Obsah. 1 Afinní prostor 2. 2 Křivky 10

Transkript

1 Matematická analýza 3 1 Obsah 1 Afinní prostor 2 2 Křivky 10 3 Křivkové integrály, Greenova věta Křivkové integrály Greenova věta Důsledky Greenovy věty Operátory skalárních a vektorových polí 22 5 Plochy 26 6 Plošné integrály, Gausova věta, Stokesova věta Orientovaná plocha Plošné integrály Gaussova věta Stokesova věta Nezávislost na cestě, operátory v křivočarých souřadnicích Nezávislost křivkového integrálu na cestě Operátory v křivočarých souřadnicích Tenzory Sdružené báze Tenzory nultého řádu Tenzory prvního řádu Tenzory druhého řádu Tenzory vyšších řádů Tenzorová algebra

2 2 Matematická analýza 3 1 Afinní prostor Norský matematik Niels Heinrich Abel ( ). Svět bodů a vektorů, ve kterém se běžně v matematice pohybujeme, si pojmenujeme afinní prostor. Dříve než si uvedeme jeho definici, zopakujeme si základní pojmy z lineární algebry. Definice 1.1 : (grupa, těleso) Množina V s operací + (tj. se zobrazením z V V do V), zkráceně (V, +), se nazývá grupa, jestliže platí: i) u, v, w V : (u + v) + w = u + (v + w), (asociativita) ii) e V u V : u + e = e + u = u, iii) u V û V : u + û = û + u = e. (neutrální prvek) (inverzní prvek) dokázal neřešitelnost algebraických rovnic 5. a vyšších stupňů pomocí odmocnin. Při tomto důkazu uplatnil ideje teorie grup. Pokud navíc platí iv) u, v V : u + v = v + u, (komutativita) pak hovoříme o komutativní grupě nebo Abelově grupě. Množina T s dvěma operacemi +,, zkráceně (T, +, ), se nazývá těleso, jestliže platí: i) (T, +) je komutativní grupa s neutrálním (nulovým) prvkem značeným 0, ii) (T \ {0}, ) je grupa s neutrálním (jednotkovým) prvkem značeným 1, iii) a, b, c T : (distributivita) (a + b) c = a c + b c, a (b + c) = a b + a c, Jestliže (T \ {0}, ) je komutativní grupa, pak hovoříme o komutativním tělese. Příklad 1.1 : 1. Množina (Z, +) s neutrálním prvkem 0 je Abelova grupa. 2. Množina (R, +, ) s nulovým prvkem 0 a jednotkovým prvkem 1 tvoří těleso. Cvičení 1.1 : a) Dokažte, že množina (Q \ {0}, ) tvoří Abelovu grupu. b) Dokažte, že množina (C, +, ) tvoří komutativní těleso.

3 Matematická analýza 3 3 Definice 1.2 : (lineární prostor) Nechť (V, +) je komutativní grupa a T je těleso. Nechť operace z T V do V : (a, u) a u splňuje: i) a, b T u V : a (b u) = (a b) u (asociativita) ii) a, b T u V : (a + b) u = b u + b u, a T u, v V : a (u + v) = a u + a v (distributivita) iii) u V, 1 T : 1 u = u (absorpce jednotky). Potom množina V s operacemi +, se nazývá lineární (vektorový) prostor nad tělesem T. Prvky množiny V se nazývají vektory, (prvky tělesa T se nazývají skaláry). Vektory budeme značit u. Příklad 1.2 : Množina všech uspořádaných dvojic reálných čísel tvoří vektorový prostor. Množina všech polynomů tvoří vektorový prostor. K nejznámějším příkladům vektorů patří vektor síly, rychlosti, zrychlení nebo hybnosti. Definice 1.3 : (lineární závislost a nezávislost) Nechť V je lineární prostor nad tělesem T. Nechť vektory u 1, u 2,..., u n V, konstanty a 1, a 2,..., a n T, n N, pak lineární kombinací vektorů u 1, u 2,..., u n nazýváme vektor Jestliže a 1 u 1 + a 2 u a n u n. a 1 u 1 + a 2 u a n u n = 0 a 1 = a 2 = = a n = 0, ( 0 je nulový vektor) pak říkáme, že vektory u 1, u 2,..., u n jsou lineárně nezávislé, v opačném případě jsou lineárně závislé. Příklad 1.3 : Vektory u = (1, 1), v = (2, 1) z prostoru všech uspořádaných dvojic jsou lineárně nezávislé. Cvičení 1.2 : Dokažte, že vektory u = (1, 0), v = (2, 3), w = (1, 1) jsou lineárně závislé.

4 4 Matematická analýza 3 Existence báze vektorového prostoru je důsledkem axiomu výběru: Jestliže M je množina neprázdných množin, potom existuje zobrazení f s definičním oborem M, které každé množině A M přiřadí jistý prvek množiny A, tedy f(a) A. Axiom výběru zformuloval v roce 1904 německý matematik Ernst Friedrich Ferdinand Zermelo ( ). Definice 1.4 : (báze a dimenze prostoru) Vektory e 1, e 2,..., e n V, n N, tvoří bázi lineárního prostoru V nad tělesem T, jestliže i) vektory e 1, e 2,..., e n jsou lineárně nezávislé, ii) u V jsou vektory u, e 1, e 2,..., e n lineárně závislé, tj. existují a 1, a 2,..., a n T : u = a 1 e 1 + a 2 e a n e n. Čísla a 1, a 2,..., a n nazýváme souřadnice vektoru u vzhledem k bázi e 1, e 2,..., e n. Píšeme u = (a 1, a 2,..., a n ). Číslo n N, neboli počet prvků báze, nazýváme dimenze prostoru V. Píšeme dim V = n. Pokud neexistuje konečná báze prostoru V, pak píšeme dim V =. Příklad 1.4 : Prostor (R 3, +, ) všech uspořádaných trojic reálných čísel je vektorový prostor dimenze 3. Cvičení 1.3 : Prostor (C( 0, 1 ), +, ) všech spojitých funkcí na intervalu 0, 1 s operacemi sčítání funkcí a násobení funkcí reálným číslem je vektorový prostor s nekonečnou dimenzí. Definice 1.5 : (norma, skalární součin) Nechť V je vektorový prostor dimenze n nad tělesem R a u = (a 1, a 2,..., a n ) V, potom číslo u = a a a2 n nazveme normou vektoru u. Nechť v = (b 1, b 2,..., b n ) V, potom číslo u v = a 1 b 1 + a 2 b a n b n nazveme skalární součin vektorů u, v. Cvičení 1.4 : Spočítejte normu vektoru u = (1, 1, 3) a skalární součin vektorů u v, pokud v = ( 2, 1, 1). V prostoru nekonečné dimenze jsou předchozí definice normy a skalárního součinu nepoužitelné. Proto zavádíme jejich obecnou formu.

5 Matematická analýza 3 5 Definice 1.6 : (zobecnění normy a skalárního součinu) Nechť V je vektorový prostor nad tělesem R. Zobrazení : V R splňující: i) u V : u 0 a u = 0 u = 0, ii) u V, a R : a u = a u, iii) u, v V : u + v u + v (trojúhelníková nerovnost), se nazývá norma na prostoru V. Říkáme, že V je normovaný lineární prostor. Číslo d = u v nazýváme vzdálenost vektorů u, v. Zobrazení (, ) : V V R splňující i) u, v V : ( u, v) = ( v, u), (komutativita) ii) u, w V, a, b R : (a u + b v, w) = a( u, w) + b( v, w), iii) u V : ( u, u) 0, ( u, u) = 0 u = 0, (linearita) (pozitivní definitnost) se nazývá skalární součin na prostoru V. Říkáme, že V je vektorový prostor se skalárním součinem. Příklad 1.5 : 1 Množina L 2 ( 0, 1 ) = {f; 0 f(x) 2 dx } je nekonečně dimenzionální vektorový prostor s normou f = 1 0 f 2 dx. Zobrazení (f, g) = skalární součin na prostoru L 2 ( 0, 1 ). Cvičení 1.5 : 1 0 f(x) g(x) dx 1 Dokažte, že L 1 ( 0, 1 ) = {f; f dx } 0 je normovaný lineární prostor s normou f = Zobrazení (f, g) = součinem na tomto prostoru f dx. f(x) g(x) dx však není skalárním je

