background image

 

 

2

nd

  

 

 

A

d

Clas

 

Adva

s

Uni

 

Electro

 

 

Lin

anc

iversity of
omechani

Energy 

 

 

ne I

ed 

f Technolo

cal Depar

Branch

Inte

Ma

ogy

tment

egra

athe

al

ema

 

atic

3

st

  Le

 

cs

cture


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

 

 
 
 

Advance Mathematic

Line Integral

2    Class Electromechanical Engineer

nd

Dr.Eng.Muhammad.A.R.Yass

by

Page 2 of 21

Line Integral's

<<2012-2013>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Multiple Integral

Green's Theorm

Stoke's Theorm

Page 3 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

The line integral of 

( )

,

f x y

 along C is denoted by, 

( )

,

C

f x y ds

ò

 

 

-

 

2

2

where    

dx

dy

ds

dt

dt

dt

æ

ö

æ

ö

=

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

 

 

( )

( ) ( )

(

)

2

2

,

,

C

b

a

dx

dy

f x y ds

f h t

g t

dt

dt

dt

æ

ö

æ

ö

=

+

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

ó

ô

õ

ò

 

  

If we use the vector form of the parameterization we can simplify the notation up somewhat by 
noticin  that

Line Integral (with Respect To arc Length)

 

( )

2

2

dx

dy

r t

dt

dt

æ

ö

æ

ö

¢

+

=

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

r

 

where 

( )

r t

¢r

 is the 

magnitude

 or norm of 

( )

r t

¢r

.  Using this notation the line integral becomes

 

( )

( ) ( )

(

)

( )

,

,

C

b

a

f x y ds

f h t

g t

r t dt

¢

=

ò

ò

r

 

 

Example 1  

Evaluate 

4

C

xy ds

ò

 where C is the right half of the circle,

2

2

16

x

y

+

=

 rotated in the 

counter clockwise direction. 
 
Solution

4 cos

4 sin

x

t

y

t

=

=

 

right half of the circl

e

.  

 

2

2

t

p

p

- £ £  

 and 

 

4 sin

4 cos

dx

dy

t

t

dt

dt

= -

=

 

so r = 4 as we know that x=rcost    and y=r sint so

for

2

2

16 sin

16 cos

4

ds

t

t dt

dt

=

+

=

 
The line integral is then, 

 

(

) ( )

2

4

4

2

2

4

2

2

5

2

4 cos

4 sin

4

4096

cos sin

4096

sin

5

8192

5

C

xy ds

t

t

dt

t

t dt

t

p

p

p

p

p

p

-

-

-

=

=

=

=

ò

ò

ò

 

Page 4 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

Example 2  

Evaluate 

3

4

C

x ds

ò

 where C is the curve shown below. 

 

 

Solution 

So, first we need to parameterize each of the curves. 

 

1

3

2

3

:

,

1,

2

0

:

,

1,

0

1

:

1,

,

0

2

C

x

t y

t

C

x

t y

t

t

C

x

y

t

t

=

= -

- £ £

=

= -

£ £

=

=

£ £

 

 
Now let’s do the line integral over each of these curves. 

 

( ) ( )

1

0

0

0

2

2

3

3

3

4

2

2

2

4

4

1

0

4

16

C

x ds

t

dt

t dt

t

-

-

-

=

+

=

=

= -

ò

ò

ò

 

 

 

( )

( )

(

)

2

1

2

2

3

3

2

0

1

3

4

0

1

3

3

4

2

2

0

4

4

1

3

4

1 9

1 2

2

1 9

10

1

2.268

9 3

27

C

x ds

t

t

dt

t

t dt

t

=

+

=

+

æ

ö

æ ö

=

+

=

- =

ç

÷

ç ÷

è ø

è

ø

ó

ô

õ

ò

ò

 

 

 

( ) ( ) ( )

3

2

2

3

2

2

3

0

0

4

4 1

0

1

4

8

C

x ds

dt

dt

=

+

=

=

ò

ò

ò

 

 
Finally, the line integral that we were asked to compute is, 

 

1

2

3

3

3

3

3

4

4

4

4

16 2.268 8

5.732

C

C

C

C

x ds

x ds

x ds

x ds

=

+

+

= - +

+

= -

ò

ò

ò

ò

 

Page 5 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 3  

Evaluate 

3

4

C

x ds

ò

 were C is the line segment from 

(

)

2, 1

- -

 to 

( )

