Giáo trình Giải tích 3 - Tạ Lê Lợi

64 trang cucquyet12 5940

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Giải tích 3 - Tạ Lê Lợi", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_giai_tich_3_ta_le_loi.pdf

Nội dung text: Giáo trình Giải tích 3 - Tạ Lê Lợi

TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC ÑAØ LAÏT KHOA TOAÙN - TIN HOÏC Y Z TAÏ LEÂ LÔÏI - ÑOÃ NGUYEÂN SÔN GIAÛI TÍCH 3 (Giaùo Trình) Löu haønh noäi boä Y Ñaø Laït 2008 Z
Giaûi Tích 3 Taï Leâ Lôïi - Ñoã Nguyeân Sôn Muïc luïc Chöông I. Tích phaân phuï thuoäc tham soá 1. Tích phaân phuï thuoäc tham soá 4 2. Tích phaân suy roäng phuï thuoäc tham soá 9 3. Caùc tích phaân Euler 14 Chöông II. Tích phaân haøm soá treân ña taïp 1. Ña taïp khaû vi trong Rn 19 2. Tích phaân haøm soá treân ña taïp 24 Chöông III. Daïng vi phaân 1. Daïng k-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng 31 2. Daïng vi phaân 33 3. Boå ñeà Poincareù 37 Chöông IV. Tích phaân daïng vi phaân 1. Ñònh höôùng 41 2. Tích phaân daïng vi phaân 44 3. Coâng thöùc Stokes 47 Baøi taäp. 53
4 I. TÝch ph©n phô thuéc tham sè 1 TÝch ph©n phô thuéc tham sè 1.1 §Þnh nghÜa §Þnh nghÜa 1. XÐt hµm f(x, t)=f(x1, ,xn,t1, ,tm) x¸c ®Þnh trªn miÒn X × T ⊂ Rn × Rm. Gi¶ sö X ®o ®−îc (Jordan) vµ víi mçi gi¸ trÞ cña t ∈ T cè ®Þnh, hµm f(x, t) kh¶ tÝch theo x trªn X. Khi ®ã tÝch ph©n I(t)=Z f(x, t)dx (1) X lµ hµm theo biÕn t =(t1, ,tm), gäi lµ tÝch ph©n phô thuéc tham sè víi m tham sè t1, ,tm. 1.2 TÝnh liªn tôc §Þnh lý 1. NÕu f(x, t) liªn tôc trªn X × T ⊂ Rn × Rm,ë®©yX, T lµ c¸c tËp compact, th× tÝch ph©n I(t)=Z f(x, t)dx X liªn tôc trªn T . Chøng minh. Cè ®Þnh t0 ∈ T . Ta sÏ chøng minh víi mäi >0, tån t¹i δ>0 sao cho víi mäi t ∈ T , d(t, t0) 0 sao cho | f(x0,t0) − f(x, t) |< v(X) víi mäi (x, t), (x0,t0) ∈ X × T , d((x0,t0), (x, t)) <δ. Tõ ®ã, víi d(t, t0) <δta cã | I(t) − I(t ) |<v(X) = . 0 v(X)
5 2 1 √ 1 √ VÝ dô. 1) Ta cã lim R x2 + t2dx = R |x|dx =1v× hµm x2 + t2 liªn tôc trªn → t 0−1 −1 [−1, 1] × [−, ]. − (xt−2e−x2t 2 nÕu t =06 2) Kh¶o s¸t tÝnh liªn tôc t¹i ®iÓm (0, 0) cña hµm f(x, t)= . 0 nÕu t =0 NÕu f(x, t) liªn tôc t¹i (0, 0), th× f(x, t) liªn tôc trªn [0, 1] × [−, ]. Khi ®ã, tÝch 1 ph©n I(t)=R f(x, t)dx liªn tôc trªn [−, ] . Nh−ng ta cã 0 1 1 2 −2 1 2 −2 lim I(t) = lim R xt−2e−x t = − lim R e−x t d(−x2t−2) → → → t 0 t 0 0 2 t 0 0 1 −2 1 = − lim(e−t − 1) = =0=6 I(0). 2 t→0 2 VËy, hµm f(x, t) kh«ng liªn tôc t¹i (0, 0). Sau ®©y chóng ta sÏ kh¶o s¸t mét tæng qu¸t hãa cña §Þnh lý 1 trong tr−êng hîp X =[a, b]. §Þnh lý 2. Cho f(x, t) liªn tôc trªn [a, b] × T , víi T lµ tËp compact vµ a(t),b(t) lµ hai hµm liªn tôc trªn T sao cho a(t),b(t) ∈ [a, b] víi mäi t ∈ T . Khi ®ã, tÝch ph©n b(t) I(t)=Z f(x, t)dx a(t) liªn tôc trªn T . Chøng minh. Do f liªn tôc trªn tËp compact nªn giíi néi, tøc lµ tån t¹i M>0 sao cho | f(x, y) |≤ M víi mäi (x, t) ∈ [a, b] × T . Cè ®Þnh t0 ∈ T ta cã: a(t0) b(t) b(t0) | I(t) − I(t0) |= R f(x, t)dx + R f(x, t)dx + R [f(x, t) − f(x, t0)]dx a(t) b(t0) a(t0) a(t0) b(t) b(t0) ≤ R f(x, t)dx+ R f(x, t)dx+ R (f(x, t) − f(x, t0))dx a(t) b(t0) a(t0) b(t0) ≤ M | a(t) − a(t0) | +M | b(t) − b(t0) | + R | f(x, t) − f(x, t0) | dx. a(t0)
6 Kh¼ng ®Þnh suy ra tõ tÝnh liªn tôc cña a(t),b(t) vµ §Þnh lý 1. 2 1 VÝ dô. Do hµm liªn tôc trªn [0, 1] × [−, ] vµ c¸c hµm α(t)=t, 1+x2 + t2 β(t) = cos t liªn tôc trªn [−, ], ta cã cos t 1 dx dx π lim Z dx = Z = . t→0 1+x2 + t2 1+x2 4 t 0 1.3 TÝnh kh¶ vi. ∂f §Þnh lý 3. NÕu f(x, t) vµ c¸c ®¹o hµm riªng (x, t), i =1, ,m, liªn tôc ∂ti trªn X × T ⊂ Rn × Rm, ë ®©y X, T lµ c¸c tËp compact, th× tÝch ph©n I(t)=Z f(x, t)dx X o kh¶ vi trªn T vµ víi mçi i ta cã: ∂I ∂f (t)=Z (x, t)dx. ∂ti ∂ti X o Chøng minh. Víi mçi t0 ∈ T cè ®Þnh ta cã: I(t + h e ) − I(t ) f(x, t + h e ) − f(x, t ) 0 i i 0 = Z 0 i i 0 dx. hi hi X m trong ®ã ei lµ c¬ së chÝnh t¾c cña R . ¸p dông ®Þnh lý gi¸ trÞ trung b×nh cho hµm 1 biÕn ta cã: ∂f f(x, t0 + hiei) − f(x, t0)= (x, t0 + θihiei)hi, 0 <θi < 1 ∂ti Khi ®ã : I(t0 + hiei) − I(t0) Z ∂f Z ∂f ∂f − (x, t0)dx= [ (x, t0 + θihiei) − (x, t0)]dx hi ∂ti ∂ti ∂ti X X
7 ∂f Sö dông tÝnh liªn tôc cña (x, t) trªn compact X ×T vµ lý luËn nh− trong chøng ∂ti minh §Þnh lý 1 suy ra ∂I I(t0 + hiei) − I(t0) Z ∂f (t0) = lim = (x, t)dx. ∂ti hi→0 hi ∂ti X ∂I TÝnh liªn tôc cña (t) trªn T suy ra tõ §Þnh lý 1 2 ∂ti π/2 1 1+t cos x VÝ dô. XÐt I(t)= R ln dx, t ∈ (−1, 1). Ta cã c¸c hµm 0 cos x 1 − t cos x 1 1+t cos x  ln nÕu x =6 π/2 ∂f 2 f(x, t)=cos x 1 − t cos x (x, t)= , 2 2 2t x = π/2 ∂t 1 − t cos x  nÕu liªn tôc trªn [0,π/2] × [−1+, 1 − ]. VËy, theo ®Þnh lý trªn π/2 ∞ dx du π I0(t)=2Z =2Z = √ . 1 − t2 cos2 x 1 − t2 + u2 1 − t2 0 0 Tõ ®ã, I(t)=π arcsin t + C.V×I(0) = 0, nªn C =0. VËy, I(t)=π arcsin t. ∂f §Þnh lý 4. NÕu f(x, t) vµ c¸c ®¹o hµm riªng (x, t), i =1, ,m, liªn tôc ∂ti trªn [a, b] × T , ë ®©y T lµ tËp compact trong Rm, α(t),β(t) kh¶ vi trªn T vµ α(t),β(t) ∈ [a, b] víi mäi t ∈ T , th× tÝch ph©n b(t) I(t)=Z f(x, t)dx a(t) o kh¶ vi trªn T vµ víi mçi i ta cã: β(t) ∂I ∂f ∂β ∂α (t)= Z (x, t)dx + f(β(t),t) (t) − f(α(t),t) (t). ∂ti ∂ti ∂ti ∂ti α(t)
8 Chøng minh. XÐt hµm m +2biÕn v F (t, u, v)=Z f(x, t)dx, (t, u, v) ∈ D = T × [a, b] × [a, b]. u Ta sÏ chØ ra r»ng F (t, u, v) lµ hµm kh¶ vi. Víi mçi u, v cè ®Þnh, tõ §Þnh lý 3, suy ra v ∂F ∂f (t, u, v)=Z (x, t)dx. ∂ti ∂ti u VÕ ph¶i cña ®¼ng thøc trªn ®−îc xem nh− lµ tich ph©n phô thuéc c¸c tham sè t, u, v. ∂f Hµm (x, t) xem nh− lµ hµm theo c¸c biÕn x, t, u, v liªn tôc trªn [a, b] × D.Tõ ∂ti ∂F §Þnh lý 2, víi a(t, u, v)=u, b(t, u, v)=v, suy ra (t, u, v) lµ hµm liªn tôc ∂ti trªn D. Ngoµi ra ta cßn cã ∂F ∂F (t, u, v)=−f(u, t) vµ (t, u, v)=f(v,t) ∂u ∂v ®Òu lµ nh÷ng hµm liªn tôc trªn D. VËy, hµm F (t, u, v) kh¶ vi. Hµm I(t) ®−îc xem nh− lµ hµm hîp I(t)=F (t, α(t),β(t)). Tõ ®ã , hµm I(t) kh¶ vi vµ ∂I ∂F ∂F ∂α ∂F ∂β (t)= (t, α(t),β(t)) + (t, α(t),β(t)) (t)+ (t, α(t),β(t)) (t) ∂ti ∂ti ∂u ∂ti ∂v ∂ti β(t) ∂f ∂β ∂α = R (x, t)dx + f(β(t),t) (t) − f(α(t),t) (t). α(t)∂ti ∂ti ∂ti 2 sin t VÝ dô. XÐt tÝch ph©n I(t)= R etxdx. Theo §Þnh lý trªn, hµm I(t) kh¶ vi vµ t sin t I0(t)= Z xetxdx + et sin t cos t − et2 . t
9 2 TÝch ph©n suy réng phô thuéc tham sè 2.1 C¸c ®Þnh nghÜa §Þnh nghÜa 2. Gi¶ sö hµm f(x, t) x¸c ®Þnh trªn [a, ∞) × T , T ⊂ R, sao cho víi mçi t ∈ T cè ®Þnh , hµm f(x, t) kh¶ tÝch trªn [a, b], víi mäi b>a. TÝch ph©n ∞ I(t)=Z f(x, t)dx (1), a gäi lµ tÝch ph©n suy réng lo¹i 1 phô thuéc tham sè. TÝch ph©n (1) gäi lµ héi tô ∞ b t¹i t0 nÕuu tÝch ph©n R f(x, t0)dx h«i tô, tøc lµ tån t¹i lim R f(x, t0)dx = I(t0) a b→∞ a h÷u h¹n. TÝch ph©n (1) gäi lµ héi tô trªn T nÕuu héi tô t¹i mäi ®iÓm cña T , tøc lµ ∞ Z ∀>0, ∀t ∈ T,∃a0(, t) >a, sao cho ∀b ≥ a0 =⇒ f(x, t) 0, ∃a0() >a, sao cho ∀b ≥ a0, ∀t ∈ T =⇒ f(x, t) 0 . TÝch ph©n b b−η J(t)=Z f(x, t)dx = lim Z f(x, t)dx, (2) η→0+ a a gäi lµ tÝch ph©n suy réng lo¹i 2 phô thuéc tham sè. TÝch ph©n (2) gäi lµ héi tô b b−η t¹i t0 nÕuu tÝch ph©n R f(x, t0)dx héi tô, tøc lµ tån t¹i lim R f(x, t0)dx = J(t0) → a η 0 a h÷u h¹n. TÝch ph©n (2) gäi lµ héi tô trªn T nÕuu héi tô t¹i mäi ®iÓm cña T , tøc lµ b Z ∀>0, ∀t ∈ T,∃δ(, t) > 0, sao cho 0 < ∀η<δ=⇒ f(x, t) <. b−η
10 TÝch ph©n (2) gäi lµ héi tô ®Òu trªn T nÕuu b Z ∀>0, ∃δ0() > 0, sao cho 0 0, ∀t ∈ T,∃a0 = , ∀b>a0 =⇒ te = e 0, nÕu chän ∞ ln −xt −bt b = a0 vµ t tõ bÊt ®¼ng thøc 0 . −a 0 b c) I(t) héi tô ®Òu trªn Tr =[r, ∞), víi r>0. ThËt vËy, ta cã ∞ ln Z −xt −bt −a0r ∀>0, ∃a0 = , ∀b ≥ a0, ∀t ∈ Tr =⇒ te = e <e <. −r b
11 2.2 Mét sè tiªu chuÈn héi tô ®Òu ∞ §Þnh lý 5. (Tiªu chuÈn Cauchy) TÝch ph©n I(t)=R f(x, t)dx héi tô ®Òu trªn a T khi vµ chØ khi b2 Z ∀>0, ∃a0() >a, sao cho ∀b1,b2 ≥ a0, ∀t ∈ T =⇒ f(x, t) 0, tån t¹i a0 sao cho b2 Z ϕ(x) <, ∀b1,b2 ≥ a0. b1 Suy ra, b2 b2 b2 Z Z Z f(x, t) ≤ |f(x, t)| ≤ ϕ(x) <. b1 b1 b1 Theo §Þnh lý 5, tÝch ph©n I(t) héi tô ®Òu. 2 §Ó kh¶o s¸t tÝnh chÊt cña tÝch ph©n suy réng phô thuéc tham sè héi tô ®Òu, chóng ta thiÕt lËp mèi quan hÖ gi÷a nã vµ d·y hµm héi tô ®Òu.
12 ∞ MÖnh ®Ò 1. Gi¶ sö tÝch ph©n I(t)=R f(x, t)dx héi tô ®Òu trªn T vµ (an), víi a an >a. lµ d·y sè sao cho lim an = ∞. Khi ®ã, d·y hµm n→∞ an Z In(t)= f(x, t)dx a héi tô ®Òu tíi hµm sè I(t) trªn T . ∞ Chøng minh. Do I(t)=R f(x, t)dx héi tô trªn T nªn d·y hµm (In(t)) héi tô tíi a I(t) trªn T .V×I(t) héi tô ®Òu nªn víi mäi >0, tån t¹i a0 sao cho ∞ Z f(x, t) a0, ∀t ∈ T. b V× lim an = ∞ nªn tån t¹i N>0 sao cho víi mäi n ≥ N, ta cã an ≥ b. VËy, n→∞ ta cã an ∞ ∞ Z Z Z |In(t) − I(t)| = f(x, t) − f(x, t) = f(x, t) a. lµ d·y sè sao cho lim an = ∞ vµ xÐt d·y n→∞ hµm an Z In(t)= f(x, t)dx, t ∈ [c, d]. a Víi mçi n cè ®Þnh, theo §Þnh lý 1, hµm In(t) liªn tôc trªn [c, d]. Theo mÖnh ®Ò 1, d·y hµm (In(t)) héi tô ®Òu tíi I(t). Theo ®Þnh lý vÒ tÝnh liªn tôc cña d·y hµm héi tô ®Òu, I(t) liªn tôc trªn [c, d]. 2
13 2.2.2 TÝnh kh¶ vi §Þnh lý 8. Gi¶ sö ∂f (a) Hµm f(x, t) liªn tôc vµ cã ®¹o hµm riªng (x, t) liªn tôc trªn [a, ∞)×[c, d]. ∂t ∞ (b) TÝch ph©n I(t)=R f(x, t)dx héi tô trªn [c, d]. a ∞ ∂f (c) TÝch ph©n R (x, t)dx héi tô ®Òu trªn [c, d]. a ∂t ∞ ∂f Khi ®ã, hµm I(t) kh¶ vi trªn [c, d] vµ ta cã c«ng thøc I0(t)=R (x, t)dx. a ∂t Chøng minh. XÐt d·y hµm a+n Z In(t)= f(x, t)dx, t ∈ [c, d]. a Víi mçi n, theo §Þnh lý 3, hµm In(t) kh¶ vi trªn [c, d] vµ a+n ∂f I0 (t)= Z (x, t)dx, t ∈ [c, d]. n ∂t a ∞ 0 ∂f Ta cã lim In(t)=I(t) vµ lim In(t)=R (x, t)dx. Theo mÖnh ®Ò 1, d·y hµm a ∂t 0 In(t) héi tô ®Òu trªn [c, d]. Theo ®Þnh lý vÒ tÝnh kh¶ vi cña d·y hµm héi tô ®Òu, I(t) kh¶ vi trªn [c, d] vµ ∞ 0 0 0 Z ∂f I (t)= lim In(t) = lim In(t)= (x, t)dx. n→∞ n→∞ ∂t a 2 2.2.3 TÝnh kh¶ tÝch §Þnh lý 9. Gi¶ sö hµm f(x, t) liªn tôc trªn [a, ∞) × [c, d] vµ tÝch ph©n I(t)= ∞ R f(x, t)dx héi tô ®Òu trªn [c, d]. Khi ®ã, hµm I(t) kh¶ tÝch trªn [c, d] vµ ta cã a c«ng thøc d d ∞ ∞ d Z I(t)dt = Z Z f(x, t)dxdt = Z Z f(x, t)dtdx c c a a c
14 Chøng minh. Theo §Þnh lý 7, I(t) lµ hµm liªn tôc trªn [c, d], do ®ã kh¶ tÝch. XÐt d·y hµm a+n Z In(t)= f(x, t)dx, t ∈ [c, d]. a Víi mçi n cè ®Þnh, theo §Þnh lý 1, hµm In(t) liªn tôc trªn [c, d]. Theo mÖnh ®Ò 1, d·y hµm (In(t)) héi tô ®Òu tíi I(t) trªn [c, d]. Theo ®Þnh lý vÒ tÝnh kh¶ tÝch cña d·y hµm héi tô ®Òu, ta cã d d d R I(t)dt = R lim In(t)dt = lim R In(t)dt →∞ →∞ c c n n c d a+n = lim R R f(x, t)dx dt →∞ n c a a+n d ∞ d = lim R R f(x, t)dx dt = R R f(x, t)dt . →∞ n a c a c 2 3 C¸c tÝch ph©n Euler 3.1 TÝch ph©n Euler lo¹i 1 3.1.1 §Þnh nghÜa TÝch ph©n Euler lo¹i 1 hay hµm Beta lµ tÝch ph©n phô thuéc 2 tham sè d¹ng 1 B(p, q)=Z xp−1(1 − x)q−1dx, p > 0,q >0. 0 3.1.2 C¸c tÝnh chÊt cu¶ hµm Beta 1) Sù héi tô. Ta ph©n tÝch B(p, q) thµnh hai tÝch ph©n 1/2 1 Z p−1 q−1 Z p−1 q−1 B(p, q)= x (1 − x) dx + x (1 − x) dx = B1(p, q)+B2(p, q). 0 1/2
15 TÝch ph©n B1 héi tô nÕu p>0 vµ ph©n kú nÕu p ≤ 0. §iÒu nµy suy ra tõ p−1 q−1 p−1 q−1 x (1 − x) ≤ Mqx ,Mq = max (1 − x) 0≤x≤1/2 p−1 q−1 p−1 q−1 x (1 − x) ≥ mqx ,mq = min (1 − x) . 0≤x≤1/2 T−¬ng tù, tÝch ph©n B2 héi tô nÕu q>0 vµ ph©n kú nÕu q ≤ 0. Nh− vËy hµm B(p, q) x¸c ®Þnh víi mäi p>0, q>0. 2) Sù héi tô ®Òu. TÝch ph©n B(p, q) héi tô ®Òu trªn ch÷ nhËt [p0,p1] × [q0,q1], trong ®ã, 0 0, q>0, tÝch ph©n B(p, q) héi ®Òu trªn [p−, p+]×[q−, q +], do ®ã liªn tôc trªn miÒn nµy. 4) TÝnh ®èi xøng. B»ng c¸ch ®åi biÕn x =1− t, ta ®−îc B(p, q)=B(q,p). 5) C«ng thøc truy håi. B»ng c¸ch lÊy tÝch ph©n tõng phÇn tõ tÝch ph©n B(p, q) ta ®−îc q q B(p +1,q+1)= B(p +1,q)= B(p, q +1). p + q +1 p + q +1 §Æc biÖt, nÕu m, n lµ c¸c sè tù nhiªn, th× ¸p dông liªn tiÕp c«ng thøc trªn, ta cã B(1, 1) = 1 1 B(p +1, 1) = p +1 n! B(p +1,n)= (p + n)(p + n − 1) ···(p +1) (n − 1)!(m − 1)! B(m, n)= . (m + n − 1)!
