thức Green cho tích phân theo đường cong phẳng UC ở vế phải và công thức đổi biến, ta thu được ( ) [ ( ) ( )] UC U x x x xf du dv f f dudvu v u v v u ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂+ = −∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∫ ∫∫ = = { } U f fB C dudvz y ∂ ∂−∂ ∂∫∫ = S f fdzdx dxdyz y ∂ ∂−∂ ∂∫∫ . Như vậy (1) đúng. Tương tự, ta chứng minh công thức cho g,h, sau đó lấy tổng và thu được công thức Stokes. Chú ý. Đối với mặt cong trơn từng mảnh định lý Stokes vẫn đúng. Để chứng minh chỉ cần áp dụng công thức cho từng mảnh rồi lấy tổng của chúng. Thí dụ. Hãy kiểm tra công thức Stokes cho hàm vectơ ( , , ) ( , , )F x y z z y x z x y= − + − − trên mặt paraboloid 2 24z x y= − − và mặt 0z= . Giải. Biên của mặt cong là đường tròn 2 2 4x y+ = có phương trình tham số là 2cos , 2sin ,x yα α= = 0 2α π≤ ≤ . 252 Giải tích các hàm nhiều biến Do đó ( ) ( ) ( ) S C FdC z y dx x z dy x y dz= − + + − + =∫ ∫ 2 0 4 8d π α π=∫ , và ( ) ( ) ( ) S g f g fh hdxdy dydz dzdxx y y z z x ∂ ∂ ∂ ∂∂ ∂− + − + −∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂∫∫ = = (1 1) ( 1 1) (1 1) S dxdy dydz dzdx+ + − − + + =∫∫ = 2 ( 4 4 2) 8 S U dxdy dydz dzdx x y dxdy π+ + = − + + =∫∫ ∫∫ , vì 2 , 2 , 1A x B y C= = = . Đúng như công thức Stokes. Để rút ra hệ quả về sự không phụ thuộc của tích phân đường trong không gian vào đường lấy tích phân ta gọi miền V ⊆ R3 là miền đơn liên mặt nếu với mọi đường cong kín, trơn từng khúc C ⊆ V tìm được mặt cong trơn từng mảnh nhận C làm biên. Khối hình xuyến là một thí dụ của miền không đơn liên mặt. Hệ quả. Giả thiết V là một miền đơn liên mặt và các hàm f, g, h liên tục cùng với các đạo hàm riêng ,f fy z ∂ ∂ ∂ ∂ , , g g z x ∂ ∂ ∂ ∂ , , h h x y ∂ ∂ ∂ ∂ . Khi ấy các tính chất sau tương đương: (i) Với mọi đường cong kín, trơn từng khúc nằm trọn trong V, đẳng thức sau nghiệm đúng 0 C fdx gdy hdz+ + =∫ ; (ii) Tích phân C fdx gdy hdz+ +∫ không phụ thuộc vào đường cong C nối hai điểm A, B trong V; (iii) Biểu thức fdx gdy hdz+ + là vi phân toàn phần của một hàm nào đó trong V; (iv) f gy x ∂ ∂=∂ ∂ , gh y z ∂∂ =∂ ∂ , f h z x ∂ ∂=∂ ∂ . Chứng minh. Sự tương đương của (iv) với (i) hoặc (ii) suy ngay từ định lý Stokes. Sự tương đương của (iv) và (iii) được chứng minh tương tự như hệ quả của định lý Green trong mặt phẳng. Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 253 7.3. Lý thuyết trường 7.3.1. Khái niệm về trường 1. Trường Giả sử U là một miền trong không gian R3 và mỗi điểm p U∈ được gán một đại lượng vô hướng ( )f p ∈R (hoặc một đại lượng vectơ ( )F p ∈R3 ). Khi ấy ta nói trong U có trường vô hướng f (tương ứng, trường vectơ F). Như vậy, trường vô hướng là một hàm số và trường vectơ là một hàm vectơ xác định trên miền đã cho. Nếu U là một miền trong mặt phẳng R2 thì trường vô hướng và trường vectơ (phẳng) trong U được định nghĩa tương tự. Thí dụ 1) Trong một vùng không gian V, ký hiệu ( , )T