1, 2

 
Solution 
From the parameterization formulas at the start of this section we know that the line segment start 

at 

(

)

2, 1

- -

 and ending at 

( )

1, 2

 is given by, 

 

( ) (

)

1

2, 1

1, 2

2 3 , 1 3

r t

t

t

t

t

= -

- - +

= - +

- +

r

 

for 

0

1

t

£ £

.  This means that the individual parametric equations are, 

2 3

1 3

x

t

y

t

= - +

= - +

 
Using this path the line integral is, 

 

(

)

( )

(

)

1

3

3

0

1

4

1

12

0

4

4

2 3

9 9

12 2

2 3

5

12 2

4

15 2

21.213

C

x ds

t

dt

t

=

- +

+

=

- +

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

= -

= -

ò

ò

 

 

Example 4  

Evaluate 

3

4

C

x ds

ò

 were C is the line segment from 

( )

1, 2

 to 

(

)

2, 1

- -

Solution 
This one isn’t much different, work wise, from the previous example.  Here is the 
parameterization of the curve. 

( ) (

)

1

1, 2

2, 1

1 3 , 2 3

r t

t

t

t

t

= -

+ - -

= -

-

r

 

for 

0

1

t

£ £

.  Remember that we are switch the direction of the curve and this will also change 

the parameterization so we can make sure that we start/end at the proper point. 

Here is the line integral. 

(

)

( )

(

)

1

3

3

0

1

4

1

12

0

4

4 1 3

9 9

12 2

2 3

5

12 2

4

15 2

21 213

C

x ds

t

dt

t

=

-

+

=

- +

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

= -

= -

ò

ò

 

We then have the following fact about line integrals with respect to arc length. 

Page 6 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 
Fact 

( )

( )

,

,

C

C

f x y ds

f x y ds

-

=

ò

ò

 

So, for a line integral with respect to arc length we can change the direction of the curve and not 
change the value of the integral.  This is a useful fact to remember as some line integrals will be 
easier in one direction than the other. 

Example 5  

Evaluate 

C

x ds

ò

 for each of the following curves. 

(a) 

2

1

:

,

1

1

C

y

x

x

=

- £ £

   

(b) 

2

C

: The line segment from 

(

)

1,1

-

 to 

( )

1,1

(c) 

3

C

: The line segment from 

( )

1,1

 to 

(

)

1,1

-

Solution 

 

(a) 

2

1

:

,

1

1

C

y

x

x

=

- £ £

 

 
Here is a parameterization for this curve. 

 

2

1

:

,

,

1

1

C

x

t y

t

t

=

=

- £ £  

for 

0

1

t

£ £

.   

 

Here is the line integral. 

 

(

)

1

1

3

1

2

2

2

1

1

1

1 4

1 4

0

12

C

x ds

t

t dt

t

-

-

=

+

=

+

=

ò

ò

 

 

(b) 

2

C

: The line segment from 

(

)

1,1

-

 to 

( )

1,1

. 

( ) (

)

2

:

1

1,1

1,1

2

1,1

C

r t

t

t

t

= -

-

+

=

-

r

 

   

 

.  

 

 

 

  , 

 

2

:

,

1,

1

1

C

x

t y

t

=

=

- £ £  

 

Page 7 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

This will be a much easier parameterization to use so we will use this.  Here is the line integral 
for this curve. 

 

2

1

1

2

1

1

1

1 0

0

2

C

x ds

t

dt

t

-

-

=

+

=

=

ò

ò

 

  

(c) 

3

C

: The line segment from 

( )

1,1

 to 

(

)

1,1

-

. 

 since we know that 

3

2

C

C

= -

.  The fact tells us that this line integral should be the same

 as the second part (i.e.  zero).  However, let’s verify that, 

 
Here is the parameterization for this curve. 

 

( ) (

)

3

:

1

1,1

1,1

1 2 ,1

C

r t

t

t

t

= -

+ -

= -

r

 

for 

0

1

t

£ £

.   

 
Here is the line integral for this curve. 

 

(

)

(

)

3

1

1

2

0

0

1 2

4 0

2

0

C

x ds

t

dt

t

t

=

-

+

=

-

=

ò

ò

 

 
Sure enough we got the same answer as the second part. 