16 3.2 TÝch ph©n Euler lo¹i 2 3.2.1 §Þnh nghÜa TÝch ph©n Euler lo¹i 2 hay hµm Gamma lµ tÝch ph©n phô thuéc tham sè d¹ng ∞ Γ(p)=Z xp−1e−xdx, p > 0. 0 3.2.2 C¸c tÝnh chÊt cu¶ hµm Gamma 1) Sù héi tô. Ta ph©n tÝch B(p, q) thµnh hai tÝch ph©n 1 ∞ Z p−1 −x Z p−1 −x Γ(p)= x e dx + x e dx =Γ1(p)+Γ2(p). 0 1 TÝch ph©n Γ1(p) héi tô khi p>0. §iÒu nµy suy ra tõ xp−1e−x ≤ xp−1, ∀x ∈ (0, 1]. TÝch ph©n Γ2(p) héi tô khi p>0. §iÒu nµy suy ra tõ ∞ xp−1e−x x2p 1 lim = lim = =0, vµ Z 0. 0 2) Sù héi tô ®Òu. TÝch ph©n Γ1(p) héi tô ®Òu trªn mçi ®o¹n [p0.p1], víi p1 >p0 > 0. §iÒu nµy suy ra tõ 1 xp−1e−x ≤ xp0−1 (0 <x≤ 1) R xp0−1 < ∞, 0 ∞ xp−1e−x ≤ xp1−1e−x, (1 ≤ x<∞), R xp0−1e−x < ∞. 1 3) TÝnh liªn tôc. Tõ tÝnh héi tô ®Òu suy ra hµm Γ(p) liªn tôc trªn miÒn x¸c ®Þnh cña nã.
17 4) C«ng thøc truy håi. B»ng c¸ch tÝch ph©n tõng phÇn, ta cã ∞ b b Z p −x p −x Z p−1 −x Γ(p +1)= x e dx = lim x e + p x e dx = pΓ(p). b→∞ 0 0 0 NÕu n lµ sè tù nhiªn, th× ¸p dông liªn tiÕp c«ng thøc trªn, ta cã Γ(p + n)=(n + p − 1)(n + p − 2) ···pΓ(p). ∞ −x ∞ e 2 √ Nãi riªng, Γ(1) = 1, Γ(n +1)=n!, Γ(1/2) = R √ dx =2R e−x dx = π. 0 x 0 5) Liªn hÖ víi hµm Beta. B»ng phÐp ®æi biÕn x = ty, t>0,tacã ∞ Γ(p) = Z yp−1e−tydy. tp 0 Thay p bëi p + q vµ t bëi t +1ta ®−îc ∞ Γ(p + q) = Z yp+q−1e−(1+t)ydy. (1 + t)p+q 0 Nh©n hai vÕ cña ®¼ng thøc trªn víi tp−1 råi lÊy tÝch ph©n theo t tõ 0 ®Õn ∞ ta ®−îc ∞ ∞ ∞ tp−1 Γ(p + q) Z dy = Z Z tp−1e−tyyp+q−1e−ydydt. (1 + t)p+q 0 0 0 t ∞ tp−1 x = B(p, q)= §æi biÕn , ta ®−îc R p+q . MÆt kh¸c, cã thÓ ®æi thø tù 1+t 0 (1 + t) tÝch ph©n ë vÕ ph¶i (h·y kiÓm chøng ®iÒu nµy nh− bµi tËp). Tõ ®ã ∞ ∞ − − − − Γ(p + q)B(p, q)=R R tp 1e tyyp+q 1e tydt dy 0 0 ∞ Γ(p) = yp+q−1e−y dy R p 0 y ∞ =Γ(a) R yq−1e−ydy =Γ(p)Γ(q). 0 VËy. ta cã c«ng thøc Γ(p)Γ(q) B(p, q)= . Γ(p + q)
II. Tích phaân haøm soá treân ña taïp khaû vi 1. ÑA TAÏP KHAÛ VI TRONG Rn 1.1 Ñöôøng cong. Taäp con C ⊂ Rn ñöôïc goïi laø ñöôøng cong trôn lôùp Cp(p ≥ 1) neáuu moïi x ∈ C, toàn taïi laân caän môû V ⊂ Rn cuûa x, khoaûng môû I ⊂ R, vaø ϕ : I → Rn p thuoäc lôùp C , ϕ(t)=(x1(t), ··· ,xn(t)), sao cho: (1) ϕ : I → C ∩ V laø 1-1. (2) ϕ (t)=(x1(t), ··· ,xn(t)) =0 , vôùi moïi t ∈ I. Khi ñoù (ϕ, I) ñöôïc goïi laø moät tham soá hoaù cuûa C taïi x. # x t ϕ s0 s0 - "! Vector ϕ(t) goïi laø vector tieáp xuùc cuûa C taïi x. Ta coù phöông trình tham soá cuûa ñöôøng thaúng tieáp xuùc vôùi C taïi ϕ(t0): x = ϕ(t0)+sϕ (t0),s∈ R Ví duï. Trong R2. a) Ñöôøng troøn coù theå cho bôûi tham soá hoaù: x = a cos t, y = a sin t, t ∈ [0, 2π). b) Tham soá hoaù: x = a cos t, y = a sin t, z = bt, t ∈ (0,H), moâ taû ñöôøng xoaén. Baøi taäp: Vieát cuï theå phöông trình tieáp tuyeán khi n =2hay n =3. Nhaän xeùt. Ñieàu kieän ϕ(t) =0 baûo ñaûm cho ñöôøng cong khoâng coù goùc hay ñieåm luøi. Chaúng haïn, neáu ϕ(t)=(t3,t2) thì ñöôøng cong coù ñieåm luøi taïi (0, 0), coøn ϕ(t)= (t3, |t|3), thì ñöôøng cong coù ñieåm goùc taïi (0, 0). 1.2 Maët cong. Taäp con S ⊂ Rn ñöôïc goïi laø maët cong trôn lôùp Cp (p ≥ 1) neáuu moïi x ∈ S, toàn taïi laân caän môû V ⊂ Rn cuûa x, taäp môû U ⊂ R2, vaø ϕ : U → Rn thuoäc lôùp p C , ϕ(u, v)=(x1(u, v), ··· ,xn(u, v)), sao cho: (1) ϕ : U → S ∩ V laø 1-1. (2) rank ϕ (u, v)=2, i.e. D1ϕ(u, v),D2ϕ(u, v) ñoäc laäp tuyeán tính, ∀(u, v) ∈ U. Khi ñoù (ϕ, U) ñöôïc goïi laø moät tham soá hoaù cuûa S taïi x. Khi coá ñònh moät bieán u hay v, ϕ cho caùc ñöôøng cong toïa ñoä. Caùc vector D1ϕ(u, v), D2ϕ(u, v) goïi laø caùc vector tieáp xuùc cuûa S taïi ϕ(u, v). Ta coù phöông trình tham soá cuûa maët phaúng tieáp xuùc vôùi S taïi ϕ(u0,v0): 2 x = ϕ(u0,v0)+sD1ϕ (u0,v0)+tD2ϕ(u0,v0), (s, t) ∈ R
II.1. Ña taïp khaû vi trong Rn. 20 → v 6 ϕ x s - s - - →u S V U Tröôøng hôïp n =3, N(u, v)=D1ϕ(u, v) × D2ϕ(u, v)=(A(u, v),B(u, v),C(u, v)), laø vector vuoâng goùc vôùi S taïi ϕ(u, v). Khi ñoù phöông trình toång quaùt cuûa maët phaúng tieáp xuùc vôùi S taïi ϕ(u0,v0)=(x0,y0,z0): A(u0,v0)(x − x0)+B(u0,v0)(y − y0)+C(u0,v0)(z − z0)=0 Baøi taäp: Xaùc ñònh toïa ñoä vector phaùp qua caùc ñaïo haøm rieâng cuûa ϕ. Ví duï. Trong R3. a) Tham soá hoaù maët caàu: x = a cos φ sin θ, y = a sin φ sin θ, z = a cos θ, (φ, θ) ∈ (0, 2π) × (0,π) b) Tham soá hoaù maët xuyeán: x =(a+b cos φ)sinθ, y =(a+b sin φ)sinθ, z = b sin φ, (φ, θ) ∈ (0, 2π)×(0, 2π), (0 <b<a) Baøi taäp: Vieát phöông trình maët phaúng tieáp xuùc vôùi caùc maët treân. Baây giôø, ta toång quaùt hoaù caùc khaùi nieäm treân. 1.3 Ña taïp. Taäp con M ⊂ Rn ñöôïc goïi laø ña taïp k chieàu lôùp Cp (p ≥ 1) neáuu moïi x ∈ M, toàn taïi laân caän môû V ⊂ Rn cuûa x, taäp môû U ⊂ Rk, vaø ϕ : U → Rn thuoäc lôùp Cp, sao cho: (M1) ϕ : U → M ∩ V laø 1-1. (M2) rank ϕ (u)=k, i.e. D1ϕ(u), ··· ,Dkϕ(u) ñoäc laäp tuyeán tính, vôùi moïi u ∈ U. Khi ñoù (ϕ, U) ñöôïc goïi laø moät tham soá hoaù cuûa M taïi x. Khi coá ñònh k − 1 bieán trong caùc bieán, ϕ cho caùc ñöôøng cong toïa ñoä. Caùc vector D1ϕ(u), ··· ,Dkϕ(u) goïi laø caùc vector tieáp xuùc cuûa M taïi ϕ(u). Ta coù phöông trình tham soá cuûa k- phaúng tieáp xuùc vôùi M taïi ϕ(u0): k x = ϕ(u0)+t1D1ϕ(u0 + ···+ tkDkϕ(u0), (t1, ··· ,tk) ∈ R 1.4 Cho ña taïp bôûi heä phöông trình. Cho taäp môû V ⊂ Rn vaø caùc haøm lôùp Cp F1, ··· ,Fm : V → R. Xeùt taäp cho bôûi heä phöông trình M = {x ∈ V : F1(x)=···= Fm(x)=0}
II.1. Ña taïp khaû vi trong Rn. 21 Giaû söû rank (DF1, ··· ,DFm)(x)=m, ∀x ∈ M. Khi ñoù M laø ña taïp khaûø vi, n − m chieàu, lôùp Cp. Chöùng minh: Ñaët k = n − m. Kyù hieäu x =(x,y) ∈ Rk × Rm = Rn, vaø F =(F1, ··· ,Fm). ∂F Vôùi moãi a ∈ M, baèng pheùp hoaùn vò toïa ñoä, coù theå giaû thieát a . Theo det ∂y ( ) =0 ñònh lyù haøm aåàn, ôû laân caän V cuûa a =(a,b), ta coù M ∩ V = {(x,y) ∈ V : F (x,y)=0} = {(x,y) ∈ V : y = g(x)}, vôùi g laø haøm lôùp Cp ôû moät laân caän U cuûa a. Vaäy ϕ : U → Rn, ϕ(x)=(x,g(x)) laø moät tham soá hoaù cuûa M taïi a. Ví duï. Trong R3. a) Maët caàu S2 cho bôûi phöông trình: F (x, y, z)=x2 + y2 + z2 − 1=0. Deã kieåm tra F (x, y, z)=(2x, 2y, 2z) =(0 , 0, 0) treân S2. Vaäy S2 laø ña taïp khaû vi 2 chieàu (= maët cong trôn). b) Ñöôøng troøn C cho bôûi heä phöông trình sau laø ña taïp 1 chieàu 2 2 2 F1(x, y, z)=x + y + z − 1=0 F2(x, y, z)=x + y + z =0 Nhaän xeùt. Neáu (ψ, W) laø tham soá hoaù khaùc cuûa M taïi x, thì toàn taïi caùc laân caän W ,U cuûa ψ−1(x),ϕ−1(x) töông öùng sao cho treân W ta coù ψ = ϕ ◦ h, trong ñoù h = ϕ−1 ◦ ψ : W → U laø vi phoâi, i.e. song aùnh vaø h−1 khaû vi. Chöùng minh: Roõõ raøng h = ϕ−1 ◦ψ laø song aùnh töø ψ−1(ψ(W )∩ϕ(U)) leân ϕ−1(ψ(W )∩ ϕ(U)). Ta caàn chöùng minh h thuoäc lôùp Cp. Do rank Dϕ = k, hoaùn vò toïa ñoä, coù theå giaû thieát k doøng ñaàu cuûa Dϕ(u) laø ñoäc laäp D(ϕ1, ··· ,ϕk) tuyeán tính khi u thuoäc moät laân caän U cuûa ñieåm ñang xeùt, i.e. =0 D(u1, ··· ,uk) treân U . Kyù hieäu x =(x,y) ∈ Rk × Rn−k. Goïi i : Rk → Rk × Rn−k laø pheùp nhuùng i(u)=(u, 0), vaø p = Rk × Rn−k → Rk laø pheùp chieáu p(x,y)=x. D(ϕ1, ··· ,ϕk) Ñaët Φ(u, y)=(ϕ(u),y). Töø giaû thieát det DΦ= =0 . Theo ñònh lyù D(u1, ··· ,uk) haøm ngöôïc, toàn taïi Φ−1 ∈ Cp ñòa phöông. Ta coù h = ϕ−1 ◦ ψ =(Φ◦ i)−1 ◦ ψ = p ◦ Φ−1 ◦ ψ. Caùc haøm thaønh phaàn laø thuoäc lôùp Cp, neân h thuoäc lôùp Cp. n 1.5 Khoâng gian tieáp xuùc. Cho M ⊂ R laø ña taïp khaû vi k chieàu vaø x0 ∈ M. 1 Cho γ :(−, ) → M laø ñöôøng cong lôùp C treân M, γ(0) = x0. Khi ñoù γ (0) ñöôïc goïi laø vector tieáp xuùc vôùi M taïi x0. Taäp moïi vector tieáp xuùc vôùi M taïi x0 ñöôïc goïi laø khoâng gian tieáp xuùc vôùi M taïi x0 vaø kyù hieäu Tx0 M. Neáu (ϕ, U) laø moät tham soá hoaù cuûa M taïi x0 = ϕ(u0), thì n Tx0 M = {v ∈ R : v = t1D1ϕ(u0)+···+ tkDkϕ(u0),t1, ··· ,tk ∈ R} = ImDϕ(u0).