6 6 Matematická analýza 3 Poznámka 1.1 : S pojmem skalárního součinu se velice často setkáme ve fyzice. Například, působí-li síla F po přímočaré dráze směrem s, pak vykoná práci A = F s = F s cos ϕ, kde ϕ je úhel, který svírají vektory F a s. Věta 1.1 : (Vztah skalárního součinu a normy) Nechť V je vektorový prostor se skalárním součinem, potom předpisem u = ( u, u), u V je definovaná norma na prostoru V (indukovaná skalárním součinem) a platí Schwarzova nerovnost: u, v V : ( u, v) u v. (1.1) Důkaz : Dokážeme pouze Schwarzovu nerovnost. Z pozitivní definitnosti skalárního součinu vyplývá a, b R u, v V : 0 (a u + b v, a u + b v) = a 2 ( u, u) + 2ab( u, v) + b 2 ( v, v). { ( u, v) Položíme-li b = ( u, v) pro ( u, v) 0, pak dostaneme 1 pro ( u, v) = 0 0 a 2 u 2 + 2a ( u, v) + v 2. Z poslední nerovnosti vyplývá, že uvedený kvadratický výraz má nekladný diskriminant, tedy 4 ( u, v) 2 4 u 2 v 2 0, neboli ( u, v) u 2 v 2. Cvičení 1.6 : 1) Rozhodněte, kdy ve Schwarzově nerovnosti nastává rovnost. [ Pro lineárně závislé vektory ] 2) Dokažte, že Schwarzova nerovnost je ekvivalentní s trojúhelníkovou nerovností. [ u + v 2 ( u + v ) 2 ( u+ v, u+ v) u 2 +2 u v + v 2 ( u, u)+2( u, v)+( v, v) u u v + v 2 2( u, v) 2 u v. ] Definice 1.7 : (úhel dvou vektorů) Nechť V je vektorový prostor se skalárním součinem a normou u = ( u, u), u V. Číslo ϕ 0, π nazveme úhlem dvou vektorů u, v V, jestliže platí cos ϕ = ( u, v) u v. (1.2) Jestliže ϕ = π 2 (tj. ( u, v) = 0), pak říkáme, že vektory u, v jsou ortogonální, značíme u v. Pokud navíc u = v = 1, pak říkáme, že vektory u, v jsou ortonormální.

7 Matematická analýza 3 7 Definice 1.8 : (afinní prostor) Nechť V je vektorový prostor nad tělesem R, M je neprázdná množina a máme zobrazení ω : M M V, pro které značíme ω(a, B) = AB, kde A, B M, AB V. Jestliže platí i) A M, u V! B M : AB = u, ii) A, B, C M : AB + BC = AC, potom se dvojice (M, V) nazývá afinní prostor s nosičem M (bodově vektorový prostor). Je-li navíc V vektorový prostor se skalárním součinem, pak se dvojice (M, V ) nazývá eukleidovský prostor. Prostor V se nazývá zaměření afinního prostoru a jeho dimenze je zároveň dimenzí afinního prostoru. Prvky množiny M nazýváme body. Poznámka 1.2 : Bodem i) předchozí definice je definována operace sčítání bodu A M a vektoru u V, píšeme A + u = B. Příklad 1.6 : Dvojice (V, V ), kde V je vektorový prostor tvoří afinní prostor. Definice 1.9 : (soustava souřadnic) Nechť (M, V ) je afinní prostor dimenze n, dále bod P M a množina u 1, u 2,..., u n je báze prostoru V. Potom uspořádanou dvojici (P, u 1, u 2,..., u n ) nazveme soustavou souřadnic v prostoru (M, V ), bod P se nazývá počátkem soustavy souřadnic, množiny bodů P + t u, t R, i = 1, 2,..., n se nazývají souřadné osy. Jestliže (M, V ) je eukleidovský prostor se soustavou souřadnic (P, e 1, e 2,..., e n ) a vektory e 1, e 2,..., e n jsou navzájem ortogonální, pak soustava (P, e 1, e 2,..., e n ) se nazývá kartézká souřadná soustava. Poznámka 1.3 : Libovolnému bodu A M přiřazujeme v afinním prostoru (M, V ) se souřadnou soustavou (P, u 1, u 2,..., u n ) takzvaný polohový vektor P A. Příklad 1.7 : Množina všech uspořádaných dvojic reálných čísel vytvoří afinní prostor (R 2, R 2 ), s kartézskou souřadnou soustavou ( (0, 0), {(1, 0), (0, 1)} ).

8 8 Matematická analýza 3 Cvičení 1.7 : Dokažte, že v afinním prostoru (R 2, R 2 ) z předchozího příkladu (1.7) platí cos ϕ = ( u, v) u v, kde ϕ je úhel svíraný vektory u, v R 2. V dalším textu budeme eukleidovský prostor dimenze n s kartézskou souřadnou soustavou a normou indukovanou skalárním součinem značit E n. Definice 1.10 : (vektorový součin) Nechť E 3 je eukleidovský prostor. Zobrazení ω z E 3 E 3 do E 3, píšeme ω( u, v) u v, které splňuje i) jestliže u, v jsou lineárně závislé, pak u v = o, jinak ii) u v = u v sin ϕ, kde ϕ je úhel svíraný vektory u, v. iii) u v u, u v v, iv) uspořádaná trojice u, v, u v je pravotočivá (má kladnou orientaci) nazýváme vektorový součin vektorů u, v. Nechť se v magnetickém poli s indukcí B, pohybuje náboj o velikosti Q rychlostí v, pak na něj působí síla F = Q ( v B). Poznámka 1.4 : i) Bod ii) předchozí definice říká, že velikost plochy rovnoběžníka určeného vektory u, v se rovná velikost vektorového součinu u v. ii) O uspořádané trojici vektorů ( P A, P B, P C) řekneme, že je pravotočivá, jestliže při pohledu z bodu C přejde vektor P A v kladný násobek vektoru P B otočením v kladném směru (proti směru hodinových ručiček) o úhel ϕ < π. Cvičení 1.8 : Nechť E 3 je eukleidovský prostor s pravotočivou kartézskou souřadnou soustavou a u, v E 3. Dokažte, že platí i) u v = v u, ii) u v = u 2 v 2 ( u, v) 2, iii) jestliže u = (a 1, a 2, a 3 ) a v = (b 1, b 2, b 3 ), pak u v = (a 2 b 3 b 2 a 3, a 3 b 1 b 3 a 1, a 1 b 2 b 1 a 2 ).

9 Matematická analýza 3 9 Definice 1.11 : (lineární zobrazení) Řekneme, že zobrazení F : X Y je lineární zobrazení z vektorového prostoru X dimenze n do vektorového prostoru Y dimenze m, jestliže u, v X a, b R: F (a u + b v) = af ( u) + bf ( v). Nechť { e 1, e 2,..., e n } jsou vektory báze v prostoru X a jejich obrazy v prostoru Y jsou {F ( e 1 ), F ( e 2 ),..., F ( e n )}. V souřadnicích prostoru Y píšeme F ( e i ) = (a 1i, a 2i,..., a mi ), i = 1, 2,..., n. Schéma reálných čísel tvaru A = a 11 a 12 a 1n a 21. a 22. a 2n. a m1 a m2 a mn nazýváme matice a říkáme, že matice A reprezentuje lineární zobrazení F. Cvičení 1.9 : Dokažte, že platí F ( u) = A u.

10 10 Matematická analýza 3 2 Křivky Definice 2.1 : (vektorové funkce) Nechť I R. Zobrazení r z množiny I do E 3, t r (t), nazýváme vektorovou funkcí jedné reálné proměnné. Píšeme r (t) = (r 1 (t), r 2 (t), r 3 (t)). Funkce r i, i = 1, 2, 3 nazýváme souřadnice (složky) vektorové funkce r. [Také píšeme r (t) = (x(t), y(t), z(t)).] z r(t) Poznámka 2.1 : V případě, že parametr t je čas, pak množinu koncových bodů polohových vektorů r (t) nazýváme trajektorie pohybujícího se bodu. x I t y Definice 2.2 : (spojitost a derivace vektorové funkce) Řekneme, že vektor r 0 E 3 je limitou vektorové funkce r : I E 3 v bodě t 0, jestliže lim t t0 r (t) r 0 = 0. Řekneme, že vektorová funkce r je spojitá v bodě t 0, jestliže lim t t0 r (t) = r (t 0 ). Vektor r (t 0 ) se nazývá derivace funkce r v bodě t 0 ( r je derivovatelná (diferencovatelná) v bodě t 0 ), jestliže z r (t) r (t) r (t 0 ) lim = r (t 0 ) t t 0 t t 0 ( = d r dt (t 0) = (r 1(t 0 ), r 2(t 0 ), r 3(t 0 )) ). x y Funkce r je spojitá, derivovatelná na I, jestliže je spojitá, derivovatelná v každém bodě množiny I. Cvičení 2.1 : 1. Dokažte, že funkce r je spojitá (derivovatelná) právě tehdy, když je spojitá (derivovatelná) každá její složka. 2. Analogicky k diferenciálu funkce jedné proměnné nadefinujte diferenciál vektorové funkce a n-tou derivaci funkce r. Důsledek 2.1: Z předchozího cvičení vyplývá, že vlastnosti spojitých a derivovatelných funkcí jedné proměnné mají i vektorové funkce. Například ( r (t), s(t)) = ( r (t), s(t)) + ( s (t), r (t)) nebo ( r (t) s(t)) = r (t) s(t) + s (t) r (t).