p t là nhiệt độ và ( , )W p t là vectơ tốc độ gió đo được tại điểm p V∈ và tại thời điểm t. Khi ấy, với mỗi t cố định, trường nhiệt độ ( , )T p t là một trường vô hướng, còn trường gió ( , )W p t là một trường vectơ trong V. 2) Giả sử hạt vật chất khối lượng m0 đặt ở gốc tọa độ. Khi ấy theo định luật Newton, lực hút tác động lên hạt vật chất khối lượng m đặt tại ( , , )p x y z được cho bởi công thức 03( , , ) gm mF x y z =− r r , trong đó g là hằng số hấp dẫn, r là vectơ định vị của p với các tọa độ x,y,z. Đây là một trường vectơ và được gọi là trường lực hấp dẫn. 3) Giả sử điện tích q đặt ở gốc tọa độ. Khi ấy xung quanh nó có trường điện thế ( , , ) qf x y z = r . Đây là một trường vô hướng. 2. Các khái niệm liên quan Giả sử f là một trường vô hướng trong miền U ⊆ R3. Chúng ta giả thiết rằng f khả vi và đạo hàm khác không trên miền U. Khi ấy với mỗi hằng số c, phương trình ( , , )f x y z c= 254 Giải tích các hàm nhiều biến xác định mặt cong gọi là mặt mức hay mặt đẳng trị (vì giá trị của f trên mặt này không đổi). Hiển nhiên là các mặt mức khác nhau không giao nhau và chúng phủ kín miền U. Thí dụ. Trong trường điện thế (ở phần thứ 3 trong thí dụ trên), với mỗi hằng số c, mặt đẳng trị ( , , )f x y z c= là mặt cầu 2 2 2 2( / )x y z q c+ + = và được gọi là mặt đẳng thế. Trong những phần tiếp theo, ta sẽ ký hiệu i, j, k là những vectơ đơn vị của các trục tọa độ Ox, Oy, Oz. Trường vectơ F còn được viết dưới dạng x y zF F F F= + +i j k , trong đó , ,x y zF F F là các tọa độ của F. Cho F là trường vectơ trong U. Đường cong C được gọi là đường dòng của F nếu tiếp tuyến của đường cong tại mọi điểm p C∈ có hướng trùng với hướng của ( )F p . Mặt cong S được gọi là mặt dòng nếu S bao gồm các đường dòng và tại mọi điểm p S∈ , vectơ ( )F p nằm trong mặt phẳng tiếp tuyến với S tại p. Nếu như đường cong C được cho bởi phương trình tham số ( ) , ( ) , ( )= = =x x t y y t z z t , thì hướng của tiếp tuyến của C là ( '( ), '( ), '( ))x t y t z t , cho nên phương trình của đường dòng C là x y z dydx dz F F F = = . Nhận xét. Nếu trường vectơ F khác 0 thì mỗi điểm p U∈ chỉ có một đường dòng duy nhất đi qua. Hơn nữa, các đường dòng không cắt nhau. Ngoài ra, nếu C0 là một đường cong trơn và qua mỗi điểm của C0 có một đường dòng đi qua, khi ấy tập tất cả các đường dòng này tạo thành mặt dòng. Nếu C0 là đường kín, mặt dòng trở thành một ống dòng. Thí dụ. Trong trường hấp dẫn (phần thứ 2 của thí dụ đầu tiên), ta có phương trình các đường dòng là 1 1 13 3 3 0 0 0 dydx dz x y zα α α − − −= = r r r , trong đó 0α là hằng số bằng 0gm m− . Phương trình này tương đương với dydx dzx y z= = hay là 1 2 3, , .x t y t z tα α α= = = Đây chính là đường thẳng đi qua điểm đặt hạt vật chất. Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 255 7.3.2. Gradient và luật bảo toàn 1. Gradient Cho trường vô hướng f trong miền U ⊆ R3. Khi ấy gradient của f là , ,f f ff x y z  ∂ ∂ ∂ ∇ =  ∂ ∂ ∂  (hay ký hiệu gradf ) và là một trường vectơ trong U. Một số tính chất của trường vectơ này đã được biết trong Chương 2. 