II.1. Ña taïp khaû vi trong Rn. 22 Neáu M cho bôûi heä phöông trình F1 = ···= Fm =0, taïi laân caän x0, thì n Tx0 M = {v ∈ R : v ⊥ grad Fi(x0),i=1, ··· ,m}. Vieát moät caùch khaùc Tx0 M cho bôûi heä phöông trình n v ∈ R : = ···= =0 Baøi taäp: Tìm phöông trình khoâng gian tieáp xuùc cho S2 vaø C ôû ví duï treân. 1.6 Ña taïp coù bôø. Ta seõ duøng caùc kyù hieäu: k k k H = {x =(x1, ··· ,xk) ∈ R : xk ≥ 0} vaø goïi laø nöûa khoâng gian cuûa R , k k k−1 k ∂H = {x ∈ H : xk =0} = R × 0 vaø goïi laø bôø cuûa H , k k k H+ = {x ∈ H : xk > 0} vaø goïi laø phía trong cuûa H . Taäp con M ⊂ Rn ñöôïc goïi laø ña taïp k chieàu lôùp Cp coù bôø neáuu moïi x ∈ M, toàn taïi laân caän môû V ⊂ Rn cuûa x, taäp môû U ⊂ Rk, vaø ϕ : U → Rn thuoäc lôùp Cp, sao cho: (M1) ϕ : U ∩ Hk → M ∩ V laø 1-1. (M2) rank ϕ(u)=k, vôùi moïi u ∈ U. Khi ñoù caùc ñieåm x = ϕ(u),u∈ U, ñöôïc phaân thaønh 2 loaïi: k Ñieåm trong cuûa M , neáu u ∈ H+. Ñieåm bôø cuûa M , neáu u ∈ ∂Hk. Kyù hieäu ∂M = {x ∈ M : x laø ñieåm bôø cuûa M}, vaø goïi laø bôø cuûa M . Nhaän xeùt. Ñònh nghóa ñieåm trong vaø ñieåm bieân khoâng phuï thuoäc tham soá hoaù. xk 6 ϕ s - - s - k−1 x R U Hk M V n p Meänh ñeà. Cho taäp môû V ⊂ R vaø caùc haøm lôùp C , F1, ··· ,Fm,Fm+1 : V → R. Xeùt caùc taäp cho bôûi heä phöông trình vaø baát phöông trình M = {x ∈ V : F1(x)=···= Fm(x)=0,Fm+1(x) ≥ 0} ∂M = {x ∈ V : F1(x)=···= Fm(x)=Fm+1(x)=0} Giaû söû rank (DF1, ··· ,DFm)(x)=m, ∀x ∈ M, vaø rank (DF1, ··· ,DFm+1)(x)= m +1, ∀x ∈ ∂M. Khi ñoù M laø ña taïp khaûø vi, n − m chieàu, lôùp Cp, coù bôø ∂M. Chöùng minh: Töông töï 1.4 Ví duï. Trong R3 hình caàu ñoùng B cho bôûi baát phöông trình: x2 + y2 + z2 ≤ 1, laø ña
II.1. Ña taïp khaû vi trong Rn. 23 taïp 3 chieàu coù bôø laø maët caàu ∂B cho bôûi: x2 + y2 + z2 =1. Meänh ñeà. Cho M laø ña taïp khaû vi k chieàu. Khi ñoù: (1) ∂M laø ña taïp khaû vi k − 1 chieàu khoâng bôø, i.e. ∂(∂M)=∅. (2) Neáu x ∈ ∂M, thì Tx∂M laø khoâng gian con k − 1 chieàu cuûa TxM. k−1 k Chöùng minh: Goïi i : R → R ,i(u1, ··· ,uk−1)=(u1, ··· ,uk−1, 0). Khi ñoù deã thaáy neáu (ϕ, U) laø tham soá hoaù cuûa M taïi x vaø x ∈ ∂M, thì (ϕ ◦ i, i−1(U)) laø tham soá hoaù cuûa ∂M taïi x. Vôùi tham soá hoaù ñoù x laø ñieåm trong cuûa ∂M. Vaäy ∂(∂M)=∅. Hôn nöõa Tx∂M laø khoâng gian sinh bôûi D1ϕ(u), ··· ,Dk−1ϕ(u) neân laø khoâng gian con k − 1 chieàu cuûa TxM. 1.7 ÖÙng duïng vaøo baøi toaùn cöïc trò ñieàu kieän. m 1 n Cho F =(F1, ··· ,Fm):V → R , thuoäc lôùp C treân taäp môû V ⊂ R . Goïi M = {x ∈ V : F1(x)=···= Fm(x)=0}, vaø giaû thieát rank F (x)=m, ∀x ∈ M. Cho f : V → R, thuoäc lôùp C1. Baøi toaùn: Tìm cöïc trò cuûa haøm haïn cheá f|M . Noùi caùch khaùc laø tìm cöïc trò cuûa f vôùi ñieàu kieän raøng buoäc F1 = ···= Fm =0. Nhaän xeùt. Vì M laø ña taïp, neân vôùi moãi a ∈ M toàn taïi tham soá hoaù (ϕ, U) cuûa M taïi a, vôùi a = ϕ(b). Ñieàu kieän caàn. Neáu f ñaït cöïc trò vôùi raøng buoäc F1 = ··· = Fm =0, taïi a, thì grad f(a) ⊥ TaM, i.e. toàn taïi λ1, ··· ,λm ∈ R, sao cho grad f(a)= λ1grad F1(a)+···+ λmgrad Fm(a) Chöùng minh: Theo nhaän xeùt treân, roõ raøng f|M ñaït cöïc trò taïi a töông ñöông vôùi f ◦ ϕ ñaït cöïc trò taïi b. Suy ra (f ◦ ϕ) (b)=f (a)ϕ (b)=0. Vaäy =0, ∀v ∈ Imϕ (b)=TaM, i.e. grad f(a) ⊥ TaM.Dorank (grad F1(a), ··· , grad Fm(a)) = m =codimTaM, neân grad f(a) thuoäc khoâng gian sinh bôûi grad F1(a), ··· , grad Fm(a). Phöông phaùp nhaân töû hoaù Lagrange. Töø keát quûa treân, ñeå tìm ñieåm nghi ngôø cöïc trò cuûa f vôùi ñieàu kieän F1 = ···= Fm =0, ta laäp haøm Lagrange m L(x, λ)=f(x) − λ1F1(x) −···−λmFm(x),x∈ V,λ =(λ1, ··· ,λm) ∈ R Neáu a laø cöïc trò ñieàu kieän, thì toàn taïi λ ∈ Rm, sao cho (a, λ) laø nghieäm heä  ∂L   (x, λ)=0  ∂x F1(x)=0  .  .  Fm(x)=0 Ví duï. Xeùt cöïc trò f(x, y, z)=x + y + z, vôùi ñieàu kieän x2 + y2 =1,x+ z =1. Tröôùc heát, ta thaáy ñieàu kieän raøng buoäc xaùc ñònh moät ña taïp (Ellip E).
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 24 2 2 Laäp haøm Lagrange L(x, y, z, λ1,λ2)=x + y + z − λ1(x + y − 1) − λ2(x + z − 1). Giaûi heä phöông trình   ∂L  =1− 2λ1x −λ2 =0  ∂x  ∂L  − λ y  ∂y =1 2 1 =0  ∂L  =1 −λ2 =0  ∂z  2 2  x + y − 1=0  x + z − 1=0 Ta coù caùc ñieåm nghi ngôø cöïc trò laø (0, ±1, 1). Do taäp ñieàu kieän compact, neân f phaûi ñaït max, min treân taäp ñoù. Hôn nöõa, caùc ñieåm cöïc trò ñoù phaûi laø moät trong caùc ñieåm nghi ngôø cöïc trò. Vaäy max f|E =max{f(0, 1, 1) = 1,f(0, −1, 1) = 0} = f(0, 1, 1) = 1, min f|E = min{f(0, 1, 1) = 1,f(0, −1, 1) = 0} = f(0, −1, 1) = 0 Trong tröôøng hôïp taäp ñieàu kieän khoâng compact, ta coù theå söû duïng keát quûa sau: 2 Ñieàu kieän ñuû. Giaû söû f,F1, ··· ,Fm thuoäc lôùp C , vaø ∂L f a λ F a ··· λ F a , i.e. a, λ . grad ( )= 1grad 1( )+ + mgrad m( ) ∂x( )=0 Ñaët HxL(x, a) laø Hessian cuûa haøm Lagrange L theo bieán x. Khi ñoù Neáu HxL(a, λ)|TaM xaùc ñònh döông, thì f|M ñaït cöïc tieåu taïi a. Neáu HxL(a, λ)|TaM xaùc ñònh aâm, thì f|M ñaït cöïc ñaïi taïi a. Neáu HxL(a, λ)|TaM khoâng xaùc ñònh daáu, thì f|M khoâng ñaït cöïc trò taïi a. Chöùng minh: Vôùi caùc kyù hieäu ôû phaàn treân, baøi toaùn tìm cöïc trò cuûa f|M töông ñöông baøi toaùn tìm cöïc trò cuûa f◦ϕ.Dof (a)ϕ(b)=0, tính ñaïo haøm caáp 2, ta coù H(f◦ϕ)(a)(h)= Hf(a)(ϕ(b)h) (Baøi taäp). Do Fi ◦ ϕ =0, ta coù H(Fi ◦ ϕ)=0vaø theo tính toaùn treân H(Fi ◦ ϕ)(b)(h)= HFi(a)(ϕ (b)(h). Suy ra HxL(a, λ)|TaM = H(f ◦ ϕ)(b)|TaM . Töø ñieàu kieän ñuû cuûa baøi toaùn cöïc trò ñòa phöông ta coù keát quûa. . k k Ví duï. Cho k ∈ N vaø a ∈ R. Tìm cöïc trò f(x1, ··· ,xn)=x1 + ···+ xn, vôùi raøng buoäc x1 + ···+ xn = an. 2. TÍCH PHAÂN HAØM SOÁ TREÂN ÑA TAÏP 2.1 Ñoä daøi, dieän tích, theå tích trong R3. Trong R3, coù trang bò tích voâ höôùng Euclid , neân coù khaùi nieäm ñoä daøi vaø vuoâng goùc. 2 2 2 Ñoä daøi vector T =(xt,yt,zt): T = xt + yt + zt
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 25 Dieän tích hình bình haønh taïo bôûi u =(xu,yu,zu),v=(xv,yv,zv): dt(u, v)=u v⊥ = u × v 1 u2 2 u2v2 −| |2. = v2 = trong ñoù v = v + v⊥ laø phaân tích: v laø hình chieáu vuoâng goùc v leân u, v⊥ ⊥ u. Chöùng minh: Ta coù v = αu, =0. Suy ra + = + α 0 = α + v⊥2 = u2v⊥2 Töø ñoù suy ra coâng thöùc treân Theå tích khoái bình haønh taïo bôûi u, v, w ∈ R3: tt(u, v, w)=dt(u, v)w⊥ = | | = | det(u, v, w)| 1 2 = trong ñoù w = w + w⊥ laø phaân tích: w laø hình chieáu vuoâng goùc w leân maët phaúng sinh bôûi u, v. ¨ ¨ ¢ ¨¢ ¨ ¢ ¨¨ ¢ w⊥ 6 ¢w ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ ¢ v ¢ ¢ ¢ ¨* ¢ ¨ ¢¨¨ -¢¨¨ u Chöùng minh: Töông töï coâng thöùc cho dieän tích. (Baøi taäp) 2.2 Theå tích k chieàu trong Rn. Trong Rn coù trang bò tích voâ höôùng Euclid. Theå tích n k chieàu cuûa hình bình haønh taïo bôûi v1, ··· ,vk ∈ R , ñöôïc ñònh nghóa qui naïp theo k: ⊥ V1(v1)=v1,Vk(v1, ··· ,vk)=Vk−1(v1, ··· ,vk−1)vk ⊥ trong ñoù vk = vk + vk laø phaân tích: vk laø hình chieáu vuoâng goùc cuûa vk leân khoâng gian sinh bôûi v1, ··· ,vk−1. Coâng thöùc tính. Goïi G(v1, ··· ,vk)=( )1≤i,j≤k laø ma traän Gramm. Khi ñoù Vk(v1, ··· ,vk)= det G(v1, ··· ,vk)
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 26 Chöùng minh: Töông töï coâng thöùc cho dieän tích (Baøi taäp). 2.3 Phaàn töû ñoä daøi - Ñoä daøi ñöôøng cong. Cho C ⊂ R3 laø ñöôøng cong cho bôûi tham soá hoaù ϕ : I → R3,ϕ(t)=(x(t),y(t),z(t)) Ta caàn tính ñoä daøi l C cuûa ñöôøng cong. ( ) Phaân hoaïch I thaønh caùc ñoaïn con Ii =[ti,ti +∆ti]. Khi ñoù l(C)= i l(ϕ(Ii)). Khi ∆ti beù, thì l(ϕ(Ii)) ∼ l(ϕ (ti)∆ti)=ϕ (ti)∆ti. 2 2 2 Ñònh nghóa phaàn töû ñoä daøi : dl = ϕ (t)dt = x t + y t + z t dt Ñònh nghóa ñoä daøi cuûa C: 2 2 2 l(C)= dl = x t + y t + z t dt C I 2.4 Phaàn töû dieän tích - Dieän tích maët. Cho S ⊂ R3 laø maët cong cho bôûi tham soá hoaù ϕ : U → R3,ϕ(u, v)=(x(u, v),y(u, v),z(u, v)) Ta caàn tính dieän tích cuûa maët S. Gæa söû U coù theå phaân hoaïch bôûi caùc hình chöõ nhaät beù U u ,u u × v ,v v . i =[ i i +∆ i] [ i i +∆ i] Khi ñoù dt(S)= i dt(ϕ(Ui)). Khi ∆ui, ∆vi beù, thì dt(ϕ(Ui)) ∼ dt(D1ϕ(ui,vi)∆ui,D2ϕ(ui,vi)∆vi). Ñònh nghóa phaàn töû dieän tích : 2 dS = dt(D1ϕ, D2ϕ)dudv = EG − F dudv, trong ñoù 2 2 2 2 E = D1ϕ = xu + yu + zu 2 2 2 2 G = D2ϕ = xv + yv + zv F = = xuxv + yuyv + zuzv Khi ñoù ñònh nghóa dieän tích cuûa S : dt(S)= dS = EG − F 2dudv S U 2.5 Phaàn töû theå tích - Theå tích hình khoái. Cho H laø hình khoái cho bôûi tham soá hoaù ϕ : A → R3,ϕ(u, v, w)=(x(u, v, w),y(u, v, w),z(u, v, w)) Ñeå tính theå tích H, baèng laäp luaän töông töï nhö caùc phaàn treân, ta coù caùc ñònh nghóa: Phaàn töû theå tích: dV = tt(D1ϕ, D2ϕ, D3ϕ)dudvdw = | det Jϕ|dudvdw Theå tích H: V (H)= H dV = A | det Jϕ|dudvdw. Baây giôø ta toång quaùt hoaù caùc khaùi nieäm treân.
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 27 2.6 Phaàn töû theå tích treân ña taïp. Cho M ⊂ Rn laø ña taïp khaû vi k chieàu. Phaàn töû theå tích treân M laø aùnh xaï dV : M x → dV (x)=theå tích k chieàu haïn cheá treân TxM. Giaûø söû (ϕ, U) laø moät tham soá hoaù cuûa M taïi x = ϕ(u1, ··· ,uk). Khi ñoù dV (x)(D1ϕ(x)∆u1, ··· ,Dkϕ(x)∆uk)=Vk(D1ϕ(x), ··· ,Dkϕ(x))∆u1 ···∆uk Vaäy neáu ñaët Gϕ =( )1≤i,j≤k, thì qua tham soá hoùa dV = det Gϕ du1 ···duk 2.6 Tích phaân haøm treân ña taïp. Cho f : M → R laø haøm treân ña taïp khaû vik chieàu. Sau ñaây ta xaây döïng tích phaân cuûa f treân M (coøn goïi laø tích phaân loaïi 1) fdV M Neáu M = ϕ(U) vôùi (ϕ, U) laø tham soá hoùa, thì ñònh nghóa fdV = f ◦ ϕ det Gϕ, trong ñoù Gϕ =( )1≤i,j≤k. M U Khi k =1tích phaân treân goïi laø tích phaân ñöôøng vaø kyù hieäu fdl. M Khi k =2tích phaân treân goïi laø tích phaân maët vaø kyù hieäu fdS. M Tröôøng hôïp toång quaùt, khi M cho bôûi nhieàu tham soá hoùa, ngöôøi ta duøng kyõ thuïaât phaân hoaïch ñôn vò sau ñaây ñeå ‘daùn’ caùc tích phaân treân töøng tham soá hoaù. Cho O = {(ϕi,Ui):i ∈ I} laø hoï caùc tham soá hoaù M. Hoï Θ={θi : i ∈ I} goïi laø phaân hoaïch ñôn vò cuûa M phuø hôïp vôùi hoï O neáuu caùc ñieàu sau thoûa vôùi moïi i ∈ I: (P1) θi : M → [0, 1] lieân tuïc. (P2) suppθi = {x ∈ M : θ(x) =0 } laø taäp compact. (P3) suppθi ⊂ ϕi(Ui). (P4) Moïi x ∈ M, toàn taïi laân caän V cuûa x, sao cho chæ coù höõu haïn chæ soá i ∈ I θ treân V . i =0 (P5) i∈I θi(x)=1, ∀x ∈ M. Tính chaát (P4) goïi laø tính höõu haïn ñòa phöông cuûa hoï {supp θi,i ∈ I}. Do tính chaát naøy toång ôû (P5) laø toång höõu haïn vôùi moïi x. Ñònh lyù. Vôùi moïi hoï O caùc tham soá hoaù cuûa ña taïp M, toàn taïi hoï phaân hoaïch ñôn vò phuø hôïp vôùi O. Chöùng minh: Gæa söû M compact, k chieàu. Vôùi moïi x ∈ M, toàn taïi (ϕx,Ux) ∈Olaø −1 tham soá hoaù taïi x. Goïi Bx ⊃ Ux laø moät hình caàu taân ϕx (x). Gæa söû Bx = B(a, r). k Haøm gx : R → R ñöôïc ñònh nghóa nhö sau   − 1  e r2−u−a2 , neáuu − a≤r gx(u)=  0 , neáu u − a >r.