11 Matematická analýza 3 11 Definice 2.3 : (křivka) Nechť I R je interval. Množina K E 3 se nazývá jednoduchá křivka, jestliže je obrazem vektorové funkce r zobrazující interval I na množinu K a platí i) r je spojitá funkce na I, ii) r je prostá na vnitřku I. Jestliže I = α, β a platí r (α) = r (β), pak se K nazývá uzavřená jednoduchá křivka. Jestliže platí r C n (I) (tzn. r (n) (n-tá derivace) je spojitá na I), pak se K nazývá jednoduchá křivka třídy C n (n-té třídy). Jestliže t I platí r (t) 0, pak se K nazývá regulární jednoduchá křivka. Křivka je po částech regulární jednoduchá křivka třídy C 1. (tzn. až na konečně mnoho bodů je r spojitě diferencovatelná funkce a r (t) 0.) Proměnná t I se nazývá parametr, vektor r (t) E 3 se nazývá průvodič bodu křivky K a funkce r je její parametrická reprezentace. Příklad 2.1 : Množina K obrazů funkce r (t), kde r není prostá funkce z 1. r (t) = (t, t, 0), t R je regulární jednoduchá křivka třídy C. 2. r (t) = (t 3, t 3, 0), t R je jednoduchá křivka, která není regulární v bodě t 0 = 0, (i když se jedná o stejnou přímku jako v příkladu 1). 3. r (t) = (t, t, 0), t 1; 1 je křivka (až na bod t 0 = 0 je regulární a spojitě diferencovatelná). 4. r (t) = (a cos(t), b sin(t), 0), t 0, 2π, a, b R + je uzavřená, regulární jednoduchá křivka třídy C (elipsa). 5. r (t) = (c cos(t), c sin(t), bt), c > 0, b > 0, t 0, 4π je regulární jednoduchá křivka třídy C (dva závity šroubovice). x y

12 12 Matematická analýza 3 Poznámka 2.2 : Křivka může být také zadána pomocí explicitních nebo implicitních rovnic. Explicitně Implicitně v E 2 y = 1 x 2, x 1, 1 x 2 + y 2 = 1 v E 3 y = x, z = x 2, x 0, 2 y x = 0, z x 2 = 0 K přechodům mezi jednotlivými popisy křivky se využívá věta o implicitní funkci z MA2. Cvičení 2.2 : Najděte parametrické vyjádření křivky dané rovnicemi x 2 + y 2 1 = 0, x + y + z 1 = 0, popište její vlastnosti a nakreslete ji. Půlkružnici ležící pod osou x se středem v počátku a poloměrem r =1 lze parametrizovat vztahy x = t, y = 1 t 2, t 1, 1 nebo také x = cos s, y = sin s, s π, 2π, nebo-li t = ϕ(s) = cos s. Věta 2.1 : (transformace parametru) Nechť ϕ : I I je spojitě diferencovatelná funkce z intervalu I na interval I taková, že s I : ϕ (s) 0. Potom funkce r (ϕ(s)) : I K je opět parametrickou reprezentací křivky K. Důkaz : Složením funkcí r a ϕ vznikne po částech regulární spojitě diferencovatelná vektorová funkce. Zbývá ukázat, že je prostá. Z předpokladu ϕ (s) 0 na I plyne, že buď ϕ (s) > 0 nebo ϕ (s) < 0 na I (rozmyslete!). Odtud plyne, že funkce ϕ je ostře monotónní, tedy prostá a složením dvou prostých funkcí vznikne opět prostá funkce. Cvičení 2.3 : Dokažte, že za předpokladů věty 2.1 existuje k funkci ϕ : I I inverzní funkce ϕ 1 : I I, pro kterou platí (ϕ 1 ) (t) 0, t I. Můžeme tedy provést i zpětnou transformaci parametru s = ϕ 1 (t). Definice 2.4 : (tečna křivky) Nechť křivka K je parametrizovaná funkcí r. Vektor derivace r (t 0 ) nazýváme tečný vektor křivky K v bodě t 0. Tečnou křivky K v bodě r (t 0 ) rozumíme přímku y(τ) = r (t 0 ) + r (t 0 ) τ, τ R. Příklad 2.2 : rovnicí x 2 y2 2 Najdeme tečnu k hyperbole dané implicitně = 1 v bodě B = [1, 0]. Použijeme parametrickou reprezentaci (jedné větve) hyperboly: r (t) = (cosh t, 2 sinh t), t R.

13 Matematická analýza 3 13 V bodě B je t 0 = 0 a r (0) = (0, 2). Rovnice tečny má tedy tvar y(τ) = [1, 0] + (0, 2) τ, τ R. Cvičení 2.4 : Ověřte, zda funkce F (x, y) = x 2 y2 2 1 splňuje předpoklady věty o implicitní funkci (z MA2) při řešení funkcionální rovnice F (x, y) = 0 v bodě B. Co víte o derivaci případného řešení v bodě B = [1, 0]? [ Platí F (B) = 0, funkce F je spojitá i spojitě diferencovatelná na okolí bodu B a platí F F F (B) = 2, (B) = 0. Předpoklad (B) 0 x y y tedy není splněn. Můžeme však využít předpokladu F (B) 0 a tvrdit, že na okolí x U(0) existuje funkce x = x(y), x : U(0) R, která řeší funkcionální rovnici F (x, x(y)) = 0 a pro derivaci x F x y (B) platí: (B) = (B) y y F = 0. x (B) Explicitně máme x = 1 + y2 a dx y 2 dy = q = 0. ] y2 2 Definice 2.5 : (délka křivky) Máme křivku K ={ r (t) : t α, β }. Číslo d se nazývá délka křivky K, jestliže pro každé ε > 0 existuje δ > 0 takové, že pro každé dělení D = {α = t 0 < t 1 < < t n = β} intervalu α, β s normou dělení ν(d) = max (t k t k 1 ) < δ, n N, k {1,2,...,n} platí: n r (t k ) r (t k 1 ) d i=1 Pro délku d křivky K platí: < ε. V literatuře se také uvádí, že křivka K, která má délku d, je rektifikovatelná křivka. β d = β r (t) dt = (r 1 (t))2 + (r 2 (t))2 + (r 3 (t))2 dt. (2.1) α Položíme-li α t s(t) = r (τ) dτ, (2.2) α potom funkce s: α, β I je rostoucí, spojitá a existuje k ní inverzní funkce ϕ: I α, β. Položíme t = ϕ(s) a dostaneme novou parametrizaci křivky K. Hovoříme o přirozené parametrizaci křivky. Parametr s se nazývá oblouková délka.

14 14 Matematická analýza 3 Cvičení 2.5 : Derivace podle obloukové délky (oblouku) se obvykle značí tečkou. Vektor r(s) je jednotkový tečný vektor křivky K. a) Ověřte, že funkce s = s(t) ze vztahu (2.2) je rostoucí a spojitě diferencovatelná. [ ds dt = r 0 ] b) Ukažte, že pro derivaci vektorové funkce r podle obloukové délky s platí r(s) = d r = 1. ds [ d r ds = d r dt dt ds = d r 1 = 1 ] dt r

15 Matematická analýza Křivkové integrály, Greenova věta 3.1 Křivkové integrály Definice 3.1 : (orientace křivky) Řekneme, že křivka K = { r (t) : t α, β } má orientaci, jestliže má počáteční a koncový bod. Jestliže r (α) je počáteční a r (β) je koncový bod, pak má křivka K kladnou orientaci, značíme K +. Hovoříme o orientaci, která je indukovaná parametrizací. V opačném případě hovoříme o záporné orientaci, značíme K. U uzavřené křivky K, která je hranicí množiny Ω E 2 ( Ω = K) hovoříme o kladné orientaci, pokud při obíhání křivky ve směru orientace zůstává množina Ω po levé straně (oběh proti směru hodinových ručiček). Definice 3.2 : (křivkové integrály) Mějme křivku K = { r (t) : t α, β } s orientací indukovanou parametrizací. Nechť D = {α = t 0 < t 1 < < t n = β} je dělení intervalu α, β, potom body r (t k ), k = 0, 1,..., n tvoří dělení D(K) křivky K (rozmyslete proč). Označíme r k = r (t k ) r (t k 1 ), r ki = r i (t k ) r i (t k 1 ), s k = r k, i = 1, 2, 3, k = 1,..., n. K funkci f : K R definujeme integrální součty rovnostmi J(f, D(K)) = n f( r (ξ k )) s k, k=1 J i (f, D(K + )) = n f( r (τ k )) r ki, i = 1, 2, 3, k=1 kde t k 1 τ k, ξ k t k, k = 1, 2,..., n. Jestliže níže uvedené limity existují, pak křivkový integrál 1. druhu definujeme vztahem K f( r ) ds = max k lim s k 0 J(f, D(K), (3.1) a křivkový integrál 2. druhu definujeme vztahem: f( r ) dr i = lim J i(f, D(K + )), i = 1, 2, 3, (3.2) max s k 0 K + k Orientace indukovaná parametrizací α α K + β Kladně orientovaná uzavřená křivka x z r(t k 1 ) K + t k 1 t k r k r(t k ) β y