 

 
Let’s suppose that the three-dimensional curve C is given by the parameterization, 

( )

( )

( )

,

x

x t

y

y t

z

z t

a

t

b

=

=

=

£ £

 

then the line integral is given by, 

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

2

2

2

, ,

,

,

C

b

a

dx

dy

dz

f x y z ds

f x t

y t

z t

dt

dt

dt

dt

æ

ö

æ

ö

æ

ö

=

+

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

ó

ô

õ

ò

 

 
Note that often when dealing with three-dimensional space the parameterization will be given as a 
vector function. 

 

( )

( ) ( ) ( )

,

,

r t

x t

y t

z t

=

r

 

 

Notice that we changed up the notation for the parameterization a little.  Since we rarely use the 

function names we simply kept the xy, and z and added on the 

( )

t

 part to denote that they may 

be functions of the parameter.   
 
Also notice that, as with two-dimensional curves, we have, 

 

( )

2

2

2

dx

dy

dz

r t

dt

dt

dt

æ

ö

æ

ö

æ

ö

¢

+

+

=

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

r

 

and the line integral can again be written as, 

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

( )

, ,

,

,

C

b

a

f x y z ds

f x t

y t

z t

r t dt

¢

=

ò

ò

r

 

 

So, outside of the addition of a third parametric equation line integrals in three-dimensional space 
work the same as those in two-dimensional space.  Let’s work a quick example. 

Page 8 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 6  

Evaluate 

C

xyz ds

ò

 where C is the helix given by, 

( )

( )

( )

cos

, sin

, 3

r t

t

t

t

=

r

0

4

t

p

£ £

 

Solution 
Note that we first saw the vector equation for a helix back in the 

Vector Functions

 section.  Her

is a quick sketch of the helix. 

( ) ( )

( )

( )

( )

( )

4

2

2

0

4

0

4

0

4

0

3 cos

sin

sin

cos

9

1

3

sin 2

1 9

2

3 10

sin 2

2

3 10 1

sin 2

cos 2

2

4

2

3 10

C

xyz ds

t

t

t

t

t

dt

t

t

dt

t

t dt

t

t

t

p

p

p

p

p

=

+

+

æ

ö

=

+

ç

÷

è

ø

=

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

= -

ó

ô

õ

ò

ò

ò

 

Page 9 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
As with the last section we will start with a two-dimensional curve C with parameterization, 

 

( )

( )

x

x t

y

y t

a

t

b

=

=

£ £  

 
The line integral of f with respect to x is, 

 

( )

( ) ( )

(

)

( )

,

,

C

b

a

f x y dx

f x t

y t

x t dt

¢

=

ò

ò

 

 
The line integral of f with respect to y is, 

 

( )

( ) ( )

(

)

( )

,

,

C

b

a

f x y dy

f x t

y t

y t dt

¢

=

ò

ò

 

 

 

( )

( )

,

,

C

C

C

Pdx Q dy

P x y dx

Q x y dy

+

=

+

ò

ò

ò

 

(

)

1

1

3

4

0

0

1

2

1

cos 2

2

3

2

7

6

t

t

t

p

p

p

æ

ö

= -

+

+

+

ç

÷

è

ø

=

 

Line Integral-Part II

(with respect to x and/or y)

Also

 

Example 1  

Evaluate 

( )

2

sin

C

y dy

yx dx

p

+

ò

where C is the line segment from 

( )

0, 2

 to 

( )

1, 4

 
Solution 
Here is the parameterization of the curve. 

 

( ) (

)

1

0, 2

1, 4

, 2 2

0

1

r t

t

t

t

t

t

= -

+

=

+

£ £

r

 

 
The line integral is, 

( )

( )

(

)

(

)

( )

(

)( ) ( )

2

2

1

1

2

0

0

sin

sin

sin

2

2

2

2 2

1

C

C

C

y dy

yx dx

y dy

yx dx

t

dt

t

t

dt

p

p

p

+

=

+

=

+

+

+

ò

ò

ò

ò

ò

 

Example 2  

Evaluate 

( )

2

sin

C

y dy

yx dx

p

+

ò

where C is the line segment from 

( )

1, 4

 to 

( )

0, 2

 

Solution 
So, we simply changed the direction of the curve.  Here is the new parameterization. 