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 28 ∞ −1 Khi ñoù gx ∈ C (baøi taäp). Ñaët g˜x(y)=gx(ϕx (y)), neáu y ∈ ϕx(Ux), vaøø g˜x(y)=0, neáu y ∈ ϕx(Ux). Khi ñoù g˜x lieân tuïc treân M.VìM compact, toàn taïi höõu haïn g˜xi x1, ··· ,xN ∈ M, sao cho ϕx1 (Bx1 ), ···ϕxN (BxN ) phuû M Ñaët θi = . g˜x1 + ···+˜gxN Khi ñoù hoï {θi : i =1, ···N} laø phaân hoaïch ñôn vò caàn tìm. Khi M khoâng compact, toàn taïi hoï ñeám ñöôïc caùc taäp ϕx(Bx), höõu haïn ñòa phöông phuû M. Laäp luaän töông töï nhö treân coù theå xaây döïng phaân hoaïch ñôn vò trong tröôøng hôïp naøy. Gæa söû ña taïp M ñöôïc tham soá hoaù bôûi hoï O = {(ϕi,Ui):i ∈ I}. Theo ñònh lyù treân ta coù hoï Θ={θi : i ∈ I} laø phaân hoaïch ñôn vò cuûa M phuø hôïp vôùi O. Ñònh nghóa fdV = θifdV (= θif ◦ ϕi det Gϕi ). M i∈I ϕi(Ui) i∈I Ui vôùi gæa thieát veá phaûi toàn taïi. Chaúng haïn, khi M compact vaø f lieân tuïc. Nhaän xeùt. Ñònh nghóa treân khoâng phuï thuoäc hoï tham soá vaø phaân hoaïch ñôn vò. Chöùng minh: Khi hai tham soá hoaù cuûa M thoûa ϕ(U)=ψ(W ). Khi ñoù ψ = ϕ ◦ h, vôùi h laø vi phoâi. Deã kieåm tra caùc ma traän Gramm quan heä vôùi nhau theo coâng thöùc t Gψ(w)= Jh(w)Gϕ(h(w))Jh(w). Theo coâng thöùc ñoåi bieán, ta coù f ◦ ϕ det Gϕ = f ◦ ϕ ◦ h| det Jh| det Gϕ ◦ h U W t = f ◦ ψ det JhGϕ ◦ h det Jh = f ◦ ψ det Gψ. W W Vaäy ñònh nghóa khoâng phuï thuoäc tham soá hoaù. Neáu Θ = {θj : j ∈ J} laø moät phaân hoaïch ñôn vò khaùc cuûa M. Khi ñoù θjf = ( θi)θjf = θiθjf = θjθif = ( θj)θif. j M j M i i,j M i,j M i M j Vaäy ñònh nghóa cuõng khoâng phuï thuoäc phaân hoaïch ñôn vò. Nhaéc laïi caùc coâng thöùc tính: n Khi ϕ : I → R ,ϕ(t)=(x1(t), ··· ,xn(t)) laø tham soá hoaù ñöôøng cong C. Ta coù 2 2 fdl = f ◦ ϕ ϕ = f(ϕ(t)) (x1) (t)+···+(xn) (t)dt. C I I Khi ϕ : U → R3,ϕ(u, v)=(x(u, v),y(u, v),z(u, v)) laø tham soá hoaù maët S. Ta coù fdS = f ◦ ϕ EG − F 2, S U trong ñoù 2 2 2 2 E = D1ϕ = xu + yu + zu 2 2 2 2 G = D2ϕ = xv + yv + zv F = = xuxv + yuyv + zuzv
II.2 Tích phaân haøm soá treân ña taïp. 29 Ví duï. a) Ñoä daøi ñöôøng xoaén C: x = a cos t, y = a sin t, z = bt, t ∈ [0,h], laø h dl = a2 sin2 t + a2 cos2 t + b2dt = h a2 + b2 C 0 b) Ñeå tính dieän tích maët caàu baùn kính R, tröôùc heát tham soá hoaù, chaúng haïn ϕ(φ, θ)=(R cos φ sin θ, R sin φ sin θ, R cos θ), (φ, θ) ∈ U =(0, 2π) × (0,π) Khi ñoù caùc vector tieáp xuùc cuûa caùc ñöôøng toïa ñoä: D1ϕ(φ, θ)=(−R sin φ sin θ, R cos φ sin θ, 0) D2ϕ(φ, θ)=(R cos φ cos θ, R sin φ cos θ, −R sin θ). Suy ra E = R2 sin2 θ, F =0,G= R2. Dieän tích maët caàu laø 2π π dS = EG − F 2dφdθ = R2 sin θdφdθ =4πR2 S U 0 0 c) Ñeå tính theå tích hình caàu baùn kính R, coù theå duøng tham soá hoaù ϕ(r, φ, θ)=(r cos φ sin θ, r sin φ sin θ, r cos θ), (r, φ, θ) ∈ U =(0,R) × (0, 2π) × (0,π) Khi ñoù D1ϕ(r, φ, θ)=(cosφ sin θ, sin φ sin θ, cos θ) D2ϕ(r, φ, θ)=(−r sin φ sin θ, r cos φ sin θ, 0) D3ϕ(r, φ, θ)=(r cos φ cos θ, r sin φ cos θ, −r sin θ). Theå tích hình caàu laø dV = det( )drdφdθ B(0,R) U 10 0 R 2π π 4 = 0 r2 sin2 θ 0 drdφdθ = πR3 0 0 0 2 3 00r
III. Daïng vi phaân Khi tính tích phaân treân ña taïp ta caàn moät ñoái töôïng baát bieán vôùi pheùp tham soá hoaù. Ví du ïñôn giaûn nhaát laø khi tính tích phaân treân R, theo coâng thöùc ñoåi bieán ta coù b β f(x)dx = f(ϕ(t))ϕ(t)dt a α trong ñoù ϕ laø vi phoâi töø (α, β) leân (a, b). Ngöôøi ta ñöa vaøo khaùi nieäm daïng vi phaân baäc 1: ω = f(x)dx vaø pheùp ñoåi bieán: ϕ∗ω = f(ϕ(t))ϕ(t)dt. Khi ñoù coâng thöùc treân coù theå vieát laïi laø b β ω = ϕ∗ω a α Ngoaøi ra daïng vi phaân cuõng laø khaùi nieäm thích hôïp ñeåå tích phaân tröôøng vector treân ña taïp seõ ñöôïc ñeà caäp ñeán ôû chöông sau. Chöông naøy xeùt ñeán caùc daïng vi phaân vaø caùc pheùp toaùn treân chuùng. 1. DAÏNG k-TUYEÁN TÍNH PHAÛN ÑOÁI XÖÙNG. 1.1. Ñònh nghóa. Cho V laø khoâng gian vector treân R. Moät daïng k-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng treân V laø moät aùnh xaï ω V ×···×V → R : k laàn thoûa caùc ñieàu kieän sau vôùi moïi v1, ··· ,vk ∈ V , α ∈ R vaø 1 ≤ i<j≤ k: (A1) ω(v1, ··· ,vi + vi, ··· ,vk)=ω(v1, ··· ,vi, ··· ,vk)+ω(v1, ··· ,vi, ··· ,vk). (A2) ω(v1, ··· ,αvi, ··· ,vk)=αω(v1, ··· ,vi, ··· ,vk). (A3) ω(v1, ··· ,vi, ··· ,vj, ··· ,vk)= − ω(v1, ··· ,vj, ··· ,vi, ··· ,vk). Nhaän xeùt. Ñieàu kieän (A1)(A2) coù nghóa laø ω tuyeán tính theo töøng bieán Nhaän xeùt. Ñieàu kieän (A3) töông ñöông vôùi moät trong caùc ñieàu kieän sau: (A3’) ω(v1, ··· ,vi ··· ,vj, ··· ,vk)=0, neáu vi = vj, vôùi moïi i = j. (A3”) ω v , ··· ,v σ ω v , ··· ,v , ( σ(1) σ(k))= ( ) ( 1 k) vôùi moïi hoaùn vò σ cuûa {1, ··· ,k}, (σ) laø kyù soá (= sign i<j(σ(j) − σ(j))). Chöùng minh: (A3) ⇒ (A3’): Trong bieåu thöùc cuûa (A3) neáu vi = vj, thì 2ω(v1, ··· ,vi ··· ,vi, ··· ,vk)=0. Suy ra (A3’). (A3’) ⇒ (A3): Trong bieåu thöùc cuûa (A3’) neáu vi = vj = v + w, thì töø (A1) (A3’) suy ra ω(v1, ··· ,v,··· ,w,··· ,vk)+ω(v1, ··· ,w,··· ,v,··· ,vk)=0. (A3) ⇒ (A3”): AÙp duïng moïi pheùp hoaùn vò laø hôïp cuûa caùc pheùp chuyeån vò, kyù soá moãi pheùp chuyeån vò laø −1, vaø kyù soá cuûa hôïp 2 hoaùn vò baèng tích kyù soá cuûa 2 hoaùn vò ñoù.
III.1. Daïng k-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng. 32 (A3”) ⇒ (A3): AÙp duïng (A3”) vôùi σ laø chuyeån vò i vaø j. Ví duï. Cho F laø moät vector trong R3. Khi ñoù: 3 3 a) WF (v)= ,v∈ R , laø daïng 1-tuyeán tính treân R (coâng cuûa F doïc theo v) 3 b) ωF (v1,v2)= , v1,v2 ∈ R , laø daïng 2-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng treân 3 R (thoâng löôïng cuûa F qua hình bình haønh taïo bôûi v1,v2) n c) Ñònh thöùc laø daïng n-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng treân R . Giaù trò det(v1, ··· ,vn) laø n theå tích coù höôùng cuûa bình haønh taïo bôûi v1, ··· ,vn ∈ R . 1.2 Khoâng gian vector Λk(V ). Kyù hieäu Λk(V ) laø taäp moïi daïng k-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng treân V . Treân taäp naøy ta ñònh nghóa 2 pheùp toaùn: (ω + γ)(v1, ··· ,vk)=ω(v1, ··· ,vk)+γ(v1, ··· ,vk) k (αω)(v1, ··· ,vk)=αω(v1, ··· ,vk) , vôùi ω, γ ∈ Λ (V ),α∈ R. Deã thaáy (Λk(V ), +, ·) laø khoâng gian vector treân R. Ví duï. a) Λ1(V ) chính laø khoâng gian ñoái ngaãu cuûa V , i.e. Λ1(V )=V ∗ = L(V,R). ∗ b) Cho ϕ1,ϕ2 ∈ V . Ñònh nghóa daïng 2-tuyeán tính: ϕ1 ∧ ϕ2 : V × V → R, ϕ1(v1) ϕ1(v2) (ϕ1 ∧ ϕ2)(v1,v2)=ϕ1(v1)ϕ2(v2) − ϕ2(v1)ϕ1(v2) = det ϕ2(v1) ϕ2(v2) Veà maët hình hoïc giaù trò treân chính laø dieän tích coù höôùng cuûa hình bình haønh trong R2 2 taïo bôûi ϕ(v1),ϕ(v2), trong ñoù ϕ =(ϕ1,ϕ2):V → R . ∗ 1.3 Tích ngoaïi. Cho ϕ1, ··· ,ϕk ∈ V . Tích ngoaïi cuûa caùc daïng treân laø moät k-daïng k ϕ1 ∧···∧ϕk ∈ Λ (V ), ñöôïc ñònh nghóa: ϕ1∧···∧ϕk(v1, ··· ,vk)= (σ)ϕσ(1)(v1) ···ϕσ(k)(vk)=det(ϕi(vj)),v1, ··· ,vk ∈ V, σ i.e. ϕ1 ∧···∧ϕk = (σ)ϕσ(1) ⊗···⊗ϕσ(k). σ 1 Tính chaát. Vôùi moïi ϕ1, ··· ,ϕk,ϕi ∈ Λ (V ),α,β∈ R vaø i =1, ··· ,k, (1) ϕ1 ∧···∧(αϕi +βϕi)∧···∧ϕk = αϕ1 ∧···∧ϕi ∧···∧ϕk +βϕ1 ∧···∧ϕi ∧···∧ϕk. (2) ϕσ(1) ∧···∧ϕσ(k) = (σ)ϕ1 ∧···∧ϕk, vôùi σ laø hoaùn vò. Chöùng minh: Suy töø tính chaát cuûa ñònh thöùc. 1.4 Bieåu dieãn daïng k-tuyeán tính phaûn ñoái xöùng. Cho V laø moät khoâng gian vector ∗ k treân R. Giaû söû ϕ1, ··· ,ϕn laø moät cô sôû cuûa V . Khi ñoù moät cô sôû cuûa Λ (V ) laø heä {ϕ ∧···∧ϕ , ≤ i < ···<i ≤ n}. i1 ik 1 1 k Nhö vaäy moïi ω ∈ Λk(V ) coù bieåu dieãn duy nhaát döôùi daïng ω a ϕ ∧···∧ϕ = i1···ik i1 ik 1≤i1<···<ik≤n
III.2 Daïng vi phaân. 33 k k n! vaø dim Λ (V )=Cn = . (n − k)!k! Chöùng minh: Goïi {ϕ1, ··· ,ϕn} laø cô sôû ñoái ngaãu cuûa {e1, ··· ,en}, i.e. ϕi(ej)=δij (delta Kronecker). k Cho ω ∈ Λ (V ). Cho v1, ··· ,vk ∈ V . Khi ñoù v ϕ v e , ··· ,v ϕ v e , 1 = i1 ( 1) i1 k = ik ( k) ik i1 ik ω v , ··· ,v ω ϕ v e , ··· , ϕ v e ( 1 k)= ( i1 ( 1) i1 ik ( k) ik ) i1 ik ϕ v ···ϕ v ω e , ··· ,e = i1 ( 1) ik ( k) ( i1 ik ) i1,···,ik ϕ v ···ϕ v σ ω e , ··· ,e = iσ(1) ( 1) iσ(k) ( k) ( ) ( i1 ik ) σ i1 n, Λ (V ) coù soá chieàu laø Cn =1, vaø moïi ω ∈ Λ (V ) coù bieåu dieãn ω = aϕ1 ∧···∧ϕn, vôùi a ∈ R . 2. DAÏNG VI PHAÂN 2.1 Ñònh nghóa. Cho U laø taäp môû trong Rn. Moät daïng vi phaân baäc k hay k-daïng vi phaân treân U laø moät aùnh xaï ω : U → Λk(Rn). Daïng vi phaân ω goïi laø thuoäc lôùp Cp neáu aùnh xaï treân thuoäc lôùp C p. k p k k Kyù hieäu Ωp(U) laø taäp moïi k-daïng vi phaân lôùp C treân U, vaø Ω (U)=Ω∞(U). k Deã thaáy Ωp(U) coù caáu truùc khoâng gian vector. Ví duï. Cho U ⊂ R3 vaø F : U → R3 laø moät tröôøng vector. Khi ñoù caùc daïng vi phaân sau ñöôïc duøng ñeå ñaùnh giaù thoâng löôïng cuûa F doïc theo moät ñöôøng hay qua moät maët 1 3 a) WF : U → Λ (R ),WF (x, y, z)(v)= 2 3 b) ωF : U → Λ (R ),ω(x, y, z)(v1,v2)= .
III.2 Daïng vi phaân. 34 Cho f : U → R laø haøm lôùp Cp+1. Khi ñoù vôùi moïi x ∈ U, f (x):Rn → R laø daïng tuyeán tính. Ta ñònh nghóa vi phaân cuûa f laø 1-daïng vi phaân df : U → Λ1(Rn),x → df (x)=f (x). n Xeùt haøm toïa ñoä thöù ixi : R → R, (x1, ··· ,xn) → xi. Ta coù n dxi(x)(v)=xi(x)v = vi,v=(v1, ··· ,vn) ∈ R . Vaäy ∂f ∂f df (x)(v)=f (x)v = (x)v1 + ···+ (x)vn ∂x1 ∂xn ∂f ∂f = (x)dx1(x)(v)+···+ (x)dxn(x)(v). ∂x1 ∂xn n ∂f Hay laø df dx . = ∂x i i=1 i 1 2.2 Bieåu dieãn daïng vi phaân. Tích ngoaïi cuûa caùc 1-vi phaân ϕ1, ··· ,ϕk ∈ Ω (U): (ϕ1 ∧···∧ϕk)(x)=ϕ1(x) ∧···∧ϕk(x),x∈ U, 1 laø moät k-daïng vi phaân treân U. Do caùc 1-daïng dx1, ··· ,dxn laø moät cô sôû cuûa Ω (U), neân caùc k-daïng vi phaân treân U coù bieåu dieãn duy nhaát döôùi daïng ω a dx ∧···∧dx , = i1···ik i1 ik 1≤i1<···<ik≤n trong ñoù a laø caùc haøm treân U vaø thuoäc lôùp Cp neáu ω laø daïng lôùp Cp. i1···ik Ví duï. Neáu U ⊂ R3, thì ta thöôøng kyù hieäu caùc toïa ñoä laø (x, y, z). Khi ñoù Caùc 0-daïng vi phaân chính laø caùc haøm f : U → R. Caùc 1-daïng vi phaân coøn goïi laø daïng Pfaff vaø coù bieåu dieãn Pdx+ Qdy + Rdz . Caùc 2-daïng vi phaân coù bieåu dieãn Adx ∧ dy + Bdy ∧ dz + Cdz ∧ dx . Caùc 3-daïng vi phaân coù bieåu dieãn fdx∧ dy ∧ dz . Baøi taäp: Cho U ⊂ R3 vaø F : U → R3, F =(P, Q, R). Chöùng minh caùc daïng vi phaân cho ôû ví duï 2.1 coù bieåu dieãn a) WF = Pdx+ Qdy + Rdz b) ωF = Pdy∧ dz + Qdz ∧ dx + Rdx ∧ dy . 2.3 Toaùn töû ñoåi bieán. Cho U, V laø caùc taäp môû trong Rm, Rn töông öùng. Giaû söû ϕ : U → V, u =(u1, ··· ,um) → x =(ϕ1(u), ··· ,ϕn(u)) laø aùnh xaï khaû vi. Khi ñoù toaùn töû ñoåi bieán ϕ∗ :Ωk(V ) → Ωk(U),ω → ϕ∗ω ñöôïc ñònh nghóa nhö sau ω a x dx ∧···∧dx , = i1···ik ( ) i1 ik 1≤i1<···<ik≤n ϕ∗ω u a ϕ u dϕ ∧···∧dϕ . ( )= i1···ik ( ( )) i1 ik 1≤i1<···<ik≤n
III.2 Daïng vi phaân. 35 Ví duï. a) Cho ϕ : R → R2,ϕ(t)=(x =cost, y =sint) vaø ω(x, y)=xdy − ydx. Khi ñoù ϕ∗ω(t)=costd(sin t) − sin td(cos t)=dt. b) Cho ϕ : R2 → R2,ϕ(r, θ)=(x = r cos θ, y = r sin θ) v ω(x, y)=dx ∧ dy. Khi ñoù ϕ∗ω(r, θ)=d(r cos θ) ∧ d(r sin θ) =(cosθdr − r sin θdθ) ∧ (sin θdr + r cos θdθ) = rdr ∧ dθ (do dr ∧ dr = dθ ∧ dθ =0,dθ∧ dr = −dr ∧ dθ). Tính chaát. ∗ ∗ ∗ k (1) ϕ (ω1 + ω2)=ϕ (ω1)+ϕ (ω2),ω1,ω2 ∈ Ω (V ). ∗ ∗ ∗ 1 (2) ϕ (γ1 ∧···∧γk)=ϕ (γ1) ∧···∧ϕ (γk),γ1, ··· ,γk ∈ Ω (V ). m ∂ϕ (3) ϕ∗ dx dϕ i du . ( i)= i = ∂u j j=1 j Chöùng minh: Xem nhö baøi taäp. Baøi taäp: Cho ϕ : Rn → Rn khaû vi. Chöùng minh ∗ ϕ (f(x)dx1 ∧···∧dxn)=f(ϕ(u)) det ϕ (u)du1 ∧···∧dun. Nhaän xeùt. Coù theå ñònh nghóa toaùn töû ñoåi bieán khoâng qua bieåu dieãn treân toïa ñoä (i.e. ñònh nghóa khoâng phuï thuoäc heä toïa ñoä) nhö sau ∗ ϕ ω(u)(v1, ··· ,vk)=ω(ϕ(u))(ϕ (u)v1, ··· ,ϕ(u)vk). 2.4 Toaùn töû vi phaân. Vôùi moãi k ∈ N, toaùn töû vi phaân ñöôïc ñònh nghóa nhö sau d :Ωk(U) → Ωk+1(U), d a dx ∧···∧dx da ∧ dx ∧···∧dx . ( i1···ik i1 ik )= i1···ik i1 ik 1≤i1<···<ik≤n 1≤i1<···<ik≤n Ví duï. Vôùi n =2, kyù hieäu toïa ñoä laø (x, y). Khi ñoù d (Pdx+ Qdy)=dP ∧ dx + dQ ∧ dy ∂P ∂P ∂Q ∂Q = dx + dy ∧ dx + dx + dy ∧ dy ∂x ∂y ∂x ∂y ∂Q ∂P − dx ∧ dy = ∂x ∂y (ñeå yù laø dx ∧ dx = dy ∧ dy =0,dy∧ dx = −dx ∧ dy). 2 Trong R3 cho daïng vi phaân ω(x, y, z)=sinxydx + ex +ydy +arctgxdz.