16 16 Matematická analýza 3 Poznámka 3.1 : Integrál přes uzavřenou křivku se značí f( r ) ds. K Použimeje-li značení r = (x, y, z), pak pro i = 1 dostaneme pro křivkový integrál druhého druhu zápis f(x, y, z) dx K + a křivkový integrál prvního druhu má tvar K f(x, y, z) ds. Podobně jako integrál funkce jedné reálné proměnné vyjadřuje plochu pod grafem funkce, pomocí křivkového integrálu prvního druhu spočítáme plochu mezi křivkou a funkcí. Povrch válce (bez podstav) o výšce v a poloměru r dostaneme jako integrál z funkce f(x, y, z) = v přes kružnici K : x = r cos t, y = r sin t, z = 0, t 0, 2π. Tedy f( r ) ds = 2π 0 K vr dt = 2πrv. Věta 3.1 : (výpočet křivkových integrálů) Nechť K = { r (t) : t α, β } je orientovaná křivka a funkce f : K R je spojitá, potom níže uvedené křivkové integrály existují a platí β f( r ) ds = f( r (t)) r (t) dt. (3.3) K K + f( r ) dr i = β α α f( r (t)) r i(t) dt, i = 1, 2, 3, (3.4) Poznámka 3.2 : 1. Z definice křivkového integrálu vyplývá, že splňuje následující vztahy i) (af + bg) ds = a f ds + b g ds, K K K ii) f ds = f ds + f ds. K 1 K 2 K 1 K 2 2. Pro křivkový integrál 2. druhu platí K + f( r ) dr i = K f( r ) dr i a, b R 3. Jestliže křivka K + leží na ploše dané grafem funkce z = z(x, y) a K xy + je ortogonální průmět křivky K + do roviny-xy, potom platí f( r ) dx = f(x, y, z) dx = f(x, y, z(x, y)) dx. K + K + K + xy 4. Křivkový integrál 2. druhu se často používá ve tvaru v d r = v 1 dr 1 + v 2 dr 2 + v 3 dr 3 = v 1 dx + v 2 dy + K + K + K + v 3 dz = v d s, kde v : K E 3 je vektorová funkce. K + (Například pro výpočet práce F po dráze s.)

17 Matematická analýza 3 17 Příklad 3.1 : Nechť K = K 1 K 2, kde K 1 je část paraboly y = x 2, x 0, 1, K 2 je úsečka y = x, x 0, 1. Vypočítáme statický moment S y křivky K vzhledem k ose y, tj. S y = x ds. K Zřejmě K x ds = K 1 x ds + K 2 x ds. y K Parametrizujeme-li křivky: K 1 pomocí funkce r 1 (t) = (t, t 2 ); K 2 pomocí funkce r 2 (t) = (t, t), t 0, 1, potom 1 x ds = t [ ] u = 1 + 4t t 2 dt = = 1 5 K 1 0 du = 8t dt 8 u du 1 = 1 8 [u3 2 3 ] = 1 12 ( ) ; x ds = t 2 dt = K 2 0 Odtud vyplývá, že statický moment S y = Poznamenejme, že pokud křivku lze popsat pomocí grafu funkce y = y(x), pak ds = ( dx) 2 + ( dy) 2 = 1 + ( dy dx )2 dx. x 1 Odtud plyne f(x, y) ds = f(x, y(x)) 1 + (y (x) 2 ) dx. K x 0 Tedy pro K 1 : y = x 2 a K 2 : y = x, x 0, 1 dostaneme S y = 1 0 x 1 + (2x) 2 dx x 1 + (1) 2 dx. x Cvičení 3.1 : 1. Vypočítejte K v d s = K x 2 y dx + (x 2) dy + xy 2 dz, kde K = (x, x 2, 2) s počátečním bodem A = [0, 0, 2] a koncovým bodem B = [1, 1, 2]. [ 1 0 x 2 x 2 dx + (x 2) 2x dx = = ] 2. Vypočítejte stejný integrál jako v předchozím příkladě, pro K = (x, x, 2) opět od A = [0, 0, 2] do B = [1, 1, 2]. [ 1 0 x 3 dx + (x 2) dx = = 5 4 ] Výše uvedené příklady ukazují, že křivkový integrál závisí na cestě K, po které jdeme z bodu A do bodu B. Nezávislost na cestě budeme diskutovat v kapitole 7.

18 18 Matematická analýza 3 y Cykloida x Cvičení 3.2 : V rovině E 2 stanovte délku d jednoho oblouku cykloidy K daného rovnicemi: x = ϱ(t sin t), ϱ R y = ϱ(1 cos t), t 0, 2π 2ϱ 0 2π [ d = ds = ϱ (1 cos t) 2 + (sin x) 2 dt = ϱ K 0 π sin t dt = 4ϱ[ ] cos t 2π = 8ϱ. ] π cos t dt = Definice 3.3 : (cirkulace vektorového pole) Mějme uzavřenou křivku K + a vektorové pole f : K + E 3, potom píšeme f( r ) d r = f d r a hovoříme o cirkulaci vek- K K torového pole f po uzavřené křivce K. Příklad 3.2 : Uvažujeme hmotný bod, na který působí síla F po dráze (křivce) K určené vektorovou funkcí r (t), kde t je nyní čas. Potom vykonaná práce W je dána vztahem: t 1 W = F d r = F ( r (t)) d r dt dt, kde t 0, t 1 jsou počáteční K t 0 a konečný čas pokusu. Položíme d r dt = v, pak v je rychlost hmotného bodu. Z druhého Newtonova zákona vyplývá, že F = m d2 r dt = m v a můžeme psát 2 t 1 W = m v v dt = t 0 t 1 t 0 m d dt ( 1 2 m v(t 1 ) 2 v(t 0 ) ). 2 v v 2 dt = 1 2 m[ v(t) 2] t 1 t 0 = 3.2 Greenova věta Definice 3.4 : (souvislá a jednoduše souvislá množina) Množina Ω E 3 se nazývá souvislá, jestliže každé dva její body lze spojit křivkou ležící v Ω. Množina Ω E 3 se nazývá jednoduše souvislá, jestliže její hranice Ω je tvořena jednou uzavřenou křivkou.

19 Matematická analýza 3 19 Věta 3.2 : (Greenova věta v rovině) Nechť K + je kladně orientovaná uzavřená křivka, která tvoří hranici množiny Ω E 2, ( Ω + = K + ). Nechť funkce f 1, f 2 mají spojité parciální derivace na Ω, píšeme f 1, f 2 C 1 (Ω), (Ω = Ω Ω), potom platí ( f2 x f ) 1 dxdy = f 1 dx + f 2 dy. (3.5) y Ω Ω Důkaz : Nejdříve uvažujeme + množinu Ω popsatelnou funkcemi, tedy existují funkce y 1 (x), y 2 (x) : a, b R a funkce x 1 (y), x 2 (y) : c, d R takové, že [x, y] Ω platí: Jestliže a x b, pak y 1 (x) y y 2 (x) a zároveň jestliže c y d, pak x 1 (y) x x 2 (y). Potom z Fubiniovy věty pro dvojný integrál vyplývá Ω f 1 y dxdy = = = b a b a b a ( y 2 (x) y 1 (x) ) f 1 y dy dx [ f1 (x, y 1 (x)) f 1 (x, y 2 (x)) ] dx f 1 (x, y 1 (x)) dx + a b f 1 (x, y 2 (x)) dx. Protože grafy funkcí y 1, y 2 tvoří hranici Ω + (u funkce y 2 jdeme po grafu z bodu [b, y 2 (b)] do bodu [a, y 2 (a)]), můžeme poslední dva integrály brát jako křivkové integrály po hranici Ω +. Tedy Ω Podobně odvodíme f 2 x dxdy = Ω = d c f 1 y dxdy = d ( x 2(y) f 2 (x 2 (y), y) dy + c x 1 (y) c d Ω + f 1 dx. (3.6) f 2 x dx ) dy (3.7) f 2 (x 1 (y), y) dy = Ω + f 2 dy. Sečtením vztahů (3.6) a (3.7) dostaneme tvrzení věty. Množina popsatelná funkcemi d c y y a Ω y 2 y 1 b x 1 x 2 Ω obr. 1 x x