 

( ) (

)

1

1, 4

0, 2

1

, 4 2

0

1

r t

t

t

t

t

t

= -

+

= -

-

£ £

r

 

 

The line integral in this case is, 

 

( )

( )

(

)

(

)

( )

(

)(

) ( )

(

)

2

2

1

1

2

0

0

1

1

4

3

2

0

0

sin

sin

sin

4 2

2

4 2

1

1

1

1

8

cos 4

2

5

4

2

3

7

6

C

C

C

y dy

yx dx

y dy

yx dx

t

dt

t

t

dt

t

t

t

t

t

p

p

p

p

p

p

+

=

+

=

-

-

+

-

-

-

æ

ö

=

-

- -

+

-

+

ç

÷

è

ø

= -

ò

ò

ò

ò

ò

 

Page 10 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 
Fact 
If C is any curve then, 

( )

( )

( )

( )

,

,

and

,

,

C

C

C

C

f x y dx

f x y dx

f x y dy

f x y dy

-

-

= -

= -

ò

ò

ò

ò

 

With the combined form of these two integrals we get, 

 

C

C

Pdx Q dy

Pdx Q dy

-

+

= -

+

ò

ò

 

 

We can also do these integrals over three-dimensional curves as well.  In this case we will pick up 
a third integral (with respect to z) and the three integrals will be. 
 

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

( )

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

( )

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

( )

, ,

,

,

, ,

,

,

, ,

,

,

C

C

C

b

a

b

a

b

a

f x y z dx

f x t

y t

z t

x t dt

f x y z dy

f x t

y t

z t

y t dt

f x y z dz

f x t

y t

z t

z t dt

¢

=

¢

=

¢

=

ò

ò

ò

ò

ò

ò

 

 where the curve C is parameterized by  

( )

( )

( )

x

x t

y

y t

z

z t

a

t

b

=

=

=

£ £

 

 
As with the two-dimensional version these three will often occur together so the shorthand we’ll 
be using here is, 
 

(

)

(

)

(

)

, ,

, ,

, ,

C

C

C

C

Pdx Q dy

R dz

P x y z dx

Q x y z dy

R x y z dz

+

+

=

+

+

ò

ò

ò

ò

 

 

Example 3  

Evaluate 

C

y dx

x dy

z dz

+

+

ò

 where C is given by 

cos

x

t

=

sin

y

t

=

2

z

t

=

0

2

t

p

£ £

Solution 
So, we already have the curve parameterized so there really isn’t much to do other than evaluate 
the integral. 

(

)

(

)

( )

2

2

2

2

0

0

0

2

2

2

2

2

3

0

0

0

sin

sin

cos

cos

2

sin

cos

2

C

C

C

C

y dx

x dy

z dz

y dx

x dy

z dz

t

t dt

t

t dt

t

t dt

t dt

t dt

t dt

p

p

p

p

p

p

+

+

=

+

+

=

-

+

+

= -

+

+

ò

ò

ò

ò

ò

ò

ò

ò

ò

ò

( )

(

)

( )

(

)

( )

( )

2

2

2

3

0

0

0

4

0

1

1

1 cos 2

1 cos 2

2

2

2

1

1

1

1

1

sin 2

sin 2

2

2

2

2

2

t

dt

t

dt

t dt

t

t

t

t

t

p

p

p

= -

-

+

+

+

æ

ö

æ

ö

æ

ö

= -

-

+

+

+

ç

÷

ç

÷

ç

÷

è

ø

è

ø

è

ø

ò

ò

ò

2

4

8

p

p

=

 

Page 11 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

In the previous two sections we looked at line integrals of functions.  In this section we are going 
to evaluate line integrals of vector fields.  We’ll start with the vector field, 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

, ,

, ,

, ,

, ,

F x y z

P x y z i

Q x y z j

R x y z k

=

+

+

r

r

r

r

 

and the three-dimensional, smooth curve given by 

 

 

( ) ( )

( )

( )

r t

x t i

y t j

z t k

a

t

b

=

+

+

£ £

r

r

r

r

 

 

The line integral of 

F

r

 along C is  

 

 

( )

(

)

( )

C

b

a

F d r

F r t

r t dt

¢

=

ò

ò

r

r

r

r

r

g

g

 

.  Also, 

( )

(

)

F r t

r r

 is a shorthand for, 

 

( )

(

)

( ) ( ) ( )

(

)

,

,

F r t

F x t

y t

z t

=

r

r

r

 

 
We can also write line integrals of vector fields as a line integral with respect to arc length as 
follows, 

 

C

C

F d r

F T ds

=

ò

ò

r

r r

r

g

g

 

where 

( )

T t

r

 is the unit tangent vector and is given by, 

 

( )

( )

( )

r t

T t

r t

¢

=

¢

r

r

r

 

 
If we use our knowledge on how to compute line integrals with respect to arc length we can see 
that this second form is equivalent to the first form given above. 