III.2 Daïng vi phaân. 36 Khi ñoù 2 dω =(d sin xy) ∧ dx + d(ex +y) ∧ dy + d(arctgx) ∧ dz 2 2 1 =(y cos xydx + x cos xydy) ∧ dx +(2xex +ydx + ex +ydy) ∧ dy + dx ∧ dz 1+x2 2 1 =(2xex +y − x cos xy)dx ∧ dy − dz ∧ dx. 1+x2 Baøi taäp: Tính d (P (x, y, z)dx + Q(x, y, z)dy + R(x, y, z)dz), vaø d (P (x, y, z)dx ∧ dz + Q(x, y, z)dz ∧ dx + Q(x, y, z)dx ∧ dy) . Nhaän xeùt. Neáu ω ∈ Ωk(Rn) vôùi k ≥ n, thì dω =0. Tính chaát. k (1) d(ω1 + ω2)=dω1 + dω2, ∀ω1,ω2 ∈ Ω (U). 1 (2) d(γ1 ∧ γ2)=dγ1 ∧ γ2 − γ1 ∧ dγ2, ∀γ1,γ2 ∈ Ω (U) (3) d(dω)=0, i.e. d ◦ d =0. (4) d(ϕ∗ω)=ϕ∗(dω) , i.e. dϕ∗ = ϕ∗d. Chöùng minh: (1) laø roõ raøng. Do (1) ta chæ caàn chöùng minh (2) khi γ1 = adxi,γ2 = bdxj. Ta coù d(γ1 ∧ γ2)=d(adxi ∧ bdxj)=d(abdxi ∧ dxj) = d(ab) ∧ dxi ∧ dxj =(bda + adb) ∧ dxi ∧ dxj = bda ∧ dxi ∧ dxj + adb ∧ dxi ∧ dxj =(da ∧ dxi) ∧ bdxj − adxi ∧ db ∧ dxj = dγ1 ∧ γ2 − γ1 ∧ γ2. Tröôùc khi chöùng minh (3) ñeå ngaén goïn ta kyù hieäu: dx dx ∧···∧dx , I = i1 ik vôùi I =(i1, ··· ,ik) laø moät boä k chæ soá thuoäc {1, ···n}. Do (1) chæ caàn chöùng minh (3) khi ω = aI dxI . Ta coù ∂a d dω d da ∧ dx d I dx ∧ dx ( )= ( I I )= ∂x i I i i   ∂a ∂2a d I ∧ dx ∧ dx  I dx  ∧ dx ∧ dx = ∂x i I = ∂x ∂x j i I i i i j j i ∂2a − I dx ∧ dx ∧ dx do dx ∧ dx −dx ∧ dx = ∂x ∂x i j I ( i j = j i) i j i j = −d(dω)(thay ñoåi vai troøi, j) Vaäy 2d(dω)=0, suy ra (3). k Cuõng vaäy chæ caàn kieåm tra (4) khi ω = aI dxI ∈ Ω (V ). Ta coù ∗ d(ϕ ω)=d(aI ◦ ϕdϕI )=d(aI ◦ ϕ) ∧ dϕI . ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ ϕ (dω)=ϕ (daI ∧ dxI )=ϕ (daI ) ∧ ϕ (dyI )=ϕ (daI ) ∧ dϕI . ∗ Caàn chöùng minh d(aI ◦ ϕ)=ϕ (daI ). Ñaúng thöùc ñuùng laø do:   ∂a ∂a ◦ ϕ ∂a ◦ ϕ ∂ϕ ϕ∗ da ϕ∗  I dx  I dϕ I j du d a ◦ϕ . ( I )= ∂x j = ∂x j = ∂x ( ∂u i)= ( I ) j j j j j j i i
III.3 Boå ñeà Poincareù 37 Vaäy caùc tính chaát treân ñaõ ñöôïc chöùng minh. Nhaän xeùt. Do (4) toaùn töû d khoâng phuï thuoäc heä toïa ñoä. 3. BOÅ ÑEÀ POINCAREÙù 3.1 Daïng ñoù vaø daïng khôùp. Cho daïng vi phaân ω ∈ Ωk(U). ω goïi laø ñoùng treân U neáuu dω =0treân U. ω goïi laø khôùp treân U neáuu toàn taïi η ∈ Ωk−1(U) sao cho ω = dη. Nhaän xeùt. Neáu ω khôùp, thì ω ñoùng vì d(dη)=0. ydx − xdy Ví duï sau chæ ra daïng ñoùng nhöng khoâng khôùp: ω(x, y)= ∈ Ω1(R2 \ 0). x2 + y2 x2 − y2 y2 − x2 Daïng ω laø ñoùng, vì dω = dy ∧ dx − dx ∧ dy =0. (x2 + y2)2 (x2 + y2)2 Nhöng ω khoâng khôùp. Thaät vaäy, giaû söû toàn taïi haøm f ∈ Ω0(R2 \ 0), ω = df . Goïi ϕ(t) = (sin t, cos t). Khi ñoù ϕ∗ω = ϕ∗(df )=d(ϕ∗f)=d(f ◦ ϕ)=(f ◦ ϕ)dt. cos td(sin t) − sin td(cos t) Maët khaùc ϕ∗ω = = dt . Vaäy (f ◦ ϕ)(t) ≡ 1. sin2 t +cos2 t Suy ra f ◦ ϕ(t)=t+ const. Ñieàu naøy voâ lyù vì f ◦ ϕ laø haøm coù chu kyø ï 2π. 1 0 Khi moät daïng Pfaff ω = a1dx1 + ···+ andxn ∈ Ω (U), toàn taïi haøm f ∈ Ω (U) thoûa df = ω, thì f ñöôïc goïi laø moät tích phaân ñaàu cuûa ω. Noùi moät caùch khaùc f thoûa heä phöông trình vi phaân ñaïo haøm rieâng caáp moät ∂f ∂f = a1, ··· , = an. ∂x1 ∂xn Vaäy neáu ω coù tích phaân ñaàu (= khaû tích = khôùp), thì dω =0, i.e. caùc haøm a1, ··· ,an thoûa heä thöùc ∂aj ∂ai = vôùi moïi i, j =1, ··· ,n. ∂xi ∂xj Tính chaát hình hoïc cuûa taäp nhieàu khi quyeát ñònh baøi toaùn giaõi tích. Moät daïng ñoùng cuõng laø khôùp treân U, khi taäp U coù tính chaát hình hoïc sau: n 3.2 Taäp co ruùt ñöôïc. Taäp con U trong R goïi laø co ruùt ñöôïc veà moät ñieåm x0 ∈ U neáuu toàn taïi moät aùnh xaï lôùp C 1 h : U × [0, 1] → U, (x, t) → h(x, t) sao cho: h(x, 0) = x0 vaø h(x, 1) = x, ∀x ∈ U. Ví duï. Sau ñaây laø moät soá lôùp taäp co ruùt quan troïng:
III.3 Boå ñeà Poincareù 38 Taäp loài: taäp U goïi laø loài neáuu ∀x, y ∈ U ñoaïn [x, y]={x + t(y − x):t ∈ [0, 1]}⊂U. Chaúng haïn Rn, hình caàu, hình hoäp laø caùc taäp loài. Taäp hình sao: taäp U goïi laø hình sao neáuu ∃x0 ∈ U : ∀x ∈ U, [x0,x] ⊂ U. Trong caùc ví duï treân aùnh xaï h(x, t)=x0 + t(x − x0) thoûa Ñònh nghóa 3.2. Baøi taäp: Roõ raøng laø taäp loài laø taäp hình sao. Tìm ví duï taäp hình sao khoâng loài, taäp co ruùt ñöôïc khoâng hình sao. 3.3 Ñònh lyù (Boå ñeà Poincareù). Giaû söû U laø taäp môû trong Rn, vaø U co ruùt ñöôïc. Khi ñoù moïi daïng ñoùng treân U laø khôùp, i.e. ω ∈ Ωk(U),dω =0 ⇔∃η ∈ Ωk−1(U),ω= dη. Chöùng minh: Goïi Jt : U → U × [0, 1],Jt(x)=(x, t). Cho k =1, 2, ···. Tröôùc heát ta xaây döïng aùnh xaï tuyeán tính K :Ωk(U × [0, 1]) → Ωk−1(U), thoaû ∗ ∗ (∗) Kd + dK = J1 − J0 Moãi phaàn töû cuûa Ωk(U × [0, 1]) laø toång caùc daïng coù moät trong hai daïng sau: (1) a(x, t)dxI hay (2) b(x, t)dt ∧ dxJ , vôùi I =(i1, ··· ,ik),J =(j1, ··· ,jk−1). Vì vaäy chæ caàn ñònh nghóa K cho töøng daïng coù daïng treân. Ta ñònh nghóa K(a(x, t)dxI )=0 1 K(b(x, t)dt ∧ dxJ )= b(x, t)dt dxJ 0 Kieåm tra ñieàu kieän (∗) vôùi daïng (1): 1 ∂a (Kd + dK)(adxI )=K(da ∧ dxI )+d(0) = ( dt)dxI 0 ∂t ∗ ∗ =(a(x, 1) − a(x, 0)dxI =(J1 − J0 )(adxI ). Kieåm tra ñieàu kieän (∗) vôùi daïng (2): 1 (Kd + dK)(bdt ∧ dxJ )=K(db ∧ dt ∧ dxJ )+d(( bdt) ∧ dxJ ) 0 ∂b 1 = K( dxi ∧ dt ∧ dxJ )+d(( bdt) ∧ dxJ ) ∂xi 0 i 1 ∂b 1 − dt ∧ dx ∧ dx d bdt ∧ dx = ( ∂x ) i J + (( ) J ) 0 i i 0 1 1 = −d(( bdt) ∧ dxJ )+d(( bdt) ∧ dxJ )=0. 0 0 ∗ ∗ (J1 − J0 )(bdt ∧ dxJ )=b(x, 1)d(1) ∧ dxJ − b(x, 0)d(0) ∧ dxJ =0. k Baây giôøõ cho h : U × [0, 1] → U laø aùnh xaï co ruùt veà x0. Giaû söû ω ∈ Ω (U) ñoùng, i.e. dω =0. Ta chöùng minh η = Kh∗ω laø (k − 1)-daïng thoaû dη = ω. Do (∗) ta coù ∗ ∗ ∗ ∗ (Kd + dK)h ω =(J1 − J0 )h ω. ∗ ∗ ∗ ∗ ⇔ Kdh ω + dKh ω =(h ◦ J1) ω − (h ◦ J0) ω. ∗ ∗ ∗ ∗ ⇔ Kh dω + dKh ω =(idU ) ω − (x0) ω. ⇔ 0+dKh∗ω = ω +0.
III.3 Boå ñeà Poincareù 39 Vaäy η = Kh∗ω laø daïng caàn tìm. k Heä quûa. Neáu U laø taäp môû co ruùt ñöôïc, ω1,ω2 ∈ Ω (U), vaø dω1 = dω2, thì toàn taïi k−1 η ∈ Ω sao cho dη = ω1 − ω2. Ví duï. Taäp R2 \ 0 laø khoâng co ruùt ñöôïc vì toàn taïi daïng vi phaân ñoùng maø khoâng khôùp treân ñoù (xem ví duï ôû 3.1). Nhaän xeùt. Töø heä quûa treân, ta thaáy η thoaû boå ñeà Poincareù laø khoâng duy nhaát. Coù theå döïa vaøo chöùng minh cuûa ñònh lyù ñeå xaây döïng η ñeå dη = ω: η = Kh∗ω. Ví duï. Cho ω =(x2 − 2yz)dx +(y2 − 2zx)dy +(z2 − 2xy)dz ∈ Ω1(R3). Deã kieåm tra dω =0. Ñeå tìm f sao cho df = ω, nhö sau: Caùch 1:VìR3 laø taäp co ruùt veà 0 vôùi h(x, y, z, t)=(tx, ty, tz). Theo ñònh nghóa cuûa caùc toaùn töû, ta coù: h∗ω = t2(x2 − 2yz)(xdt + tdx)+t2(y2 − 2zx)(ydt + tdy)+t2(z2 − 2xy)(zdt + tdz). 1 1 1 Kh∗ω = t2(x2 − 2yz)xdt + t2(y2 − 2zx)ydt + t2(z2 − 2xy)zdt. 0 0 0 1 Suy ra f = Kh∗ω = (x3 + y3 + z3 − 6xyz) laø moät tích phaân ñaàu cuûa ω, i.e. df = ω. 3 Caùch 2: Haøm f thoaû df = ω, coù theå vieát laïi ∂f x2 − yz (1) ∂x = 2 ∂f y2 − zx (2) ∂y = 2 ∂f z2 − xy (3) ∂z = 2 Ñeå tìm f, ta laàn löôït tích phaân theo töøng bieán: x3 Töø (1) suy ra f = − 2xyz + ϕ(y, z) 3 ∂ϕ y3 Töø (2) suy ra = y2. Vaäy ϕ = + ψ(z). ∂y 3 ∂ψ z3 Töø (3) suy ra = z2. Vaäy ψ = + const. ∂z 3 1 Suy ra f = (x3 + y3 + z3) − 2xyz+ const 3 (Caùch 2 coù theå laøm cho caùc mieàn hình hoäp).
IV. Tích phaân daïng vi phaân 1. ÑÒNH HÖÔÙNG 1.1 Tröôøng vector. Cho M ⊂ Rn. Moät tröôøng vector treân M laø aùnh xaï n F : M → R ,F(x)=(F1(x), ··· ,Fn(x)) Veà maët hình hoïc xem tröôøng vector nhö hoï vector F (x) coù ñieåm goác ñaët taïi x. 1.2 Ñònh höôùng ñöôøng cong. Ñöôøng cong trôn C ⊂ R3, goïi laø ñònh höôùng τ neáuu τ : C → R3 laø tröôøng vector lieân tuïc vaø tieáp xuùc vôùi C, i.e. τ(x) tieáp xuùc vôùi C taïi x, vôùi moïi x ∈ C. HYH τ (x) H HHt x C : Ví duï. Ñöôøng troøn ñôn vò coù theå tham soá hoaù bôûi ϕ(t)=(cost, sin t),t ∈ (0, 2π). Khi ñoù tröôøng vector tieáp xuùc ϕ(t)=(− sin t, cos t) xaùc ñònh höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. 1.3 Ñònh höôùng maët. Cho S ⊂ R3 laø maët cong trôn. Ta noùi S laø ñònh höôùng ñöôïc neáuu toàn taïi tröôøng vector phaùp lieân tuïc treân S, i.e. toàn taïi N : S → R3, lieân tuïc vaø N(x) ⊥ TxS, ∀x ∈ S. Khi ñoù S goïi laø ñònh höôùng phaùp N. N(x) BMB B B Bs - x S
IV.1. Ñònh höôùng. 42 Ví duï. a) Maët caàu laø ñònh höôùng ñöôïc vaø coù theå choïn moät trong hai höôùng: höôùng phaùp trong hay höôùng phaùp ngoaøi. Cuï theå khi tham soá hoaù maët caàu bôûi ϕ(φ, θ)=(cosφ sin θ, sin φ sin θ, cos θ), (φ, θ) ∈ (0, 2π) × (0,π). Vôùi tham soá hoaù ñoù, caùc vector tieáp xuùc vôùi caùc ñöôøng toïa ñoä laø ∂ϕ ∂ϕ − φ θ, φ θ, , − φ θ, φ θ, − θ ∂φ =( sin sin cos sin 0) ∂θ =( cos cos sin cos sin ) ∂ϕ ∂ϕ Deã kieåm tra höôùng phaùp N × laø höôùng phaùp trong. = ∂φ ∂θ b) Laù Mobius¨ cho ta moät ví duï veà maët khoâng ñònh höôùng ñöôïc. 1.4 Ñònh höôùng khoâng gian vector. Döïa vaøo tröïc quan: treân R coù theå ñònh hai höôùng (döông neáu cuøng höôùng vôùi chieàu taêng, aâm neáu ngöôïc laïi). Trong R2 coù theå ñònh hai höôùng (thuaän hay ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà). Ta coù ñònh nghóa sau. Cho V laø khoâng gian vector k chieàu treân R. Trong Ñaïi soá tuyeán tính ta ñaõ bieát laø neáu v , ··· ,v vaø w , ··· ,w laø caùc cô sôû cuûa V , thì toàn taïi ma traän chuyeån cô ( 1 k) ( 1 k) sôû P =(pij)k×k sao cho wj = i pijvi. Ta noùi (v1, ··· ,vk) vaø (w1, ··· ,wk) cuøng höôùng neáuu det P>0, (v1, ··· ,vk) vaø (w1, ··· ,wk) ngöôïc höôùng neáuu det P<0. Nhö vaäy treân taäp caùc cô sôû cuûa V ñöôïc chia thaønh hai lôùp töông ñöông, moãi lôùp goàm caùc cô sôû cuøng höôùng vôùi nhau. Lôùp cuønh höôùng vôùi (v1, ··· ,vk) kyù hieäu laø [v1, ··· ,vk], lôùp caùc cô sô ngöôïc höôùng kyù hieäu laø −[v1, ··· ,vk]. Khoâng gian V goïi laø ñaõ ñònh höôùng µ neáu ta choïn moät höôùng µ =[v1, ··· ,vk]. Ví duï. Trong Rk cô sôû chính taéc xaùc ñònh höôùng chính taéc. Theo ngoân ngöõ tröïc quan, höôùng chính taéc trong R laø höôùng döông, höôùng chính taéc trong R2 laø höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà, coøn höôùng chính taéc trong R3 laø höôùng tam dieän thuaän. → → e2 e3 6 6 e→ $ 2 - - - → → → e1 e1 e1 Höôùng chính taéc cuûa R1, R2, R3 1.5 Ñònh höôùng ña taïp. Cho M ⊂ Rn laø ña taïp khaû vi k chieàu. Moät hoï höôùng µ = {µx : µx laø moät höôùng treân TxM,x ∈ M} goïi laø töông thích neáuu chuùng bieán ñoåi moät caùch lieân tuïc theo nghóa sau: vôùi moïi a ∈ M, toàn taïi tham soá hoaù (ϕ, U) taïi a sao cho [D1ϕ(u), ··· ,Dkϕ(u)] = µϕ(u), vôùi moïi u ∈ U.