20 20 Matematická analýza 3 Část hranice rovnoběžná s osou y K 1 a K 2 K 3 Ω obr. 2 y 2 y 1 y Ω=Ω 1 Ω 2 Ω 1 Ω 2 b x V případě, že část K 1 hranice Ω + je rovnoběžná s osou y jako na obrázku 2, pak zřejmě K 1 f(x, y) dx = 0. Greenova věta tedy platí i pro oblast Ω z obrázku 2, neboť f(x, y) dx = f(x, y) dx + f(x, y) dx + f(x, y) dx = Ω + K 1 K 2 K 3 b a f(x, y 1 (x)) dx + a b f(x, y 2 (x)) dx. V případě, že množinu Ω nelze rovnou popsat funkcemi, pak Greenova věta platí, pokud se Ω podaří rozdělit na konečný počet množin omezených funkcemi, viz obrázek 3. Díky opačné orientaci se hodnoty křivkových integrálů přes společnou hranici K s odečtou a platí = Ω Ω 1 + Ω 2. K s 3.3 Důsledky Greenovy věty obr. 3 Jakobián det J Φ popisuje deformaci plochy při zobrazení Φ. Například funkce Φ: x = u+v, y = u+v má det J Φ = 0 a zobrazí celou rovinu na přímku y = x. x Důsledek 3.1: 1. (Výpočet plochy) Nechť množina Ω splňuje předpoklady Greenovy věty, pak její plochu meas (Ω) můžeme spočítat ze vztahu: meas (Ω) = 1 x dy y dx. (3.8) 2 Ω + Důsledek 3.2: 2. (Jakobián) Nechť Φ : x = r 1 (u, v), y = r 2 (u, v) je regulární transformace z oblasti Ω uv do oblasti Ω xy, (tzn. det J Φ 0). Nechť Ω 1 Ω uv a Φ(Ω 1 ) = Ω Ω xy, pak platí: meas Ω = = ± Ω 1 = ± ± Ω 1 Ω + x dy = ± Ω + 1 r 1 ( r2 u du + r ) 2 v dv = ( ( r 1 r ) 2 ( r 1 r )) 2 du dv = u v v u ( r1 u r 2 v r 1 v r ) 2 du dv = u Ω 1 r 1 u r 2 u r 1 v r 2 v du dv meas Ω meas Ω 1 det J Φ.

21 Matematická analýza 3 21 Cvičení 3.3 : a) Pomocí vztahu (3.8) spočítejte plochu elipsy. b) Převeďte vztah (3.8) do polárních souřadnic. [ πab. ] [ meas Ω = 1 r 2 dϕ. ] 2 Ω +

22 22 Matematická analýza 3 4 Operátory skalárních a vektorových polí Definice 4.1 : (gradient) Nechť f : D R, D E 3, f = f(x, y, z), A D, je diferencovatelné skalární pole (neboli diferencovatelná funkce tří reálných proměnných), potom vektor ( ) f f f grad f(a) = (A), (A), x y z (A) se nazývá gradient skalární funkce f v bodě A. Poznámka 4.1 : 1. Pro derivaci funkce f podle vektoru s v bodě A platí (A) (= grad f(a) s, jestliže f je f(a+t s) f(a) lim t 0 t diferencovatelná). = f s 2. Zavedeme-li (vektorový) diferenciální operátor nabla ( = x, y, ), z pak píšeme grad f = f. Operátor se také nazývá Hamiltonův operátor. 3. Směr největšího růstu funkce f z bodu A = [x 0, y 0, z 0 ] grad f(a) popisuje vektor n = grad f(a). Vektor n je kolmý k hladině S = {[x, y, z] E 3 : f(x, y, z) = f(a)}. Zároveň je n jednotkový normálový vektor tečné nadroviny ϱ k hladině S v bodě A. Rovina ϱ je určena rovností f x (A)(x x 0) + f y (A)(y y 0) + f z (A)(z z 0) = 0. Cvičení 4.1 : Najděte v bodě A = [1, 1, 3] tečnou rovinu ke kuželu, který je zadán rovnicí z 2 = 9 2 (x2 + y 2 ). [Kužel je nulovou hladinou funkce f = 9 2 (x2 + y 2 ) z 2. Platí grad f = (9x, 9y, 2z) a normálový vektor v bodě A grad f(a) je n = grad f(a) = (9,9, 6) 92 = (3,3, 2) Tečná rovina má tedy tvar ϱ : 3(x 1) + 3(y 1) 2(z 3) = 0.]

23 Matematická analýza 3 23 Příklad 4.1 : (Příklad 2.2 znova) Uvažujeme funkci f(x, y) = x 2 2y 2 1, potom hladina S = {[x, y] E 2 : f(x, y) = 0} je křivka z příkladu 2.2. Najdeme tečný a normálový vektor k hladině S v bodě B = [1, 0]. f(b) f(b) Gradient funkce f v bodě B je vektor grad f(b) = (2, 0). Jednotkový normálový vektor k hladině S v bodě B je n = (1, 0) =. Tečný vektor v bodě B je podle příkladu 2.2 vektor r (0) = (0, 2). Platí r (0) n = 0. Poznámka 4.2 : Obecně každá přímka p : B + t v, pro kterou v r = 0 a r je tečný vektor ke křivce v bodě B, se nazývá normálová přímka křivky. Definice 4.2 : (vnější normálový vektor) Nechť uzavřená křivka K = { r (t) : t I} je hranicí množiny Ω E 2. Potom r (t 0 ) = (x (t 0 ), y (t 0 )) je tečný vektor ke hranici Ω v každém bodě r (t 0 ) a vektor n = (y (t 0 ), x (t 0 )) se nazývá vnější normálový vektor množiny Ω. Směřuje ven z množiny Ω. Definice 4.3 : (divergence) Nechť vektorová funkce v : E 3 E 3 je diferencovatelná, potom funkce div v = v 1 x + v 2 y + v 3 z se nazývá divergence funkce v ( nebo divergence vektorového pole definovaného funkcí v ). Použijeme-li Hamiltonův operátor, pak div v = v. Poznámka 4.3 : Pokud funkce v popisuje rychlost tekutiny, potom div v představuje objem tekutiny, která vyteče z jednotky objemu tekutiny za jednotku času. Cvičení 4.2 : Položte v = (f 2, f 1 ) a dokažte, že Greenova věta má tvar div v dxdy = v n ds, Ω Ω + kde n je jednotkový vektor vnější normály a s je oblouková délka. [ div v = f 2 x f 1 y a v n ds = (f 2, f 1 ) (f 2, f 1 ) ( dy, ) dx dt ds = f dt dt ds 1dx + f 2 dy ] ( ) dy dx, r dt dt ( ) 2+ ( dy dx dt dt ) 2 ds =

24 24 Matematická analýza 3 Poznámka 4.4 : (nezřídlové pole) Pro nestlačitelné tekutiny je div v = 0 (tzv. nezřídlové pole) a z předchozího cvičení plyne, že platí vztah v n ds = 0, Ω + který tvrdí, že co vteče, to vyteče. V literatuře se často setkáme se značením e 1 = i, e 2 = j, e 3 = k, potom i j k rot v = x y z v 1 v 2 v. 3 Definice 4.4 : (rotace) Nechť vektorová funkce v : E 3 E 3 je diferencovatelná fukce, potom vektorová funkce ( v3 rot v = y v 2 z, v 1 z v 3 x, v 2 x v ) 1 y se nazývá rotace funkce v ( nebo rotace vektorového pole v). Pro lepší zapamatování píšeme rotaci ve tvaru e 1 e 2 e 3 rot v = v = x y z v 1 v 2 v. 3 x z ω γ d B r=(x,y,z) y Poznámka 4.5 : (fyzikální význam rotace) Máme tuhé těleso, které se otáčí kolem osy otáčení o (je totožná se souřadnou osou z) konstantní úhlovou rychlostí ω. Zvolíme vektor ω takový, že ω = ω, ω = (0, 0, ω) a při pohledu ve směru vektoru ω se těleso otáčí ve směru hodinových ručiček (pravotočivý systém). Označíme d vzdálenost bodu B otáčejícího se tělesa od osy otáčení o, potom rychlost v otáčení bodu B má velikost ω d. Jestliže vektor r = (x, y, z) je průvodič bodu B, potom d = r sin γ, kde γ je úhel vektorů r a ω. Odtud plyne ω d = ω r sin γ = ω r. Zároveň v ω, v r a vektory ω, r, v tvoří pravotočivý systém. Tedy v = ω r, v = (0, 0, ω) (x, y, z) = ( ωy, ωx, 0) a rot v = (0, 0, 2 ω). Odtud vyplývá, že pro vektorové pole ω popisující rychlost bodů otáčejícího se tělesa platí rot v = 2 ω.