 

( )

(

)

( )

( )

( )

( )

(

)

( )

C

C

b

a

b

a

F d r

F T ds

r t

F r t

r t dt

r t

F r t

r t dt

=

¢

¢

=

¢

¢

=

ó

ô

õ

ò

ò

ò

r

r r

r

g

g

r

r r

r

g r

r r

r

g

 

 

Line Integral of Vector Fields

Example 1  

Evaluate 

C

F d r

ò

r r

g

 where 

(

)

2

, ,

8

5

4

F x y z

x y z i

z j

x y k

=

+

-

r

r

r

r

 and C is the curve 

given by 

( )

2

3

r t

t i

t j

t k

=

+

+

r

r

r

r

0

1

t

£ £

 
Solution 
Okay, we first need the vector field evaluated along the curve. 

 

( )

(

)

( )( )

( )

2

2

3

3

2

7

3

3

8

5

4

8

5

4

F r t

t

t

t

i

t j

t t

k

t i

t j

t k

=

+

-

=

+

-

r

r

r

r

r

r

r

r

 

 
Next we need the derivative of the parameterization. 

 

( )

2

2

3

r t

i

t j

t k

¢

= +

+

r

r

r

r

 

 
Finally, let’s get the dot product taken care of. 

 

( )

(

)

( )

7

4

5

8

10

12

F r t

r t

t

t

t

¢

=

+

-

r r

r

g

 

 
The line integral is then, 

 

(

)

1

7

4

5

0

1

8

5

6

0

8

10

12

2

2

1

C

F d r

t

t

t dt

t

t

t

=

+

-

=

+

-

=

ò

ò

r r

g

 

Page 12 of 21

Line Integral's

<<2013-20143>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 

 

Example 2  

Evaluate 

C

F d r

ò

r r

g

 where 

(

)

, ,

F x y z

x z i

y z k

=

-

r

r

r

 and C is the line segment from 

(

)

1, 2, 0

-

 and 

(

)

3, 0,1

 
Solution 

Here is the parameterization for the line. 

 

( ) (

)

1

1, 2, 0

3, 0,1

4

1, 2 2 ,

,

0

1

r t

t

t

t

t t

t

= -

-

+

=

-

-

£ £

r

 

 
So, let’s get the vector field evaluated along the curve. 

 

( )

(

)

(

)( ) (

)( )

(

) (

)

2

2

4

1

2 2

4

2

2

F r t

t

t i

t

t k

t

t i

t

t

k

=

-

- -

=

-

-

-

r

r

r

r

r

r

 

 
Now we need the derivative of the parameterization. 

 

( )

4, 2,1

r t

¢

=

-

r

 

 
The dot product is then, 

 

( )

(

)

( )

(

) (

)

2

2

2

4 4

2

2

18

6

F r t

r t

t

t

t

t

t

t

¢

=

- -

-

=

-

r r

r

g

 

 
The line integral becomes, 

 

(

)

1

2

0

1

3

2

0

18

6

6

3

3

C

F d r

t

t dt

t

t

=

-

=

-

=

ò

ò

r r

g

 

Given the vector field 

(

)

, ,

F x y z

P i

Q j

R k

=

+

+

r

r

r

r

 and the curve C parameterized by 

( ) ( )

( )

( )

r t

x t i

y t j

z t k

=

+

+

r

r

r

r

a

t

b

£ £

 the line integral is, 

 

 

(

) (

)

C

C

C

C

b

a

b

a

b

b

b

a

a

a

F d r

P i

Q j

R k

x i

y j

z k dt

Px

Qy

Rz dt

Px dt

Qy dt

Rz dt

P dx

Q dy

R dz

¢

¢

¢

=

+

+

+

+

¢

¢

¢

=

+

+

¢

¢

¢

=

+

+

=

+

+

ò

ò

ò
ò

ò

ò

ò

ò

ò

r

r

r

r

r

r

r

r

g

g

 

C

P dx Q dy

R dz

=

+

+

ò

 
So, we see that, 

C

C

F d r

P dx Q dy

R dz

=

+

+

ò

ò

r r

g

 

 
Fact 

C

C

F d r

F d r

-

= -

ò

ò

r

r

r

r

g

g

 

