Обчислення довжини гладкої кривої

1. Поняття спрямляются кривої і її довжини

Нехай крива L задана параметрично L.. a £ t £ b. де j (t), y (t) неперервні на [a; b]. Візьмемо довільне розбиття Т відрізка [a; b] на відрізки. . так що .

Точках розбиття відрізка [a; b] відповідають точки кривої, тобто точки з координатами Отримані точки з'єднаємо відрізками і отримаємо ламану з вершинами в точках. Цю ламану будемо називати вписаною в криву L. яка відповідає певному розбиття Т. Довжина ланки ламаної дорівнює. тому довжина ламаної

Зауважимо, що однозначно визначається розбиттям Т. Позначимо через. .

Визначення 1. Крива L називається спрямляются. якщо існує межа суми (1) при.

При цьому число називається довжиною кривої L.

2. Обчислення довжини гладкої кривої

Лемма 1. справедливо нерівність:

1) Якщо. і нерівність очевидно.

2) якщо. то принаймні одне з чисел B або C не дорівнює 0. Тоді

Лемма 2 (властивість адитивності). Якщо спрямляются крива L точкою M0 розбита на дві криві L1 і L2. то ці криві спрямляются, і Визначення 2. Крива L називається гладкою. якщо її рівняння можна записати в параметричному вигляді. t Î[A; b], де j (t) і y (t) мають безперервні похідні j ¢ (t) і y ¢ (t), водночас не звертаються в нуль (тобто).

Визначення 3. Крива L називається кусочно-гладкою. якщо її можна розбити на кінцеве число гладких кривих.

Теорема 1. Будь-яка гладка крива L.. t Î[A; b], спрямляема і її довжина обчислюється за формулою

Візьмемо довільне розбиття Т відрізка [a; b] на відрізки і побудуємо ламану. вписану в криву L і яка відповідає певному розбиття Т. Її довжина обчислюється за формулою (1). Функції j і y на відрізку () задовольняють умовам теореми Лагранжа. отже,

Тоді з (1) слід. (3)

Якщо в рівність (3) замінити на. то отримаємо інтегральну суму для функції на [a; b]. Так як j ¢ (t) і y ¢ (t) на [a; b] безперервні, то функція неперервна на [a; b]. Але тоді

Розглянемо різницю і покажемо, що. Звідси буде випливати, що існує і дорівнює. тобто отримаємо рівність (2).

Оцінимо модуль різниці:

Застосовуючи лему, отримаємо:

Функція y ¢ (t) неперервна на [a; b], отже, вона рівномірно неперервна на цьому відрізку, значить, виконано

Нехай розбиття Т задовольняє умові. Тоді. Звідси на підставі нерівності (5) маємо:

Тоді з (4) слід.

Формулу (1) можна записати у вигляді.

Зауваження 1. Нехай гладка крива задана рівнянням. Перейдемо до параметричних рівнянь. вважаємо:

Зауваження 2. Нехай гладка крива в полярній системі координат задана рівнянням. Перейдемо до параметричного завданням:

Схожі статті