25 Matematická analýza 3 25 Cvičení 4.3 : a) Dokažte, že platí rot (grad f) = 0. b) Dokažte, že Greenovu větu lze psát ve tvaru rot v e 3 dxdy = v τ ds, Ω Ω + kde τ je jednotkový tečný vektor ke hranici Ω, s je oblouková délka a v = (v 1, v 2, v 3 ). [ rot v e 3 = v 2 x v 1 y a τ = r (v 1, v 2, v 3 ) (dx,dy,0) ds ds = v 1 dx + v 2 dy ] ) dx dt, dy dt,0 ( = r r ( ) 2+ ( dx dt dy dt ) 2 = (dx,dy,0) ds

26 26 Matematická analýza 3 5 Plochy Definice 5.1 : (plocha v E 3 ) Nechť Ω E 2 je jednoduše souvislá množina jejíž hranice Ω je tvořena křivkou konečné délky. Množina S E 3 se nazývá jednoduchá plocha, jestliže je obrazem vektorové funkce r zobrazující množinu Ω na množinu S (S ={ r (u, v)=(r 1 (u, v), r 2 (u, v), r 3 (u, v)) : [u, v] Ω}) a platí i) r je spojitá funkce na Ω, ii) r je prostá na vnitřku Ω. Jestliže Ω = Ω (tj. Ω je uzavřená) a až na konečně mnoho bodů [u 0, v 0 ] Ω [u 1, v 1 ] Ω tak, že [u 0, v 0 ] [u 1, v 1 ] a r ([u 0, v 0 ]) = r ([u 1, v 1 ]), pak se S nazývá uzavřená jednoduchá plocha. Jestliže platí r C n (Ω) (tzn. r (n) (n-tá derivace) je spojitá na Ω), pak se S nazývá jednoduchá plocha třídy C n (n-té třídy). Jestliže [u, v] Ω platí r r (u, v) (u, v) 0, u v pak se S nazývá regulární jednoduchá plocha. Jestliže S je souvislá množina, kterou můžeme rozdělit na konečný počet regulárních jednoduchých ploch třídy C 1, pak se S nazývá po částech hladká plocha, zkráceně plocha. Proměnné u, v se nazývají parametry, vektor r (u 0, v 0 ) se nazývá průvodič bodu plochy S a funkce r je její parametrická reprezentace. Obraz hranice Ω, tedy množina se nazývá okraj plochy S. S = { r (u, v) : [u, v] Ω} Příklad 5.1 : Povrch koule je uzavřená (hladká plocha), povrch krychle je uzavřená po částech hladká plocha.

27 Matematická analýza 3 27 Definice 5.2 : (parametrické křivky) Nechť S = { r (u, v) : [u, v] Ω} je plocha. Křivka K u = { r (u, v 0 ) : [u, v 0 ] Ω, v 0 je konstantní} se nazývá u-křivka na ploše S. Křivka K v = { r (u 0, v) : [u 0, v] Ω, u 0 je konstantní} se nazývá v-křivka na ploše S. Příklad 5.2 : (parametrická reprezentace sféry) Povrch koule, tedy sféra má parametrickou reprezentaci r (u, v) = (ϱ cos u cos v, ϱ sin u cos v, ϱ sin v), kde ϱ R + je konstantní a Ω = {[u, v] R 2 : 0 u 2π, π 2 v π 2 }. Parametrické křivky mají tvar K u = (ϱ cos u cos v 0, ϱ sin u cos v 0, ϱ sin v 0 ) - u-křivka ( rovnoběžka ) K v = (ϱ cos u 0 cos v, ϱ sin u 0 cos v, ϱ sin v) - v-křivka ( poledník ) a jejich tečné vektory jsou r u = r v = ( ϱ sin u cos v 0, ϱ cos u cos v 0, 0) (ke K u ), r v = r v = ( ϱ cos u 0 sin v, ϱ sin u 0 sin v, ϱ cos v) (ke K v ). Vektorový součin těchto vektorů má tvar r u r v = (ϱ 2 cos u cos 2 v, ϱ 2 sin u cos 2 v, ϱ 2 sin v cos v). Označíme n = r u r v r u r v, pak trojice vektorů ( r u, r v, n) tvoří pravotočivý systém a vektor n je jednotkový vektor vnější normály k ploše S (směřuje ven). Cvičení 5.1 : 1. Nechť f(x, y, z) = x 2 + y 2 + z 2 ϱ 2. Čím je tvořena nulová hladina f(x, y, z) = 0 a jaký je vztah grad f a vektoru n z předchozího příkladu (5.2)? 2. Popište plochy tvořené funkcemi: S 1 : r = (u cos v, u sin v, 2u), u 0, 4, v 0, 2π, S 2 : r = ((a+b cos v) cos u, (a+b cos v) sin u, b sin v), u 0, 2π, v 0, 2π, a, b > 0. [ Plochu S 1 tvoří kužel s vrcholem v počátku. Plochou S 2 je pneumatika. ]

28 28 Matematická analýza 3 Definice 5.3 : (tečná rovina) Nechť S = { r (u, v) : [u, v] Ω} je hladká plocha. Položíme A = r(u 0, v 0 ), [u 0, v 0 ] Ω, pak tečná rovina k ploše S v bodě A je tvořena body: Pro parciální derivaci se velmi často používá zkrácené značení r u = r u, potom n = ± r u r v r u r v. A + t r u (u 0, v 0 ) + s r v (u 0, v 0 ), t, s R. Jednotkový normálový vektor n k ploše S v bodě A je dán vztahem r u n = ± (u 0, v 0 ) r v (u 0, v 0 ) r u (u 0, v 0 ) r v (u 0, v 0 ). (5.1) Poznámka 5.1 : Transformací (u, v) = f(ũ, ṽ), pro kterou u = ũ, v = ṽ změníme orientaci normálového vektoru n v opačnou. Tatáž změna orientace nastane, pokud použijeme transformaci f = (f 1, f 2 ), jejíž jakobián J = (f 1,f 2 ) (ũ,ṽ) = f 1 f 1 ũ ṽ je záporný. f 2 ũ f 2 ṽ Uvažujeme malou část tečné roviny, rovnoběžník o stranách r u (u 0, v 0 ) u, r v (u 0, v 0 ) v, ( u = u u 0, v = v v 0 ), potom jeho velikost (plocha) je dána vztahem: S = r r u u u v. (5.2) Z cvičení (1.8) vyplývá, že r u r v 2 = r 2 r 2 u u ( r u, v) r 2. Odtud dostaneme následující definici velikosti plochy: Definice 5.4 : (velikost plochy) Nechť S = { r (u, v) : [u, v] Ω} je hladká plocha, potom její velikost P je dána vztahem: r P = 2 r 2 ( r u u u, r ) 2 dudv = r u r v dudv. v Ω Ω (5.3) Cvičení 5.2 : Určete velikost povrchu pneumatiky, která je dána funkcí r (u, v)=(a+cos v) cos u, (a+cos v) sin u, sin v), u 0, 2π, v 0, 2π, a > 0. [ 4π 2 a ]

29 Matematická analýza 3 29 Poznámka 5.2 : Jestliže plocha S je popsána explicitně jako graf funkce z = f(x, y), [x, y] S xy, (S xy je ortogonální projekce plochy S do roviny xy), potom její velikost P je dána vztahem: ( f ) 2 ( f ) 2 P = dxdy. (5.4) x y S xy Cvičení 5.3 : Dokažte vztah (5.4) pomocí vztahu (5.3). [ Položíme u = x, v = y, r (u, v) = r (u, v) = (x, y, f(x, y)), potom r u = r x f r = (1, 0, ), x = r v y (1 + ( f x )2 ) (1 + ( f y )2 ) ( f x f = (1, 0, ) a r y u 2 r f y )2 = 1 + ( f x )2 + ( f y )2 ] v 2 ( r, r u v )2 =

30 30 Matematická analýza 3 6 Plošné integrály, Gausova věta, Stokesova věta 6.1 Orientovaná plocha Definice 6.1 : (orientovaná plocha) O ploše S = { r (u, v) : (u, v) Ω} řekneme, že je orientovaná, jestliže u ní rozlišujeme dvě strany, obvykle vnější a vnitřní (také horní a dolní). V každém bodě plochy zvolíme jednotkový normálový vektor n (pokud existuje) tak, že směřuje stále na stejnou stranu plochy S. Jestliže n = r u r v r u r v ( r u r v r u r v ), pak říkáme, že plocha S je orientovaná souhlasně (nesouhlasně) se svou parametrizací. Značíme S = S +, (S = S ). U uzavřených ploch, tj. u povrchů těles, hovoříme o vnější (vnitřní) straně a vnější (vnitřní) normále n, pokud vektor n směřuje ven z (dovnitř) tělesa. O ploše S říkáme, že je orientovaná souhlasně (nesouhlasně) se svým okrajem, jestliže při obíhání po tomto kraji ve smyslu orientace je vnější strana plochy S, po levé (pravé) ruce. Příklad 6.1 : 1. Sféra z příkladu 5.2 je orientovaná souhlasně se svou parametrizací. 2. Möbiuv list se nedá orientovat, má pouze jednu stranu. Jeho parametrizace je dána následující funkcí r (u, v) = ((1 + u sin(v/2)) cos v, (1 + u sin(v/2)) sin v, u cos(v/2)), (u, v) 1/2, 1/2 0, 2π. Definice 6.2 : (vnitřní průměr plochy) Máme plochu S, body A, B S a množinu K všech křivek K S spojujících body A, B. Označíme d(k) délku křivky K. Potom číslo d(s) = sup A,B S nazveme vnitřním průměrem plochy S. inf d(k) (6.1) K K Cvičení 6.1 : Určete vnitřní průměr d(s) sféry S z příkladu (5.2) [ d(s) = πϱ ]