Page 13 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Fundemental Theorem for Line Integrals

Green's Theorm

Green’s Theorem 
Let C be a positively oriented, piecewise smooth, simple, closed curve and let D be the region 
enclosed by the curve.  If P and Q have continuous first order partial derivatives on D then, 

 

C

D

Q

P

Pdx Qdy

dA

x

y

æ

ö

+

=

-

ç

÷

è

ø

óó

ôô

õõ

ò

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Green’s Theorem we will often denote the line integral as, 

 

 

or

C

C

Pdx Qdy

Pdx Qdy

+

+

ò

ò

Ñ

i

 

 

Example 1  

Use Green’s Theorem to evaluate 

2

3

C

xy dx

x y dy

+

ò

Ñ

 where C is the triangle with 

vertices 

( )

0, 0

( )

1, 0

( )

1, 2

 with positive orientation. 

 
Solution 

 

 Green’s Theorem and we can see that the following inequalities will define the region enclosed. 

 

 

0

1

0

2

x

y

x

£ £

£ £

 

 
We can identify P and Q from the line integral.  Here they are. 

 

2

3

P

xy

Q

x y

=

=

 

 
So , using Green’s Theorem the line integral becomes, 

2

3

3

1

2

3

0

0

2

2

C

D

x

xy dx

x y dy

xy

x dA

xy

x dy dx

+

=

-

=

-

ó

õ

ò

òò

ò

Ñ

1

2

4

0

0

1

5

2

0

1

6

3

0

1

2

8

2

4

2

3

3

2

3

x

xy

xy

dx

x

x dx

x

x

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

=

-

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

=

ó

ô

õ

ò

 

Page 14 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

Example 2  

Evaluate 

3

3

C

y dx

x dy

-

ò

Ñ

 where C is the positively oriented circle of radius 2 

centered at the origin. 
 
Solution 

 
Let’s first identify P and Q from the line integral. 

3

3

P

y

Q

x

=

= -

 

 

 
Now, using Green’s theorem on the line integral gives, 

 

3

3

2

2

3

3

C

D

y dx

x dy

x

y dA

-

= -

-

ò

òò

Ñ

 

 

(

)

3

3

2

2

2

2

3

0

0

2

2

4

0

0

2

0

3

3

1

3

4

3

4

24

C

D

y dx

x dy

x

y

dA

r dr d

r

d

d

p

p

p

q

q

q

p

-

= -

+

= -

= -

= -

= -

ó

õ

ó

ô

õ

ò

òò

ò

ò

Ñ

 

 

Example 3  

Evaluate 

3

3

C

y dx

x dy

-

ò

Ñ

 where C are the two circles of radius 2 and radius 1 

centered at the origin with positive orientation. 
 

(

)

3

3

2

2

2

2

3

1

0

2

2

4

1

0

3

3

1

3

4

C

D

y dx

x dy

x

y

dA

r dr d

r

d

p

p

q

q

-

= -

+

= -

= -

ó

õ

ó

ô

õ

ò

òò

ò

Ñ

 

Solution 

2

0

15

3

4

45

2

d

p

q

p

= -

= -

ó

ô

õ

 

1

2

C

C

C

A

x dy

y dx

x dy

y dx

=

= -

=

-

ò

ò

ò

Ñ

Ñ

Ñ

 

 

 

Fact

 

Example 4  

Use Green’s Theorem to find the area of a disk of radius a

 
Solution 
We can use either of the integrals above, but the third one is probably the easiest.  So, 

 

1

2

C

A

x dy

y dx

=

-

ò

Ñ

 

Page 15 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

where C is the circle of radius a.  So, to do this we’ll need a parameterization of C.  This is, 

 

cos

sin

0

2

x

a

t

y

a

t

t

p

=

=

£ £

 

 
The area is then, 

 

(

)

(

)

(

)

2

2

0

0

2

2

2

2

2

0

2

2

0

2

1

2

1

cos

cos

sin

sin

2
1

cos

sin

2
1

2

C

A

x dy

y dx

a

t a

t dt

a

t

a

t dt

a

t

a

t dt

a dt

a

p

p

p

p

p

=

-

=

-

-

=

+

=

=

ò

ò

ò

ò
ò

Ñ

 

Page 16 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 The following surface with the indicated orientation. 