IV.1. Ñònh höôùng. 43 M goïi laø ñònh höôùng ñöôïc neáuu toàn taïi moät hoï höôùng töông thích treân M. M goïi laø ñònh höôùng µ neáuu M ñònh höôùng ñöôïc vaø hoï höôùng töông thích µ ñöôïc choïn. Khi ñoù moät tham soá hoaù nhö treân goïi laø tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng µ. Nhaän xeùt. Ñoái vôùi maët cong trong R3, vieäc xaùc ñònh höôùng nhö ñònh nghóa treân töông ñöông vôùi vieäc xaùc ñònh tröôøng vector phaùp lieân tuïc. Ta coù N = D1ϕ×D2ϕ laø tröôøng phaùp vector. 1.6. Höôùng caûm sinh treân bôø. Meänh ñeà. Cho M laø ña taïp khaû vi coù bôø ∂M. Neáu M ñònh höôùng ñöôïc, thì ∂M cuõng ñònh höôùng ñöôïc. Chöùng minh: Gæa söû O laø hoï tham soá hoaù cuûa M xaùc ñònh höôùng µ. Vôùi moïi ϕ, U ∈O, goïi i Rk−1 → Rk,iu , ··· ,u u , ··· ,u , . Khi ( ) : ( 1 k−1)=( 1 k−1 0) ñoù hoï {(ϕ ◦ i, i−1(U)) : (ϕ, U) ∈O,U Hk = ∅} laø hoï tham soá hoaù ∂M. Vôùi moãi x ∈ ∂M, vaø (ϕ, U) ∈Olaø hoï tham soá hoaù taïi x, ñònh nghóa x =[D1ϕ(u), ··· ,Dk−1ϕ(u)],x= ϕ(u). Ta seõ chöùng minh x khoâng phuï thuoäc tham soá hoaù (ϕ, U) ∈O, vaø do vaäy hoï ∂M, = {x : x = ϕ(u) ∈ ∂M,(ϕ, U) ∈O} laø moät hoï höôùng töông thích treân ∂M. Neáu (ϕ, U), (ψ, W) ∈Olaø caùc tham soá hoaù taïi x, thì ψ = ϕ ◦ h vôùi det h > 0. Toïa ñoä thöù k cuûa h thoaû: hk(w1, ··· ,wk−1, 0) = 0, va hk(w1, ··· ,wk−1,wk) > 0khiwk > 0. Suy ra vôùi w =(w1, ··· ,wk−1, 0), doøng cuoái cuûa ma traän h (w) laø (D1hk(w)=0 ··· Dk−1hk(w)=0 Dkhk(w) > 0). Do ñoù det h (w)=det(h ◦ i) (w1, ··· ,wk−1)Dkhk(w) > 0. Vaäy det(h ◦ i) (w1, ··· ,wk−1) > 0. Maø (h ◦ i) (w) chính laø ma traän chuyeån cô sôû D1ϕ(u), ··· ,Dk−1ϕ(u) sang cô sôû D1ψ(w), ··· ,Dk−1ψ(w) trong khoâng gian Tx∂M (x = ψ(w)=ϕ(u)), neân [D1ψ(w), ··· ,Dk−1ψ(w)] = [D1ϕ(u), ··· ,Dk−1ϕ(u)]. Do vaäy x ñöôïc ñònh nghóa khoâng phuï thuoäc tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng µx. Ñònh nghóa. Cho M laø ña taïp ñònh höôùng µ. Khi ñoù treân ∂M ta xaùc ñònh höôùng caûm sinh ∂µ nhö sau: Vôùi moïi x ∈ ∂M, goïi (ϕ, U) laø tham soá hoaù taïi x cuûa M xaùc ñònh höôùng µ, i.e. µx =[D1ϕ(u), ··· ,Dkϕ(u)]. Khi ñoù ñònh nghóa k ∂µx =(−1) [D1ϕ(u), ··· ,Dk−1ϕ(u)]. (Daáu (−1)k ñeå thuaän tieän cho coâng thöùc Stokes sau naøy) Nhaän xeùt. Goïi ϕ laø tham soá hoaù ñònh höôùng µ taïi x = ϕ(u).VìTx∂M laø khoâng gian
IV. Tích phaân daïng vi phaân. 44 vector con cuûa TxM coù ñoái chieàu 1, neân vôùi moãi v ∈ TxM \ Tx∂M xaûy ra moät trong hai tröôøng hôïp: k (1) v höôùng vaøo trong M, neáu v ∈ ϕ (u)(H+) (2) v höôùng ra ngoaøi M, neáu ngöôïc laïi tröôøng hôïp (1). Veà maët tröïc quan, ta nhaän bieát höôùng treân ∂M laø höôùng caûm sinh nhö sau: Cho v1, ··· ,vk−1 laø cô sôû Tx∂M. Khi ñoù neáu v ∈ TxM laø vector höôùng vaøo trong M vaø xaùc ñònh höôùng µ =[v1, ··· ,vk−1,v], thì höôùng caûm sinh treân bôø laø k ∂µx =(−1) [v1, ··· ,vk−1] v © s - x Chaúng haïn, neáu Hk ñònh höôùng chính taéc, thì höôùng caûm sinh treân ∂Hk = Rk−1 × 0 truøng vôùi höôùng chính taéc treân Rk−1 neáu k chaün, vaø ngöôïc vôùi höôùng chính taéc ñoù neáu k leû. Ví duï. Tröïc quan hôn nöõõa: Neáu mieàn M trong R2 ñònh höôùng chính taéc hay laø maët cong trong R3 ñònh höôùng phaùp N, thì höôùng caûm sinh treân ñöôøng cong ∂M laø höôùng ‘ñi doïc theo ñoù mieàn ôû phía traùi’. Neáu M laø mieàn trong R3 ñònh höôùng chính taéc, thì höôùng caûm sinh treân maët cong ∂M laø höôùng ‘phaùp tuyeán ngoaøi’. 2. TÍCH PHAÂN DAÏNG VI PHAÂN Tröôùc heát laø moät vaøi gôïi yù cho vieäc xaây ñöïng tích phaân cuûa tröôøng vector hay cuûa daïng vi phaân. 3 Cho F =(F1,F2,F3) laø moät tröôøng vector trong R . 3 • Vôùi v ∈ R laø vector goác taïi x, giaù trò WF (x)(v)= , goïi laø coâng cuûa F (x) doïc theo v. Ta coù 1-daïng vi phaân töông öùng: WF = F1dx1 + F2dx2 + F3dx3. Cho C laø moät ñöôøng cong ñònh höôùng trong R3. Ta caàn xaây ñöïng tích phaân cuûa tröôøng F doïc theo C, hay laø tích phaân cuûa daïng vi phaân WF treân C: WF = F1dx1 + F2dx2 + F3dx3. C C 3 • Vôùi v1,v2 ∈ R laø caùc vector goác taïi x, giaù trò ωF (x)(v1,v2)= , goïi laø thoâng löôïng cuûa F (x) qua maët bình haønh ∆S taïo bôûi v1,v2. Ta coù 2-daïng vi phaân töông öùng ωF = F1dx2 ∧ dx3 + F2dx3 ∧ dx1 + F3dx1 ∧ dx2.
IV. Tích phaân daïng vi phaân. 45 Cho S laø maët ñònh höôùng trong R3. Ta caàn khaùi nieäm tích phaân cuûa tröôøng vector F qua maët S, hay laø tích phaân cuûa daïng vi phaân ωF treân S: ωF = F1dx2 ∧ dx3 + F2dx3 ∧ dx1 + F3dx1 ∧ dx2 S S 2.1 Ñònh nghóa. Cho U laø taäp môû Rk, vaø ω ∈ Ωk(U). Khi ñoù ω = f(u)du1 ∧···∧duk. Ñònh nghóa ω = f(u)du1 ∧···∧duk = f(u)du1 ···duk. U U U neáu tích phaân veá phaûi toàn taïi. 2.2 Tích phaân daïng vi phaân. Cho M laø ña taïp khaû vi k chieàu ñònh höôùng µ trong n k R . Cho ω ∈ Ω (V ), vôi V laø taäp môû chöùa M . Sau ñaây ta xaây döïng tích phaân cuûa daïng ω treân M (coøn goïi laø tích phaân loaïi 2) ω M Neáu M = ϕ(U) vôùi (ϕ, U) laø moät tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng µ, thì ñònh nghóa ω = ϕ∗ω. M U Tröôøng hôïp toång quaùt, khi M cho bôûi moät hoï tham soá hoaù O = {(ϕi,Ui):i ∈ I} xaùc ñònh höôùng µ, ta duøng kyõ thuaät phaân hoaïch ñôn vò. Goïi Θ={θi : i ∈ I} laø phaân hoaïch ñôn vò cuûa M phuø hôïp vôùi O. Ñònh nghóa ∗ ω = θiω = ϕi (θiω) , M i∈I ϕi(Ui) i∈I Ui vôùi giaû thieát veá phaûi toàn taïi. Chaúng haïn khi M compact vaø ω lieân tuïc. Khi k =1, tích phaân coù daïng Fidxi, vaø goïi laø tích phaân ñöôøng. M i Khi k =2, tích phaân coù daïng Fijdxi ∧ dxj, vaø goïi laø tích phaân maët. M i 0. Neáu ϕ ω = f(u)du1 ∧···∧duk, thì ∗ ∗ ∗ ∗ ∗ h (f(u)du1 ∧···∧duk)=h ϕ ω =(ϕ ◦ h) ω = ψ ω. Theo coâng thöùc ñoåi bieán, ta coù ∗ ∗ ∗ ϕ ω = f = f ◦◦h det Jh = h (f(u)du1 ∧···∧duk)= ψ ω. U U W W W Vaäy ñònh nghóa khoâng phuï thuoäc tham soá hoaù xaùc ñònh cuøng höôùng. Neáu Θ = {θj : j ∈ J} laø moät phaân hoaïch ñôn vò khaùc cuûa M. Khi ñoù θjω = ( θi)θjω = θiθjω = θjθiω = ( θj)θiω θiω. j M j M i i,j M i,j M i M j i M
IV. Tích phaân daïng vi phaân. 46 Vaäy ñònh nghóa cuõng khoâng phuï thuoäc phaân hoaïch ñôn vò. 2.3 Tính chaát. Cho M laø ña taïp k chieàu ñònh höôùng µ trong taäp môû V . Khi ñoù (1) :Ωk(V ) → R laø tuyeán tính. M (2) ω = − ω , vôùi kyù hieäu −M ñeå chæ M ñònh höôùng −µ. M −M Chöùng minh: (1) suy töø tính tuyeán tính cuûa vaø ϕ∗. Ui i (2) Xeùt pheùp ñoåi bieán h(u1, ··· ,uk)=(−u1, ··· ,uk). Khi ñoù det h = −1. Neáu (ϕ, U) laø tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng µ, thì (ϕ ◦ h, h−1(U)) laø tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng−µ. Töø ñoù suy ra vôùi moïi phaân hoaïch ñôn vò Θ phuø hôïp vôùi hoï tham soá hoaù, ta coù ω = (ϕ ◦ h)∗θω = (− ϕ∗θω)=− ω. −1 −M θ∈Θ h (U) θ∈Θ U M Ví duï. a) Cho C laø ñöôøng cong trôn, cho bôûi tham soá hoùa ϕ : I → Rn, ñònh höôùng theo chieàu taêng cuûa tham soá. Khi ñoù Fidxi = Fi ◦ ϕdϕi = ( Fi ◦ ϕ(t)ϕi(t))dt. C i I i I i Chaúng haïn, neáu ñöôøng troøn ñôn vò ñònh höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà, thì ydx − xdy 2π td t − td t 2π sin (cos ) cos (sin ) − dt − π. 2 2 = 2 2 = = 2 x2+y2=1 x + y 0 cos t +sin t 0 b) Cho S laø maët caàu ñôn vò ñònh höôùng phaùp trong, thì vôùi tham soá hoaù xaùc ñònh höôùng töông öùng, ta coù xdy ∧ dz = cos φ sin θd(sin φ sin θ) ∧ d(cos θ) S [0,2π]×[0,π] = cos φ sin θ(cos φ sin θdφ +sinφ cos θdθ) ∧ d(− sin θdθ) [0,2π]×[0,π] = − cos2 φ sin3 θdφ ∧ dθ =? [0,2π]×[0,π] 2.4 Quan heä giöõa tích phaân loaïi 1 vaø loaïi 2. Cho F =(P, Q, R) laø tröôøng vector lôùp C1 treân moät taäp môû V ⊂ R3. (1) Cho C ⊂ V laø ñöôøng cong kín, ñònh höôùng bôûi tröôøng vector tieáp xuùc ñôn vò T =(cosα, cos β,cos γ). Khi ñoù Pdx+ Qdy + Rdz = dl= (P cos α + Q cos β + R cos γ)dl. C C C (2) Cho S ⊂ V laø maët trôn, ñònh höôùng bôûi tröôøng phaùp vector ñôn vò N = (cos α, cos β,cos γ). Khi ñoù Pdy∧dz+Qdz∧dx+Rdx∧dy = dS= (P cos α+Q cos β+R cos γ)dS. S S S
IV.3 Coâng thöc Stokes 47 Chöùng minh: Nhö phaàn gôïi yù ñaàu tieát, ta coù: (1) Vôùi moãi v ∈ R3, goïi T laø vector chæ phöông ñôn vò cuûa v. Khi ñoù 1-daïng WF (v)= , coù Bieåu dieãn 1: WF = Pdx+ Qdy + Rdz. Bieåu dieãn 2: WF (v)= v = dl(v). Vaäy neáu C laø ñöôøng cong trong R3 ñònh höôùng bôûi tröôøng vector tieáp xuùc ñôn vò T , thì WF = dl. C C Töø ñoù suy ra (1). 3 (2) Vôùi v1,v2 ∈ R , goïi N laø vector ñôn vò chæ phöông v1 × v2. Khi ñoù 2-daïng vi phaân ωF (v1,v2)= , coù Bieåu dieãn 1: ωF = Pdy∧ dz + Qdz ∧ dx + Rdx ∧ dy. Bieåu dieãn 2: ωF (v1,v2)= v1 × v2 = dS(v1,v2). Vaäy neáu S laø maët cong ñònh höôùng bôûi tröôøng vector phaùp ñôn vò N, thì ωF = dS. S Töø ñoù suy ra (2). 3. COÂNG THÖÙC STOKES 3.1 Ñònh lyù (Coâng thöùc Stokes). Cho M laø ña taïp khaû vi k chieàu, ñònh höôùng, compact trong taäp môû V ⊂ Rn, vôùi bôø ∂M ñònh höôùng caûm sinh. Khi ñoù dω = ω, ∀ω ∈ Ωk−1(V ). M ∂M Chöùng minh: Giaû söû M ñònh höôùng µ vaø ∂µ laø höôùng caûm sinh treân ∂M. Cho {(ϕi,Ui):i ∈ I} laø tham soá hoaù ñònh höôùng µ cuûa M. Khoâng giaûm toång quaùt, giaû söû Ui chöùa trong moät hình hoäp Ai. k−1 k −1 Goïi i : R → R , i(u1, ··· ,uk−1)=(u1, ··· ,uk−1, 0). Khi ñoù hoï {(ϕi ◦i, i (Ui)) : k k i ∈ I }, vôùi I = {i ∈ I : Ui ∩ ∂H = ∅}, laø hoï tham soá hoaù ∂M ñònh höôùng (−1) ∂µ. Neáu {θi : i ∈ I} laø phaân hoaïch ñôn vò phuø hôïp vôùi hoï ñaõ cho, thì dω = d( θiω)= dθiω. k M M ϕi(Ui∩H ) i∈I i∈I ω = ( θiω)= θiω. k ∂M ∂M i∈I i∈I ϕi(Ui∩∂H ) Ñeå cho goïn, ñaët ϕ = ϕi,U = Ui,A = Ai =[α1,β1] ×···×[αk,βk]. Ta caàn chöùng minh: (1) Neáu U ∩ ∂Hk = ∅, i.e. i ∈ I \ I , thì dω =0. ϕ(U) (2) Neáu U ∩ ∂Hk = ∅, i.e. i ∈ I , thì dω =(−1)k ω. ϕ(U∩Hk) ϕ(U∩∂Hk)
IV.3 Coâng thöc Stokes 48 k ∗ k−1 Goïi ϕ ω = aj(u1, ··· ,uk)du1 ∧···∧duj ∧···∧duk ∈ Ω (U). j=1 ∗ k−1 Khi ñoù xem ϕ ω ∈ Ω (A) baèng caùch ñaët aj(u)=0khi u ∈ U. Ta coù ∗ (ϕ ◦ i) ω = ak(u1, ··· ,uk−1, 0)du1 ∧···∧duk−1. k ∗ ϕ (dω)= daj ∧ du1 ∧···duj ···∧duk j=1 k ∂a − j−1 j du ∧···∧du . = ( 1) ∂u 1 k j=1 j Ñoái vôùi tröôøng hôïp (1), ta coù k ∂a dω ϕ∗ dω − j−1 j du ∧···∧du = ( )= ( 1) ∂u 1 k ϕ(U) U A j=1 j = (aj(··· ,βj, ···) − aj(··· ,αj, ···))du1 ···duj ···duk [α ,β ] j l=j l l =0. (Ñaúng thöùc thöù ba suy töø coâng thöùc Fubini vaø coâng thöùc Newton-Leibniz, ñaúng thöùc cuoái laø do (u1, ··· ,βj, ··· ,uk), (u1, ··· ,αj, ··· ,uk) ∈ U neân caùc giaù trò cuûa aj taïi ñoù trieät tieâu). Ñoái vôùi tröôøng hôïp (2), ta coù k j−1 ∂aj dω = (−1) du1 ∧···∧duk k k ∂u ϕ(U∩H ) U∩H j=1 j k j−1 ∂aj = (−1) du1 ∧···∧duk A∩Hk ∂uj j=1 ∂a − j−1 j du ∧···∧du . = ( 1) ( ∂u 1 k) j [α1,β1]×···×[0,βk] j ∂a Khi j k, j du a u , ··· ,β , ··· ,u − a u , ··· ,α , ··· ,u . = ∂u j = j( 1 j k) j( 1 j k)=0 [αj ,βj ] j ∂ak Khi j = k, duk = ak(u1, ··· ,βk) − ak(u1, ··· , 0) = −ak(u1, ··· , 0). [0,βk] ∂uk Vaäy theo coâng thöùc Fubini, ta coù k dω =(−1) ak(u1, ··· , 0)du1 ···duk−1. ϕ(U∩Hk) [α ,β ] j=k j j Maët khaùc ω = ak(u1, ··· , 0)du1 ···duk−1. ϕ(U∩∂Hk) A∩Rk−1×0 Töø ñoù suy ra coâng thöùc caàn chöùng minh. Chuù yù. Neáu M khoâng compact coâng thöùc khoâng ñuùng. Chaúng haïn, M laø khoaûng môû
IV.3 Coâng thöc Stokes 49 trong R, ω(x)=xdx. 3.2 Caùc coâng thöùc coå ñieån. Sau ñaây laø caùc heä quûa cuûa ñònh lyù treân: Coâng thöùc Newton-Leibniz. Cho V laø taäp môû trong Rn, F : V → R thuoäc lôùp C1 vaø ϕ :[a, b] → V laø tham soá hoaù ñöôøng cong trôn. Khi ñoù dF = F (ϕ(b)) − F (ϕ(a)). ϕ([a,b]) Coâng thöùc Green. Cho D ⊂ R2 laø mieàn compact, coù bôø C = ∂D ñònh höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. Cho P, Q laø caùc haøm lôùp C1 treân taäp môû chöùa D. Khi ñoù ∂Q ∂P ( − )dxdy = Pdx+ Qdy. D ∂x ∂y C Coâng thöùc Stokes coå ñieån. Cho S ⊂ R3 laø maët cong trôn ñònh höôùng phaùp N, coù bôø ∂S = C laø ñöôøng cong kín ñònh höôùng sao cho mieàn phía traùi. Cho P, Q, R caùc haøm lôùp C1 treân moät taäp môû chöùa S. Khi ñoù ∂Q ∂P ∂R ∂Q ∂P ∂R ( − )dx∧dy+( − )dy∧dz+( − )dz∧dx = Pdx+Qdy+Rdz. S ∂x ∂y ∂y ∂z ∂z ∂x C Coâng thöùc Gauss-Ostrogradski. Cho V ⊂ R3 laø mieàn compact, coù bôøõ ∂V = S laø maët trôn ñònh höôùng phaùp ngoaøi. Cho P, Q, R laø caùc haøm lôùp C1 treân moät mieàn môû chöùa V . Khi ñoù ∂P ∂Q ∂R ( + + )dxdydz = Pdy∧ dz + Qdz ∧ dx + Rdx ∧ dy. V ∂x ∂y ∂z S Ví duï. a) Dieän tích mieàn D giôùi haïn bôûi ñöôøng cong kín C trong R2: 1 dxdy = xdy = − ydx = (xdy − ydx). D C C 2 C b) Theå tích mieàn V giôùi haïn bôûi maët cong kín S trong R3: dxdydz = xdy ∧ dz = ydz ∧ dx = zdx ∧ dy V S S S 1 = ( xdy ∧ dz + ydz ∧ dx + zdx ∧ dy) 3 S S S n n 1 3.3 Meänh ñeà. Gæa söû U laø taäp môû, co ruùt ñöôïc trong R . Cho ω = aidxi ∈ Ω (U). i=1 Khi ñoù caùc ñieàu sau töông ñöông: (1) ω laø khôùp, i.e. toàn taïi f ∈ C1(U), sao cho df = ω. (2) ω laø ñoùng, i.e. dω =0.