31 Matematická analýza Plošné integrály Definice 6.3 : (plošné integrály) Mějme plochu S = { r (u, v) : (u, v) Ω}, která je orientovaná souhlasně se svou parametrizací. Nechť D(Ω) = {Ω 1, Ω 2,..., Ω n } je dělení množiny Ω, potom plochy S k = { r (u, v) : (u, v) Ω k } tvoří dělení D(S) plochy S (Proč?). Zvolíme bod [u k, v k ] Ω k, potom r (u k, v k ) S k a n(u k, v k ) = (n k1, n k2, n k3 ) je jednotkový normálový vektor k ploše S k v bodě r (u k, v k ). Označíme S k velikost plochy S k. K funkci f : S R definujeme integrální součty rovnostmi: a n 1 J(f, D(S)) = f( r (u k, v k )) S k, k=0 n 1 J i (f, D(S + )) = f( r (u k, v k )) n ki S k, i = 1, 2, 3. k=0 Jestliže níže uvedené limity existují, potom plošný integrál 1. druhu definujeme vztahem: S f( r ) ds = max k lim d(s k ) 0 J(f, D(S)), (6.2) plošný integrál 2. druhu definujeme vztahem: f( r ) n i ds = lim J i(f, D(S + )), i = 1, 2, 3. max d(s k ) 0 S + k (6.3) Poznámka 6.1 : 1. Plošný integrál 2. druhu závisí na orientaci jednotkového normálového vektoru n = (n 1, n 2, n 3 ) a často se používá pro vektorovou funkci v = (v 1, v 2, v 3 ) ve tvaru v n ds = v 1 n 1 + v 2 n 2 + v 3 n 3 ds. S + S + Hovoříme o plošném integrálu z vektorového pole nebo o toku vektorového pole plochou S.

32 32 Matematická analýza 3 2. Označíme-li α, β, γ úhly, které svírá jednotkový normálový vektor n s osami x, y, z (v kladném směru), potom platí n = (cos α, cos β, cos γ), cos 2 α + cos 2 β + cos 2 γ = 1 a pro plošný integrál druhého druhu dostaneme S + S + f( r ) n 1 ds = f( r ) cos α ds = f( r ) dydz, S + yz S + S + S xz + f( r ) n 2 ds = f( r ) cos β ds = S + S + f( r ) n 3 ds = f( r ) cos γ ds = S + xy kde S + xy je průmět plochy S + do roviny-xy ap. f( r ) dxdz, f( r ) dxdy, 3. Pokud S je uzavřená plocha a n je jednotkový vektor vnější normály, potom píšeme f( r ) n i ds = f( r ) n i ds. S + S + Věta 6.1 : (výpočet plošných integrálů) Nechť S = { r (u, v) : (u, v) Ω} je plocha a f : S R je spojitá funkce, potom níže uvedené plošné integrály existují a platí f( r ) ds = f( r (u, v)) r u r v du dv. (6.4) S Ω Jestliže S = S +, pak f( r ) n 3 ds = S + Ω f( r (u, v)) (r 1, r 2 ) (u, v) du dv. (6.5) Pro spojitou vektorovou funkci v : S R dostaneme v n ds = v ( r u r v ) du dv. (6.6) S + Ω

33 Matematická analýza 3 33 Důkaz : Rovnost (6.4) plyne ze vztahu (5.2) pro velikost plochy, kde ds = r u r v du dv. Ze vztahu (5.1) pro jednotkový normálový vektor n = r u r v r u r v vyplývá n ds = r u r v r u r v r u r v du dv = r u r v du dv a odtud dostaneme rovnost (6.6). Rovnost (6.5) plyne z následujících úprav n 3 ds = ( (0, 0, 1), n ) ds = (0, 0, 1) ( r u r v ) du dv = r 1 u r 1 v r 2 u r 2 v r 3 u r 3 v du dv = (r 1,r 2 ) (u,v) du dv. (Podobně lze samozřejmě upravit i n 1 ds a n 2 ds.) Pro smíšený součin tří vektorů platí w 1 w 2 w 3 w ( u v) = u 1 u 2 u 3 v 1 v 2 v 3. Poznámka 6.2 : Jestliže plocha S je tvořena grafem funkce z = z(x, y) a S xy je ortogonální průmět plochy S do rovinyxy, pak platí S + f( r ) n 3 ds = S xy f(x, y, z(x, y)) dx dy. (6.7) Cvičení 6.2 : Jestliže plocha S je tvořena grafem funkce z = z(x, y) a S xy je ortogonální průmět plochy S do rovinyxy, pak dokažte, že platí f( r ) ds = S + S xy f(x, y, z(x, y)) 1+ ( z x ) 2+ ( z y) 2 dx dy. (6.8) 6.3 Gaussova věta Věta 6.2 : (Gaussova věta) Nechť V je omezené těleso, jehož hranice je tvořena kladně orientovanou uzavřenou plochou S. Nechť vektorová funkce v C 1 (V ), potom platí div v dv = v n ds, (6.9) V kde n je jednotkový vektor vnější normály k ploše S. S

34 34 Matematická analýza 3 Důkaz : Přepíšeme rovnost (6.9) do tvaru ( v1 x + v 2 y + v ) 3 dxdydz = (v 1 n 1 +v 2 n 2 +v 3 n 3 ) ds. z V Vidíme, že stačí postupně pro i = 1, 2, 3 dokázat rovnosti v i dv = v i n i ds, kde r 1 = x, r 2 = y, r 3 = z. r i V S (6.10) Budeme předpokládat, že těleso V lze popsat funkcemi, to znamená, že existují funkce z 1 (x, y), z 2 (x, y) a platí V = {[x, y, z] R 3 : z 1 (x, y) z z 2 (x, y), [x, y] V xy }, kde V xy je ortogonální průmět tělesa V do roviny-xy. Dokážeme vztah (6.10) pro i = 3. Platí V v 3 z dxdydz = V xy S z 2 (x,y) z 1 (x,y) v 3 z dxdy = (6.11) V xy [v 3 (x, y, z 2 (x, y)) v 3 (x, y, z 1 (x, y))] dxdy. V xy Povrch tělesa V označíme S, potom V xy = S xy. Položíme S = S 1 S 2 S z tak, že povrch S 1 je tvořen grafem funkce z 1, povrch S 2 je tvořen grafem funkce z 2 a povrch S z je rovnoběžný s osou z. Na ploše S 1 je n 3 < 0 (tedy S 1 = S1 ), na ploše S 2 je n 3 > 0 (S 2 = S 2 + ) a na S z je n 3 = 0. Odtud a ze vztahu (6.7) vyplývá [v 3 (x, y, z 2 (x, y)) v 3 (x, y, z 1 (x, y))] dxdy = v 3 (x, y, z 2 (x, y)) dxdy v 3 (x, y, z 1 (x, y)) dxdy = S xy S 2 v 3 n 3 ds + v 3 n 3 ds + S 1 S xy v 3 0 ds = v 3 n 3 ds. S z S Dokázali jsme platnost rovnosti (6.10) pro i = 3. Pro i = 1, 2 je důkaz podobný.