1) Đạo hàm theo hướng v của f được tính theo công thức 0grad , f f vv ∂ =< >∂ trong đó 0 (cos ,cos ,cos )v α β γ= là vectơ đơn vị chỉ hướng của v với các góc chỉ hướng α, β, γ. 2) Giá trị lớn nhất của đạo hàm theo hướng fv ∂ ∂ đạt được khi v0 trùng với hướng của gradf, và bằng 2 2 2 grad f f ff x y z      ∂ ∂ ∂    = + +        ∂ ∂ ∂      . 3) Gradient của f tại p có cùng hướng với vectơ pháp tuyến +n của mặt mức đi qua p (tại điểm p). Thật vậy, phương trình mặt mức qua p là ( , , )f x y z c= , với ( )c f p= . Vectơ pháp tuyến tại p là (xem thí dụ trong mục đường cong và mặt cong) ( ) ( ) ( ), ,f p f p f px y z+  ∂ ∂ ∂ =   ∂ ∂ ∂  n trùng với gradf. Thí dụ. Biết rằng trường nhiệt tại thời điểm t cố định được cho bởi công thức 2 2 2 100T x y z = + + . Hãy tìm giá trị trường vectơ tốc độ thay đổi nhiệt tại (1,3, 2)p= − và T thay đổi nhanh nhất theo hướng nào? Giải. Ta tính gradient của T 256 Giải tích các hàm nhiều biến 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 200200 200grad , , ( ) ( ) ( ) yx zT x y z x y z x y z  −− −  =    + + + + + +  . Đây là trường vectơ tốc độ thay đổi nhiệt. Tại (1,3, 2)p= − ta có 200grad ( ) ( 3 2 ) 196 T p =− + −i j k . Theo 2), T thay đổi nhanh nhất theo hướng của gradient tức là hướng ( 3 2 )− − +i j k . 2. Luật bảo toàn Cho F là một trưòng vectơ trên miền U ⊆ R3. Nếu tồn tại hàm f khả vi trên U sao cho gradF f= thì người ta gọi F là trường bảo toàn và gọi -f là hàm thế năng. Trong Vật lý học, một trường vectơ thường được xem như một trường lực. Nếu một chất điểm với khối lượng m chuyển động trong miền U với quĩ đạo là một đường cong khả vi x(t) thì theo định luật Newton ta có ( ( )) ( )F t m t=x x , hay là ( )F m=x x . Điều này có nghĩa là grad ( )m f=x x , và bằng cách nhân vô hướng cả 2 vế với x ta suy ra ( )21 ( ) ( ) 02d m fdt − =x x , hay 21 ( ) ( )2 m f const− =x x . Nếu ta gọi số hạng đầu ở vế trái là động năng thì công thức trên có nghĩa là trong khi vật chuyển động thì tổng của động năng và thế năng luôn là một hằng số. Chính điều này lý giải tại sao khi một trường là gradient của một hàm khả vi thì lại có tên là trường bảo toàn. Không phải trường nào cũng là trường bảo toàn. 7.3.3. Phân tán và định lý Ostrogradski Phân tán của trường vectơ F (hay divergence của F) trong miền U ⊆R3 , ký hiệu divF, là trường vô hướng xác định bởi div x y zF F FF x y z ∂ ∂ ∂= + +∂ ∂ ∂ . Với ký hiệu này, định lý Ostrogradski được viết như sau , div S V F n ds Fdv< > =∫∫ ∫∫∫ , trong đó S là mặt trơn từng mảnh, kín và bao quanh miền V trong R3. Theo ngôn ngữ vật lý, công thức trên nói rằng lưu thông F qua mặt S bằng tích phân bội ba của phân tán của F trên miền V giới hạn bởi S. Chương 7. Tích phân đường và tích phân mặt 257 Ý nghĩa vật lý của khái niệm phân