IV.3 Coâng thöc Stokes 50 ∂ai ∂ai (3) = , vôùi moïi i, j. ∂xi ∂xj (4) ω =0, vôùi moïi ñöôøng cong kín C ⊂ U. C Chöùng minh: Suy töø boå ñeà Poincareù vaø coâng thöùc Stokes. (Baøi taäp) xdy − ydx Ví duï. Taäp R2 \{0} khoâng co ruùt ñöôïc vì treân ñoù coù daïng ñoùng, nhöng x2 + y2 tích phaân treân ñöôøng troøn laø 2π =0 . Baøi taäp: Chöùng minh Rn \{0} khoâng co ruùt ñöôïc baèng caùch xeùt daïng n i xi (−1) dx1 ∧···dxi ···∧dxn. x n/2 i=1 (trong ñoù kyù hieäu dxi ñeå chæ dxi khoâng coù maët trong bieåu thöùc.) 3.4 ÖÙng duïng vaøo giaûi tích vector. 3 Caùc toaùn töû grad, rot, div: Trong R vôùi cô sôû chính taéc e1,e2,e3 vaø U laø taäp môû trong R3. ∂ ∂ ∂ Kyù hieäu ∇ = e1 + e2 + e3, goïi laø toaùn töû nabla. ∂x1 ∂x2 ∂x3 Cho f : U → R laø haøm khaû vi. Tröôøng gradient cuûa f, ñöôïc ñònh nghóa: ∂f ∂f ∂f grad f = ∇f = e1 + e2 + e3. ∂x1 ∂x2 ∂x3 Cho F = F1e1 + F2e2 + F3e3 laø tröôøng vector khaû vi treân U. Tröôøng xoaén cuûa F , ñöôïc kyù hieäu vaø ñònh nghóa e1 e2 e3 ∂ ∂ ∂ rot F = ∇×F = ∂x ∂x ∂x 1 2 3 F1 F2 F3 Haøm nguoàn cuûa tröôøng F , ñöôïc kyù hieäu vaø ñònh nghóa: ∂F1 ∂F2 ∂F3 div F = = + + . ∂x1 ∂x2 ∂x3 Quan heä vôùi toaùn töû vi phaân. Ñònh nghóa caùc ñaúng caáu: 1 h1 : X (U) → Ω (U),h2(F1e1 + F2e2 + F3e3)=F1dx1 + F2dx2 + F3dx3. 2 h2 : X (U) → Ω (U),h2(F1e1+F2e2+F3e3)=F1dx2∧dx3+F2dx3∧dx1+F3dx1∧dx2. ∞ 3 h3 : C (U) → Ω (U),h3(f)=fdx1 ∧ dx2 ∧ dx3.
IV.3 Coâng thöc Stokes 51 Khi ñoù bieåu ñoà sau giao hoaùn grad rot div C∞(U) →X(U) →X(U) → C∞(U) ↓ id ↓ h1 ↓ h2 ↓ h3 d d d Ω0(U) → Ω1(U) → Ω2(U) → Ω3(U) nghóa laø ta coù: h1 ◦ grad = d ◦ id, h2 ◦ rot = d ◦ h1,h3 ◦ div = d ◦ h2. Chöùng minh: Xem nhö baøi taäp Heä quûa. Töø d ◦ d =0, suy ra rot ◦ grad = 0, div ◦ rot = 0. 3.5 Coâng thöùc Stokes cho tích phaân loaïi 1. Cho F laø moät tröôøng vector khaû vi trong R3. (1) Giaû söû S laø maët cong compact trong R3, ñònh höôùng bôûi tröôøng vector phaùp ñôn vò N, coù bôø ∂S = C laø ñöôøng cong ñònh höôùng caûm sinh bôûi tröôøng vector tieáp xuùc ñôn vò T sao cho mieàn S naèm phía traùi. Khi ñoù dl= dS. C S (2) Giaû söû V laø mieàn giôùi noäi trong R3 coù bôø ∂V = S laø maët cong ñònh höôùng bôûi tröôøng vector phaùp ñôn vò N höôùng ra phía ngoaøi. Khi ñoù dS= div FdV. S V Chöùng minh: Suy töø coâng thöùc Stokes vaø moái quan heä giöõa tích phaân loaïi 1 vaø loaïi 2.
53 Bµi tËp gi¶i tÝch 3 1 Bµi tËp tich ph©n phô thuéc tham sè 1. TÝnh c¸c giíi h¹n 1 √ 1+t dx 1 dx 1) lim R x2 + t2dx 2) lim R 3) lim R → → 2 2 →∞ n t 0−1 t 0 t 1+x + t n 0 1+(1+x/n) 1+t 1 π/2 ln(x + |t|) x 2 2 4) lim R 5) lim R e−x /t dx 6) lim R e−t sin xdx. → 2 2 → 2 →∞ t 0 t ln(x + |t | t 0 0 t t 0 1 tf(x) I(t)= f(x) 2. Kh¶o s¸t tÝnh liªn tôc cña hµm R 2 2 , trong ®ã hµm liªn tôc 0 x + t vµ d−¬ng trªn ®o¹n [0, 1]. 3. 1) T×m ®¹o hµm cña c¸c tÝch ph©n eliptic π/2 π/2 dx E(t)=Z p1 − t2 sin2 xdx F (t)=Z dx. p1 − t2 sin2 x 0 0 2) H·y biÓu diÔn E0, F 0 qua c¸c hµm E, F . 3) Chøng minh r»nh E tháa ph−¬ng tr×nh vi ph©n 1 1 E00(t)+ E0(t)+ E(t)=0. t 1 − t2 4. Gi¶ sö hµm f(x, y) cã c¸c ®¹o hµm riªng liªn tôc. TÝnh I0(t) nÕu t t2 x+t 1) I(t)=Z f(x + t, x − t)dx 2) I(t)=Z Z sin(x2 + y2 − t2)dydx. 0 0 x−t 5. Chøng minh r»ng hµm Bessel víi c¸c chØ sè nguyªn π 1 I (t)= Z cos(nx − t sin x)dx, n π 0
54 tháa m·n ph−¬ng tr×nh Bessel t2y00 + ty0 +(t2 − n2)y =0. t ϕ(x)dx 6. Cho hµm ϕ(x) thuéc líp C1) trªn ®o¹n [0,a] vµ I(t)=R √ . Chøng 0 t − x minh r»ng, víi mäi t ∈ (0,a) ta cã t ϕ(x)dx ϕ(0) I0(t)=Z √ + √ . t − x t 0 7. B»ng c¸ch lÊy ®¹o hµm theo tham sè, h·y tÝnh π/2 π 1) I(t)=Z ln(t2 sin2 x + cos2 x)dx 2) I(t)=Z ln(1 − 2t cos x + t2)dx. 0 0 ∞ cos x I(t)= dx. R 8. Chøng tá r»ng, hµm R 2 kh¶ vi liªn tôc trªn . 0 1+(x + t) 9. Chøng minh c«ng thøc Frulanhi ∞ f(ax) − f(bx) b Z dx = f(0) ln , (a>0,b>0), x a 0 ∞ f(x) trong ®ã f(x) lµ hµm liªn tôc vµ tÝch ph©n R cã nghÜa víi mäi a>0. a x ∞ sin(tx) 10. XÐt tÝch ph©n Dirichlet D(t)= R dx. Chøng minh r»ng 0 x 1) D(t) héi tô ®Òu trªn mçi ®o¹n [a, b] kh«ng chøa 0. 2) D(t) héi tô kh«ng ®Òu trªn mçi ®o¹n [a, b] chøa 0. ∞ sin x 11. XÐt tÝch ph©n I(t)=R e−tx dx. Chøng minh r»ng 0 x 1) I(t) liªn tôc trªn [0, ∞) 1 2) I(t) kh¶ vi vµ I0(t)=− . 1+t2 π 3) I(t)=− arctan(t)+ . 2 π 4) D(1) = I(0) = lim I(t)= , trong ®ã D(t) lµ tÝch ph©n Dirichlet. t→0 2
55 ∞ sin(tx) π 12. Chøng minh r»ng D(t)=R dx = sgnt. 0 x 2 13. B»ng c¸ch lÊy ®¹o hµm theo tham sè, h·y tÝnh − 2 − 2 − − 2 ∞ e tx − e sx ∞e tx − e sx 1)I(t)=R dx, (t, s > 0) 2) I(t)=R dx, (t, s > 0) 0 x 0 x 1 ln(1 − t2x2) ∞ e−ax − e−bx 3)I(t)= √ dx, (|t|≤1) 4)I(t)= sin txdx, (a, b > 0). R 2 2 R 0 x 1 − x 0 x 14. Sö dông tÝch ph©n Dirichlet vµ c«ng thøc Frulanhi ®Ó t×m gi¸ trÞ cña c¸c tÝch ph©n sau ∞ sin ax cos bx ∞ sin ax sin bx ∞ sin4 ax 1) dx 2) dx 3) R R R 2 0 x 0 x 0 x 3 2 4 4 1 sin ax ∞sin ax ∞ sin ax − sin bx 4) R dx, (|t|≤1) 5) R dx 6) R dx. 0 x 0 x 0 x 15. Sö dông c¸c tÝch ph©n Euler ®Ó tÝnh c¸c tÝch ph©n sau √ a √ ∞ 4 x ∞ dx 2 2 − 2 1) R x a x dx, (a>0) 2) R 2 dx 3) R 3 0 0 (1 + x) 0 1+x 1 π/2 ∞ dx 2 4) √ dx, (n>1) 5) sin6 x cos4 xdx 6) x2ne−x dx. R n n R R 0 1 − x 0 0 16. H·y biÓu diÔn c¸c tÝch ph©n sau qua c¸c tÝch ph©n Euler ∞ xm−1 ∞ xm ∞ xm 1) (n>0) 2) dx (a, b, n > 0) 3) dx R n R n p R −xn 0 1+x 0 (a + bx ) 0 e π/2 ∞ ∞ ln2 x 4) tann xdx 5) xpe−ax ln xdx (a>0) 6) dx. R R R 4 0 0 0 1+x 17. Chøng minh c¸c c«ng thøc Euler (λ>0,p >0, −π/2 <α<π/2). ∞ Γ(p) xp−1e−λx cos α cos(λx sin α)dx = cos αp 1) R p . 0 λ ∞ Γ(p) xp−1e−λx cos α sin(λx sin α)dx = sin αp 2) R p . 0 λ
Baøi taäp 56 II. Tích phaân haøm treân ña taïp 1. Cho f : Rn → Rm. Chöùng minh f khaû vi lôùp C p khi vaø chæ khi ñoà thò f laø ña taïp khaû vi lôùp Cp trong Rn × Rm. 2. Cho F : Rn → Rm laø aùnh xaï khaû vi. Goïi M laø taäp con cuûa Rm cho bôûi heä phöông trình F (x)=0. Chöùng minh neáu rank F (x)=m vôùi moïi x ∈ M, thì M laø ña taïp khaû vi n − m chieàu. 3. Cho α :(a, b) → R2 laø tham soá hoaù ñöôøng cong trôn, α(t)=(x(t),y(t)) vaø y(t) > 0. Chöùng minh maët troøn xoay cho bôûi tham soá hoaù: φ(t, θ)=(x(t),y(t)cosθ, y(t)sinθ), (t, θ) ∈ (a, b) × (0, 2π), laø moät ña taïp khaû vi trong R3. Chöùng minh caùc ñöôøng cong toïa ñoä laø vuoâng goùc vôùi nhau. Tìm vector phaùp vaø maët phaúng tieáp xuùc. AÙp duïng: haõy tham soá hoaù maët truï, caàu, xuyeán. 2 3 4. Cho α :(a, b) → R laø tham soá hoaù moät ñöôøng cong trôn vaø p =(p1,p2,p3) ∈ R vôùi p3 =0 . Chöùng minh maët noùn cho bôûi tham soá hoaù: φ(t, s)=(1− s)p + s(α(t), 0), (t, s) ∈ (a, b) × (0, 1), laø ña taïp khaû vi trong R3. Xaùc ñònh caùc ñöôøng cong toïa ñoä, vector phaùp, maët phaúng tieáp xuùc. 5. Kieåm tra caùc taäp cho bôûi caùc phöông trình hay tham soá sau laø ña taïp khoâng. Trong R2:a)x = a(1 − sin t),y = a(1 − cos t) b) x = t2,y = t3. 3 Trong R√ :a)x = a cos t, y = a sin t, z = bt (a, b laø caù haèng soá döông) b) x = 2cos2t, y =sin2t, z =sin2t x2 y2 z2 x2 y2 z2 x2 y2 c) d) − ± e) − z a2 + b2 + c2 =1 a2 + b2 c2 = 1 a2 + b2 =1 f) x =(b + a cos θ)cosϕ, y =(b + a cos θ)sinϕ, z = a sin θ x2 y2 z2 x2 y2 a2 g) + = h) + = y2 = ax x + y + z =0 Tìm phöông trình ñöôøng thaúng hay maët phaúng tieáp xuùc cho caùc ña taïp treân. 6. Kieåm tra caùc phöông trình vaø baát phöông trình sau xaùc ñònh ña taïp coù bôø trong R3: a) x2 + y2 + z2 =1,z ≥ 0 b) x2 + y2 ≤ a2,x+ y + z =0 c) x2 + y2 + z2 ≤ a2,x+ z =0 d) z2 ≤ y2 + x2,z = a. 7. Chöùng minh trong R3, maët caàu x2 + y2 + z2 = a2 khoâng theå cho bôûi moät tham soá hoaù, nhöng coù theå cho bôûi hai tham soá hoaù. 8. Xaùc ñònh phöông trình cuûa khoâng gian tieáp xuùc taïi (x0,f(x0)) cho ña taïp ôû baøi taäp 1.
