Площадь в полярных координатах

Пример. Найти площадь фигуры, вырезаемой окружностью   из кардиоиды  (рис.3.4).

  Подпись:  
                 Рис.3.4
                Р е ш е н и е. Найдем сначала точ­ки пересечения этих кривых. Для этого  решим системуоткуда . Искомая площадь равна сумме двух площадей, одна из которых представляет круговой сегмент, а другая сегмент кардиоиды, причем сегменты примыкают друг к другу по лучу . Дуга ВАО описывается концом полярного ради­уса  кардиоиды при изменении  полярного угла  от   до ,а дуга ОСВ — концом полярного радиуса  окружности при . Поэтому   .   

 

Задача 8.8 а) Найти величину и направление наибольшего изменения поля   в точке

Решение. Доказано (см. [1], [2], [5], [6]), что скалярное поле U(M) имеет в данной точке М0 максимальную производную по направлению ,  которая равна модулю градиента поля U в этой точке:

 

если за вектор , указывающий направление дифференцирования, взять направление вектора gradU(M0). Поэтому в задаче требуется найти сам вектор

 

Приведем соответствующие вычисления:

 ,

 ,

 ,

 

б) Выяснить, является ли векторное поле  потенциальным.

Решение. Векторное поле  потенциально, если в каждой точке М из области определения поля  Находим 

В этой формуле для удобства запоминания метода вычисления ротора использован формальный оператор Гамильтона «набла»:

 ,

действующий по правилу нахождения векторного произведения в прямоугольных декартовых координатах.

 Для других типов полей, исследуемых в задании 8, приведем их определения:

Соленоидальное поле  в каждой точке М области V удовлетворяет условию

 .

Гармоническое поле  является в каждой точке области V одновременно потенциальным и соленоидальным, то есть  и 

В нашем случае  Тогда

 следовательно, поле   не является потенциальным.

Метод интегрирования по частям Эта формула чаще всего применяется тогда, когда под интегралом имеется произведение алгебраической и трансцендентной функции Метод интегрирования по частям может применяться в одном примере несколько раз. Замечание 2. Иногда повторное интегрирование по частям приводит к уравнению искомого интеграла

Лекции. Сборник задач с решениями по физике, математике