35 Matematická analýza 3 35 Pro těleso V, které vznikne sjednocením konečného počtu těles popsatelných funkcemi, dostaneme tvrzení věty součtem přes všechna tělesa. Plošné integrály na společných hranicích mají opačná znaménka a odečtou se. (nezávislost divergence na souřadném sys- Příklad 6.2 : tému) Z věty o střední hodnotě vyplývá, že existuje bod A V takový, že V div v dv = div v(a) meas (V ), kde meas (V ) je míra (objem) tělesa V. Nechť bod B je pevný, V je koule se středem v bodě B a S je její povrch, potom z Gaussovy věty plyne v n ds = div v(a) meas (V ). S Nyní předpokládáme, že funkce v má spojité parciální derivace. Pro meas (V ) 0 dostaneme A B a platí v n ds div v(b) = lim meas (V ) 0 S meas (V ). Odtud již plyne nezávislost hodnoty divergence na souřadném systému. (Plošný integrál a objem tělesa se nemění se změnou souřadného systému). Příklad 6.3 : (objem tělesa) Položíme-li v = 1 3 (x, y, z), pak z Gaussovy věty dostaneme pro objem tělesa V vztah meas (V ) = 1 dv = 1 (x, y, z) n ds. 3 Cvičení 6.3 : koule. V S Pomocí předchozí rovnosti spočítejte objem [ Podle příkladu (5.2) je vnější jednotkový normálový vektor k povrchu koule n = (ϱ2 cos u cos 2 v,ϱ 2 sin u cos 2 v,ϱ 2 sin v cos v) r u r v, tedy (x, y, z) n = ϱ3 cos v r u r v a meas (V ) = 1 3 π/2 π/2 2π 0 ϱ 3 cos v du dv = 4 3 πϱ3. ]

36 36 Matematická analýza Stokesova věta Věta 6.3 : (Stokesova věta) Nechť vektorová funkce v C 1 (V ). Nechť plocha S V má okraj tvořený křivkou S a je orientovaná souhlasně se svým okrajem, potom platí rot v n ds = v τ ds, (6.12) S kde n je jednotkový normálový vektor k ploše S a τ je jednotkový tečný vektor ke křivce S. S Důkaz : Přepíšeme rovnost (6.12) pomocí souřadnic n = (n 1, n 2, n 3 ), v = (v 1, v 2, v 3 ), r = (r 1, r 2, r 3 ) = (x, y, z) do tvaru [( v3 ) n1 + ( ) v 1 n2 + ( ) ] v 2 n3 ds = y v 2 z S v 1 r ( dr1 dt, dr 2 dt, dr 3 dt z v 3 x ) r dt = S x v 1 y v 1 dx + v 2 dy + v 3 dz. Budeme předpokládat, že plocha S se dá popsat funkcemi, to znamená, že pro body [x, y, z] S platí : z = z(x, y), y = y(x, z), x = x(y, z) a funkce x, y, z jsou spojitě diferencovatelné. Nejdříve dokážeme [ v1 z n 2 v ] 1 y n 3 ds = v 1 dx. (6.13) S Označíme S xy, S xy projekci plochy S a jejího okraje S do roviny-xy. Podle bodu 3 z poznámky (3.2) pak platí v 1 dx = v 1 (x, y, z(x, y)) dx. Nyní v Greenově větě S S xy (vztah (3.4)) položíme f 1 = v 1, f 2 = 0 a dostaneme v 1 (x, y, z(x, y)) dx = S xy S xy z [ v1(x,y,z) y S xy + v 1(x,y,z) z y S v 1 (x,y,z(x,y)) y dxdy = ] (6.14) dxdy. Zbývá dokázat, že pravá strana v rovnosti (6.14) se rovná levé straně v rovnosti (6.13). Tečné vektory k ploše S jsou r x = (1, 0, z x ), r y = (1, 0, z y ) a jednotkový normálový vektor má tvar n = ( z x, z z y, 1)/ ( x, z y, 1).

37 Matematická analýza z Tedy n 2 = ( z z x, y,1) y, n3 = 1 ( z z. Dále x, y,1) podle (5.2) je ds = ( z x, z y, 1) dxdy. Odtud pro levou stranu rovnosti (6.13) dostaneme [ v1 z n 2 v ] ( 1 y n v1 z 3 ds = z y + v ) 1 dxdy, y S což jsme měli dokázat. Podobně jako rovnost (6.14) lze dokázat i rovnosti obsahující funkce v 2, v 3 a sečtením těchto rovnosti dostaneme tvrzení věty. Příklad 6.4 : S xy (nezávislost rotace na souřadném systému) Z věty o střední hodnotě vyplývá, že existuje bod A S takový, že rot v n ds = rot v(a) n(a) meas S (6.15) S Nechť B je střed kruhu S, potom z (6.15) a (6.12) vyplývá S v d s = rot v(a) n meas S (u kruhu je jednotkový normálový vektor všude stejný). Jestliže funkce v je spojitě diferencovatelná, pak pro zmenšující se kruh (tzn. meas S 0) je rot u(a) rot v(b) a platí rot v(b) n = lim meas S 0 v d s S meas S (= rot v n (B)). Rotace rot u(b) je vektor, jehož projekce do vektoru n kolmého k plošce S se rovná plošné hustotě cirkulace vektorového pole u po hranici plošky S. Nenulová rotace určuje body vírů vektorového pole v. Cvičení 6.4 : a) Nechť v = grad f, pak K v d s = 0. Dokažte. b) Vypočítejte K v d s, v = ( y, x) 1 x 2 +y 2, kde křivka S K : x 2 + y 2 = 1; z = 0 je orientovaná ve směru hodinových ručiček. Proč nemůžeme použít Stokesovu větu? Spočítejte rot v n ds, pokud v = (z, x, y) a S je čtverec s vrcholy (0,0,0), (1,0,0), (1,1,0), (0,1,0). [±1]

38 38 Matematická analýza 3 7 Nezávislost na cestě, operátory v křivočarých souřadnicích 7.1 Nezávislost křivkového integrálu na cestě Z cvičení 3.1 víme, že křivkový integrál druhého druhu v d s K závisí na tom, po jakých orientovaných křivkách se pohybujeme z počátečního bodu A do koncového bodu B. Následující příklad bude ilustrovat situaci, kdy na tvaru křivky K nezáleží. Příklad 7.1 : Nechť v(x, y, z) = (2x+3y, 3x+4y, 0) a pro t 0, 1 uvažujeme křivky K 1 = {(t, t, 0)}, K 1 = {(t 2, t, 0)}, K 3 = {(t, t 2, 0)}. Všechny uvedené křivky mají stejný počáteční a koncový bod a obecně platí: Tedy: K v(x, y, z) d s = v(x, y, z) d s = K 1 v(x, y, z) d s = K 2 v(x, y, z) d s = K [ dr 1 v 1 dt + v dr 2 2 dt + v dr ] 3 3 dt. dt (2t + 3t + 2t + 4t) dt = 6, [(2t 2 + 3t) 2t + (3t 2 + 4t) 1] dt = 6, [(2t + 3t 2 ) 1 + (3t + 4t 2 ) 2t] dt = 6. K Definice 7.1 : (nezávislost na cestě) Nechť Ω je oblast (otevřená, souvislá množina), body A, B Ω a křivka K Ω s počátečním bodem A a koncovým bodem B. Jestliže křivkový integrál v d s je závislý pouze na bodech A, B a je nezávislý na tvaru křivky K, pak říkáme, že je nezávislý na cestě v množině Ω. Definice 7.2 : (potenciální vektorové pole) Nechť k vektorovému poli v C(Ω) existuje na oblasti Ω diferencovatelná funkce f : Ω R taková, že v = grad f(x) x Ω, pak funkce f se nazývá potenciál vektorového pole a v je potenciální vektorové pole.

39 Matematická analýza 3 39 Věta 7.1 : Nechť v : D E 3 je spojitá vektorová funkce, potom křivkový integrál v d s je nezávislý na cestě právě tehdy, když v je potenciální vektorové pole. K Důkaz : Nechť v d s je nezávislý na cestě. K Zvolíme pevné body A=[x 0, y 0, z 0 ] a B =[x, y, z] v oblasti Ω. Položíme f(x, y, z) = v 1 dx + v 2 dy + v 3 dz, kde ÂB je ÂB libovolná křivka spojující body AB. Ukážeme, že f x = v 1. Podle předpokladu platí v 1 dx + v 2 dy + v 3 dz = v d s + B1 v d s, kde bod B 1 = [x 1, y, z]. ÂB 1 B (Předpokládáme, že úsečka BB 1 leží v Ω.) Protože body A, B 1 se nemění v závislosti na proměnné x, bude derivace prvního integrálu x ( v d s) = 0. Tedy f x = x v d s. ÂB 1 B 1 B Na úsečce BB 1 se proměnné y,z nemění, tedy dy = dz = 0 x f a platí x (x, y, z) = x v 1 (ξ, y, z) dξ = v 1 (x, y, z). x 1 f Podobně lze dokázat i y = v 2, f z = v 3. = Nyní předpokládáme, že existuje funkce f taková, že v = grad f. Dále nechť křivka K z bodu A do bodu B má parametrickou reprezentaci r (t) = (x(t)), y(t), z(t)) a f f f r (t 0 ) = A, r (t 1 ) = B. Potom x dx + y dy + z dz = t 1 = f(b) f(a). Odtud vy- f t dt = [f(x(t), y(t), z(t))] t 1 t0 t 0 plývá, že integrál f v d s nezávisí na křivce body A a B. ÂB ÂB ÂB ÂB spojující Poznámka 7.1 : Vektorové pole v : Ω E 3 je potenciální (také) právě tehdy, když a) K v d s = 0 K Ω, K je uzavřená křivka. (Tzn. cirkulace je nulová - viz definice 3.3) b) rot v = 0 na Ω. Tedy ( v 3 y = v 2 z, v 1 z = v 3 x, v 2 x = v 1 y ).