Baøi taäp 57 9. Phaùc hoïa caùc maët, roài xaùc ñònh caùc ñöôøng cong toïa ñoä, vector phaùp, khoâng gian tieáp xuùc cuûa caùc maët cho bôûi tham soá hoaù:: a) ϕ(t, θ)=(t cos θ, t sin θ, θ). (maët Helicoid). 1 b) ϕ(t, θ) = ((1 + t cos θ )cosθ, (1 + t cos θ )sinθ, t sin θ ), |t| = ···= =0}. b) Cho f : Rn → R. Chöùng minh neáu f ñaït cöïc trò vôùi ñieàu kieän x ∈ M = {x : g(x)=0} taïi a, thì toàn taïi λ1, ···,λm ∈ R, sao cho grad f(a)=λ1grad F1(a)+···+ λmgrad Fm(a). 11. Xeùt cöïc trò haøm: a) f(x, y)=ax + by, vôùi ñieàu kieän x2 + y2 =1. b) f(x, y, z)=x − 2y +2z, vôùi ñieàu kieän x2 + y2 + z2 =1. x2 y2 z2 c) f x, y, z x2 y2 z2, vôùi ñieàu kieän a>b>c> . ( )= + + a2 + b2 + c2 =1 ( 0) d) f(x, y, z)=xyz, vôùi caùc ñieàu kieän: x2 + y2 + z2 =1,x+ y + z =0. e) f(x, y, z)=x + y + z, vôùi caùc ñieàu kieän: x2 + y2 =2,x+ z =1. 12. Xeùt cöïc trò caùc haøm: a) f(x, y, z)=x2 + y2 + z2, vôùi ñieàu kieän x2 + y2 − 2 ≤ z ≤ 0. b) f(x, y, z)=x2 +2y2 +3z2, vôùi ñieàu kieän x2 + y2 + z2 ≤ 100. 13. Tìm theå tích lôùn nhaát cuûa caùc hình hoäp chöõ nhaät vôùi ñieàu kieän dieän tích maët laø 10m2. 14. Chöùng minh trung bình hình hoïc khoâng lôùn hôn trung bình soá hoïc, i.e. 1 1 a ···a n ≤ a ··· a , a , ···,a > ( 1 n) n( 1 + + n) ( 1 n 0) x + y n xn + yn 15. Chöùng minh baát ñaúng thöùc ≤ ,(x, y > 0,n∈ N). 2 2 xn + yn (HD: Xeùt cöïc trò f(x, y)= , vôùi ñieàu kieän x + y = s). 2 16. Chöùng minh baát ñaúng thöùc H older:¨ n n n p 1 q 1 1 1 a x ≤ a p x q , neáu x ,a > , p, q > . i i ( i ) ( i ) i i 0 p + q =1( 0) i=1 i=1 i=1
Baøi taäp 58 Suy ra baát ñaúng thöùc Milkovski: n n n p 1 p 1 q 1 |ai + xi| ) p ≤ ( |ai| ) p +( |xi| ) q i=1 i=1 i=1 p 1 p HD: |a + x|p = |a + x||a + x| q ≤|a||a + x| q + |x||a + x| q . 2 2 2 2 17. Chöùng minh cöïc trò haøm f(x, y)=ax +2bxy+ cy , vôùi ñieàu kieän x + y =1, ab ñaït taïi caùc vector rieâng cuûa ma traän . bc 18. Toång quaùt baøi taäp treân. Cho A laø ma traän thöïc, ñoái xöùng caáp n. Ñònh nghóa f(x)= = txAx, x ∈ Rn. Chöùng minh neáu v ∈ Rn, v =1: f(v)= max{f(x):x =1}, thì Av = λv. Suy ra moïi matraän ñoái xöùng ñeàu coù giaù trò rieâng thöïc. 19. Cho u, v ∈ R3. Chöùng minh 2 2 1 u × v =(u v − ) 2 = dieän tích hình bình haønh taïo bôûi u, v Suy ra caùc toïa ñoä cuûa u × v theo caùc toïa ñoä cuûa u, v. 20. Cho h : Rn → Rn,h(x)=λx, vaø P laø hình bình haønh k chieàu trong Rn. Tìm moái quan heä giöõa caùc theå tích k chieàu Vk(P ) vaø Vk(h(P )). 21. Tính caùc tích phaân ñöôøng: a) y2dl, C laø cung cycloid x = a(t − sin t),y = a(1 − cos t), 0 ≤ t ≤ 2π. C b) xdl, C laø phaàn ñöôøng loga coù phöông trình trong toïa ñoä cöïc: r = akϕ,r ≤ a. C c) zdl, C laø cung xoaén x = t cos t, y = t sin t, z = t, 0 ≤ t ≤ T. C d) x2dl, C laø cung troøn x2 + y2 + z2 =1,x+ y + z =0 C (HD: Döïa vaøo tính ñoái xöùng cuûa caùc bieán) 22. Tính caùc tích phaân maët: a) zdS, S laø maët x = u cos v,y = u sin v,z = v,0 <u<a,0 <v<2π. S b) zdS, S laø phaàn maët noùn z = x2 + y2 giôùi haïn bôûi truï x2 + z2 ≤ 2az. S c) (x + y + z)dS, S laø nöûa maët caàu x2 + y2 + z2 = a2,z ≥ 0. S 23. Chöùng minh coâng thöùc Poisson 1 f(ax + by + cz)dS =2π f(u a2 + b2 + c2)du. x2+y2+z2=1 −1 (HD: Duøng pheùp quay vaø ñeå yù pheùp quay baûo toaøn ñieän tích)
Baøi taäp 59 24. Tính ñoä daøi caùc ñöôøng cong tham soá hoaù: a) α(t)=(a cos bt, a sin bt, ct),t∈ [0,h] b) α(t)=(t cos bt, t sin bt, ct),t∈ [0,h] 25. Cho f : U → R laø haøm khaû vi treân taäp môû U ⊂ Rn. Chöùng minh coâng thöùc tính theå tích n chieàu 1 n ∂ 2 V f 2 n(graphf) = 1+ (∂ ) U i=1 xi AÙp duïng tính ñoä daøi Ellip vaø dieän tích maët Ellipsoid. 26. Chöùng minh coâng thöùc tính ñieän tích cho maët troøn xoay ôû baøi taäp 3: b 2 2 1 Sφ =2π y(t)(x (t) + y (t) ) 2 dt a AÙp duïng tính dieän tích maët Ellipsoid vaø maët xuyeán. 27. Vieát coâng thöùc tính dieän tích maët noùn cho ôû baøi taäp 4. Neâu moät ví duï cuï theå. III. Daïng vi phaân. 1. Cho (x, y)=f(r, ϕ)=(r cos ϕ, r sin ϕ). Tính f ∗(dx),f∗(dy),f∗(dx ∧ dy). 2. Cho (x, y, z)=f(r, ϕ, θ)=(ρ cos ϕ sin θ, ρ sin ϕ sin θ, ρ cos θ). Tính f ∗(dx),f∗(dy),f∗(dz),f∗(dx∧dy),f∗(dy∧dz),f∗(dz∧dx),f∗(dx∧dy∧dz). 3. Cho f : Rn → Rm v g : Rm → Rp laø caùc aùnh xaï khaû vi. Chöùng minh (g ◦ f)∗ = f ∗ ◦ g∗. 4. Cho f : Rn → Rm khaû vi vaø rank f (x) <kvôùi moïi x ∈ Rn. Chöùng minh khi ñoù f ∗ω =0vôùi moïi ω ∈ Ωk(Rm). 5. Tính dω caùc daïng vi phaân trong trong R3 sau a) ω = xdx + ydz b) ω =sinxdx + ydy + exydz c) ω = exydx ∧ dz d) ω = xdy ∧ dz + ydz ∧ dx + zdx ∧ dy. n 6. Tìm (n − 1)-daïng vi phaân ω trong R sao cho dω = dx1 ∧···∧dxn. 7. Giaû söû ω1 v ω2 laø caùc 1-daïng ñoùng. Chöùng minh ω1 ∧ ω2 laø daïng ñoùng. 8. Chöùng minh daïng ω x, y, z 1 xdy ∧ dz ydz ∧ dx zdx ∧ dy , ( )= r3 ( + + ) vôùi r2 = x2 + y2 + z2, laø ñoùng nhöng khoâng khôùp trong R3 \{0}.
Baøi taäp 60 n n 9. Cho daïng vi phaân ω = ai(x)dxi trong caàu môû taâm a cuûa R . Giaû söû ω ñoùng. i=1 Chöùng minh ñeå tìm haøm f sao cho df ω coù theå duøng caùc coâng thöùc sau: = n 1 a) f(x)= ai(a + t(x − a))dt xi. i=1 0 x1 x2 xn b) f(x)= a1(x1, ···,xn)dx1+ a2(α1,x2, ···,xn)dx2+···+ an(α1,α2, ···,xn)dxn. α1 α2 αn trong ñoù a =(α1, ···,αn) 10. Kieåm tra tính ñoùng cuûa daïng ω, roài tìm tích phaân ñaàu khi a) ω =(x4+4xy3)dx+(6x2y2−5y4)dy b) ω =(x+siny)dx+(x cos y+siny)dy c) ω = ex cos ydx − ex sin ydy d) ω =(x2 +2xy − y2)dx +(x2 − 2xy − y2)dy e) ω = a(x)dx + b(y)dy + c(z)dz, trong ñoù a, b, c laø caùc haøm khaû vi treân R. f) ω = a(x2 + y2 + z2)(xdx + ydy + zdz), trong ñoù a laø haøm khaû vi treân R. 11. Xaùc ñònh α ñeå daïng vi phaân sau laø ñoùng, roài tìm tích phaân ñaàu x3 − 3xy2 3x2y − y3 ω = dx + dy. (x2 + y2)α (x2 + y2)α 12. Xaùc ñònh haøm ϕ : R → R,ϕ(0) = 0, sao cho daïng sau laø ñoùng ω =(1+x2)ϕ(x)dx − 2xyϕ(x)dy − 3zdz. Tìm tích phaân ñaàu. IV. Tích phaân daïng vi phaân 1. Chöùng minh moät ñöôøng hay maët lieân thoâng ñònh höôùng ñöôïc, thì coù theå ñònh ñuùng 2 höôùng. Moät ñöôøng hay maët coù d thaønh phaàn lieân thoâng ñònh höôùng ñöôïc, thì coù theå ñònh bao nhieâu höôùng? 2. Neâu ví duï ña taïp coù bôø khoâng ñònh höôùng ñöôïc, nhöng bôø ñònh höôùng ñöôïc. 3. Tính ydx + zdy + xdz, vôùi C laø ñöôøng xoaén x = a cos t, y = a sin t, z = C bt, 0 ≤ t ≤ 2π, ñònh höôùng (a, 0, 0) ñeán (a, 0, 2πb). x y dx − x − y dy 4. Tính ( + ) ( ) , khi: 2 2 C x + y a) C laø ñöôøng troøn ñôn vò ñònh höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. b) C ñöôøng cong kín khoâng qua (0, 0).
Baøi taäp 61 5. Cho α :[a, b] → R2 \{0} laø moät tuyeán. Giaû söû α(t)=(x(t),y(t)) = (r(t)cosθ(t),r(t)sinθ(t)) vôùi x, y, r, θ laø caùc haøm khaû vi. −y(t)x(t)+x(t)y(t) a) Chöùng minh θ(t)= . x2(t)+y2(t) −ydx + xdy b) Xeùt ω = . Chöùng minh ω ñoùng nhöng khoâng khôùp. x2 + y2 c) Ñònh nghóa chæ soá voøng quay cuûa α quanh 0: b −y t x t x t y t I α, 1 ω ( ) ( )+ ( ) ( )dt ( 0) = = 2 2 2π α a x (t)+y (t) Tính chæ soá treân khi α(t)=(a cos kt, asin kt),t∈ [0, 2π]. 6. Tính (y2 − z2)dx +(z2 − x2)dy +(x2 − y2)dz, C trong ñoù C laø chu vi tam giaùc caàu: x2 + y2 + z2 =1,x,y,z ≥ 0, ñònh höôùng caûm sinh höôùng phaùp ngoaøi maët caàu 7. Cho S laø ñoà thò haøm z = x2 + y2 +1, (x, y) ∈ (0, 1)2. Haõy xaùc ñònh moät höôùng cho S roài tính ydy ∧ dz + xzdx ∧ dz S 8. Tính tích phaân ño goùc khoái cuûa maët S ñoái vôùi goác 0: xdy ∧ dz + ydz ∧ dx + zdx ∧ dy 2 2 2 3/2 S (x + y + z ) trong tröôøng hôïp S laø: a) Maët caàu. b) Nöûa maët caàu. c) Moät phaàn taùm maët caàu. 9. Trong R3, cho S :4x2 + y2 +4z2 =4,y ≥ 0. a) Phaùc hoïa S vaø ∂S. 2 2 1 b) Tham soá hoaù S bôûi ϕ(u, v)=(u, 2(1 − u − v ) 2 ,v). Xaùc ñònh höôùng cho bôûi tham soá ϕ. c) Cho ω = ydx +3xdz. Tính ω vaø dω. ∂S S 10. AÙp duïng coâng thöùc Green, tính: I = xy2dy − x2ydx, vôùi C : x2 + y2 = a2 C ñònh höôùng ngöôïc chieàu kim ñoàng hoà. 2 11. AÙp duïng coâng thöùc Green, tính dieän tích hình giôùi haïn bôûi ñöôøng cong trong R x n y n cho bôûi phöông trình . a, b, n > . a + b =1 ( 0) 12. Cho I = xdx + ydy + zdz, C vôùi C laø ñöôøng troøn: x2 + y2 + z2 = a2,x+ y + z =0, vôùi ñònh höôùng töï choïn. a) Tính tröïc tieáp I. b) Duøng coâng thöùc Stokes tính I.
Baøi taäp 62 13. Cho S ⊂ R3 laø maët trôn coù bôø laø ñöôøng cong C = ∂S. Giaû söû C chöùa trong maët phaúng coá ñònh ax + by + cz − d =0, (a2 + b2 + c2 =1). Tính dx dy dz abc C xyz 14. Cho I = yzdx ∧ dy + xzdy ∧ dz + xydz ∧ dx, S vôùi S laø phía ngoaøi maët: x2 + y2 = R2,x,y,z ≥ 0,z ≤ H. a) Tính tröïc tieáp I. b) Duøng coâng thöùc Gauss-Ostrogradski tính I. 15. Cho I = 4xdy ∧ dz − 2y2dz ∧ dx + z2dx ∧ dy, S vôùi S laø phía ngoaøi maët giôùi haïn bôûi: x2 + y2 ≤ 4, 0 ≤ z ≤ 3. a) Tính tröïc tieáp I. b) Duøng coâng thöùc Gauss-Ostrogradski tính I. 16. Tính I(t)= P (x2 + y2)dx ∧ dy + Q(y, z)dy ∧ dz + R(z,x)dz ∧ dx, St 2 2 2 2 vôùi P, Q, R laø caùc haøm khaû vi, St = {(x, y, z):x + y +(z − 1) = t ,z ≥ 0}. Suy ra I(t). n 1 n 17. Cho ω = aidxi ∈ Ω (U), vôùi U laø taäp môû, co ruùt ñöôïc trong R Chöùng minh i=1 caùc ñieàu sau töông ñöông: (i) ω laø khôùp, i.e. toàn taïi haøm f: ω = df . (ii) ω laø ñoùng, i.e. dω =0. ∂ai ∂aj (iii) = , vôùi moïi i, j =1, ···,n. ∂xj ∂xi (iv) ω =0, vôùi moïi ñöôøng cong kín C. C (iv) ω chæ phuï thuoäc a, b maø khoâng phuï thuoäc ñöôøng cong Ca,b noái chuùng. Ca,b 18. Kieåm tra keát quûa baøi treân khi ω = 2 2 a) f(x + y )(xdx + ydy) b) f(x)dx+ g(y)dy + h(z)dz c) f(x + y + z)(dx + dy + dz) d) f( x2 + y2 + z2)(xdx + ydy + zdz), trong ñoù f,g laø caùc haøm lôùp C1. 19. Xeùt f(x2 + y2)(ydx + xdy), vôùi f laø haøm lôùp C1. C Chöùng minh tích phaân treân khoâng phuï thuoäc daïng cuûa ñöôøng cong C maø chæ phuï thuoäc 2 ñaàu muùt cuûa C. 20. Tìm ñieàu kieän cho caùc haøm P, Q thuoäc lôùp C 2 sao cho P (tx, ty)dx + Q(tx, ty)dy, C khoâng phuï thuoäc t, vôùi moïi ñöôøng cong kín C.
Baøi taäp 63 N,r 21. Tính tích phaân Gauss cos( )dS, trong ñoù r x, y, z , S laø maët trôn, 2 =( ) S r kín trong R3, 0 ∈ S, vaø N laø tröôøng phaùp, ñôn vò, höôùng ngoaøi. 22. Cho V ⊂ R3 laø khoái giôùi haïn bôûi maët tr7n, kín S, vaø N =(cosα, cos β,cos γ) laø tröôøng phaùp vector ñôn vò ñònh höôùng maët S. Chöùng minh: a) cos(N,v)dS =0, vôùi moïi höôùng v ∈ Rn. S b) Theå tích cuûa V cho bôûi coâng thöùc 1 V = (x cos α + y cos β + z cos γ)dS 3 S c) Neáu F (x, y, z)=(ax, by, cz), thì dS=(a + b + c)V . S 23. Tính F (t)= fdS, vôùi S : x + y + z = t, vaø f(x, y)=x2 + y2, neáu S x2 + y2 + z2 ≤ 1; vaø f(x, y)=0trong tröôøng hôïp ngöôïc laïi. 24. Tính ((cos z − cos y)cosα +(cosx − cos z)cosβ +(cosy − cos x)cosγ) dS, S vôùi S laø phía treân maët caàu x2 + y2 + z2 =1, vaø α, β, γ laø caùc goùc taïo bôûi tröôøng phaùp vector cuûa S vôùi caùc truïc toïa ñoä. 25. Tính (x2 cos α + y2 cos β + z2 cos γ)dS, S vôùi S laø maët noùn giôùi haïn mieàn: x2 +y2 ≤ z2, 0 ≤ z ≤ h, ñònh höôùng bôûi tröôøng phaùp vector N =(cosα, cos β,cos γ) höôùng ra ngoaøi. 26. Cho tröôøng vector F (x, y, z)=(x2z,−2y3z2,xy2z). Tính div F = vaø rot F = ∇×F . 27. Chöùng minh rot(grad )f =0, vaø div(rot F )=0 (f laø haøm, F laø tröôøng vector lôp C2) n 28. Tröôøng vector F =(F1, ···,Fn) treân U ⊂ R , goïi laø tröôøng theá neáuu haøm f khaû vi treân U, sao cho F =gradf (goïi laø haøm theá) a) F laø tröôøng theá khi vaø chæ khi ωF = F1dx1 + ···+ Fndxn laø daïng khôùp. (x, y, z) b) Tröôøng haáp daãn F (x, y, z)=−m 3 coù laø tröôøng theá? Neáu coù (x2 + y2 + z2) 2 tìm haøm theá cuûa noù. 3 29. Trong R , cho tröôøng vector F . Thöû giaûi thích taïi sao trong vaät lyù ngöôøi ta goïi a) dslaø coâng cuûa tröôøng F doïc theo ñöôøng cong C. C b) dSlaø thoâng löôïng doøng F qua maët cong cong S. S 30. Trong R3 cho tröôøng vector khaû vi F . Chöùng minh 1 div F (x0) = lim dS, r→0 Vr Sr
Baøi taäp 64 Vôùi Vr laø theå tích hình caàu taâm x0 baùn kính r, vôùi Sr laø bôø vaø N laø tröôøng phaùp vector ñôn vò treân Sr. 31. Cho S laø maët giôùi haïn khoái V vaø N tröôøng phaùp vector ñôn vò treân S. Chöùng minh div NdV = dieän tích (S) × theå tích (V ) V 32. Cho ϕ, ψ laø caùc haøm lôùp C2 treân mieàn giôùi noäi V ⊂ R3, coù bôø laø maët kín S, ñònh höôùng bôûi tröôøng phaùp vector ñôn vò N höôùng ra phía ngoaøi. Chöùng minh a) Coâng thöùc Green thöù nhaát: (ϕ∆ψ+ dV = dS V S b) Coâng thöùc Green thöù hai: (ϕ∆ψ − ψ∆ϕ>dV = dS V S ∂2 ∂2 ∂2 trong ñoù , laø toaùn töû Laplace. ∆= = ∂x2 + ∂y2 + ∂z2