tán Theo định lý giá trị trung bình ta tìm được điểm 0 0 0 0( , , )p x y z= bên trong V sao cho 0div div ( ) vol( ) V Fdv F p V=∫∫∫ , trong đó vol(V) ký hiệu thể tích của V . Suy ra 0 1div ( ) ,vol( ) S F p F dsV= < >∫∫ n . Như vậy với điểm p cố định bên trong V, ký hiệu Sε là mặt cầu tâm p bán kính ε và vε là thể tích quả cầu này, ta sẽ tìm được điểm pε bên trong Sε sao cho 1div ( ) , S F p F dsv ε ε ε = < >∫∫ n . Cho 0ε→ ta thu được 0 1div ( ) lim , S F p F dsv ε ε ε→ = < >∫∫ n . Công thức này có nghĩa phân tán của trường vectơ F tại điểm p là giới hạn của lưu thông trên đơn vị thể tích qua mặt cầu tâm p khi bán kính tiến dần tới 0. Như vậy, nếu F là tốc độ di chuyển của chất lỏng thì div ( )F p là tỷ lệ mất đi hoặc thu về của lượng chất lỏng trên một đơn vị thể tích tại lân cận điểm p. Nếu div ( ) 0F p > , thì p là điểm nguồn, lưu thông vào mặt Sε ít hơn lưu thông ra. Nếu div ( ) 0F p < , thì p là điểm rò, lưu thông vào mặt Sε nhiều hơn lưu thông ra. Trường vectơ F mà trong đó không có điểm nguồn, không có điểm rò thì div 0F = và đây chính là phương trình liên tục đối với chất lỏng không nén được. 7.3.4. Xoáy và định lý Stokes Xoáy của trường vectơ F trong miền U ⊆R3, ký hiệu là curlF hoặc rotF, là trường vectơ curl ( ) ( ) ( ) z x y xFyF F Fz F FF y z z x x y ∂∂ ∂ ∂ ∂ ∂= − + − + −∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂i j k . Với ký hiệu này định lý Stokes có thể viết như sau , curl , C S F T ds F ds< > = < >∫ ∫∫ n , trong đó T ký hiệu vectơ tiếp tuyến đơn vị của C tức là 258 Giải tích các hàm nhiều biến dydx dzds ds ds+ +i j k , và do đó , x y zF T ds F dx F dy F dz< > = + + ; S là mặt cong trơn, đơn được bao bởi đường cong C kín, đơn và được định hướng. Lưu ý rằng đôi khi người ta gọi curl ,F< >n là xoáy của F quanh n. Công thức trên có thể phát biểu như sau: tích phân đường của thành phần tiếp tuyến của F dọc theo C theo chiều dương bằng tích phân mặt cuả thành phần pháp tuyến của xoáy curlF trên mặt S. Ý nghĩa vật lý của khái niệm xoáy Xét điểm p bất kỳ trong M và đĩa tròn Sε tâm p, bán kính 0ε> với biên là đường tròn Cε . Từ định lý Stokes và định lý giá trị trung bình, tồn tại p Sε ε∈ sao cho 2, , ( ), ( ) . C C F T ds curlF ds curF p p ε ε ε ε πε< > = < > =< >∫ ∫ n n Do đó 2 1curl ( ), ( ) , C F p p F T ds ε ε ε πε < >= < >∫n . Khi 0ε→ , điểm pε dần tới p và ta thu được 20 1curl ( '), ( ) lim , C F p p F T ds k ε ε π→ < >= < >∫n . (*) Nếu F biểu diễn trường tốc độ của chất lỏng thì tích phân , C F T ds ε < >∫ được gọi là lưu lượng quanh Cε . Nó biểu thị xu thế trung bình của chất lỏng chuyển động quanh đường cong Cε . Công thức (*) cho biết về chuyển động của chất lỏng quanh biên đĩa tròn vuông góc với vectơ n khi bán kính của đĩa dần tới 0. Nếu trong miền U mà có curl 0F = , thì lưu lưu lượng mọi đường cong kín bằng 0. Trong trường hợp này, người ta nói là trường vectơ vắng xoáy. εp p εεC Hình 7.12