 

 

 

Stokes’ Theorem 

 
Let S be an oriented smooth surface that is bounded by a simple, closed, smooth boundary curve 
C with positive orientation.  Also let 

F

r

 be a vector field then, 

 

curl

C

S

F d r

F dS

=

ò

òò

r

r

r

r

g

g  

 

Stokes' Theorm

Example 1  

Use Stokes’ Theorem to evaluate 

curl

S

F dS

òò

r

r

g

 where 

2

3 3

3

F

z i

xy j x y k

=

-

+

r

r

r

r

 

and S is the part of 

2

2

5

z

x

y

= -

-

 above the plane 

1

z

=

.  Assume that S is oriented upwards. 

 
Solution 
Let’s start this off with a sketch of the surface. 

 

In this case the boundary curve C will be where the surface intersects the plane 

1

z

=

 and so will 

be the curve 

 

2

2

2

2

1 5

4

at 

1

x

y

x

y

z

= -

-

+

=

=

 

 
So, the boundary curve will be the circle of radius 2 that is in the plane 

1

z

=

.  The 

parameterization of this curve is, 

 

( )

2cos

2sin

, 0

2

r t

t i

t j k

t

p

=

+

+

£ £

r

r

r

r

 

Page 17 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

 

 
The first two components give the circle and the third component makes sure that it is in the plane 

1

z

=

 
Using Stokes’ Theorem we can write the surface integral as the following line integral. 

 

( )

(

)

( )

2

0

curl

S

C

F dS

F d r

F r t

r t dt

p

¢

=

=

òò

ò

ò

r

r

r

r

r

r

r

g

g

g

 

 
So, it looks like we need a couple of quantities before we do this integral.  Let’s first get the 
vector field evaluated on the curve.  Remember that this is simply plugging the components of the 
parameterization into the vector field. 

 

( )

(

)

( )

(

)(

) (

) (

)

2

3

3

3

3

1

3 2 cos

2sin

2cos

2sin

12 cos sin

64cos sin

F r t

i

t

t j

t

t k

i

t

t j

t

t k

=

-

+

= -

+

r

r

r

r

r

r

r

r

 

 
Next, we need the derivative of the parameterization and the dot product of this and the vector 
field. 

 

( )

( )

(

)

( )

2

2sin

2 cos

2sin

24sin cos

r t

t i

t j

F r t

r t

t

t

t

¢

= -

+

¢

= -

-

r

r

r

r r

r

g

 

 
We can now do the integral. 

 

(

)

2

2

0

2

3

0

curl

2sin

24sin cos

2cos

8cos

0

S

F dS

t

t

t dt

t

t

p

p

=

-

-

=

+

=

òò

ò

r

r

g

 

 

Example 2  

Use Stokes’ Theorem to evaluate 

C

F d r

ò

r

r

g

 where 

2

2

F

z i

y j x k

=

+

+

r

r

r

r

 and C is 

the triangle with vertices 

(

)

1,0,0

(

)

0,1,0

 and 

(

)

0,0,1

 with counter-clockwise rotation. 

 
Solution 
We are going to need the curl of the vector field eventually so let’s get that out of the way first. 

 

(

)

2

2

curl

2

2

1

i

j

k

F

z j

j

z

j

x

y

z

z

y

x

=

=

- =

-

r

r

r

r

r r

r

 

Page 18 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Since the plane is oriented upwards this induces the positive direction on C as shown.  The 
equation of this plane is, 

 

( )

1

,

1

x y z

z g x y

x y

+ + =

Þ

=

= - -  

 
Now, let’s use Stokes’ Theorem and get the surface integral set up. 

 

(

)

(

)

curl

2

1

2

1

C

S

S

D

F d r

F dS

z

j dS

f

z

j

f dA

f

=

=

-

Ñ

=

-

Ñ

Ñ

ò

òò
òò
òò

r

r

r

r

g

g

r

r

g

r

g

 

 
Okay, we now need to find a couple of quantities.  First let’s get the gradient.  Recall that this 
comes from the function of the surface. 

 

(

)

( )

, ,

,

1

f x y z

z g x y

z

x y

f

i

j k

= -

= - + +

Ñ = + +

r

r r

 

Note as well that this also points upwards and so we have the correct direction. 
 
Now, D is the region in the xy-plane shown below, 

 

 
We get the equation of the line by plugging in 

0

z

=

 into the equation of the plane.  So based on 

this the ranges that define D are, 

 

0

1

0

1

x

y

x

£ £

£ £ - +  

 
The integral is then, 

 

(

)

(

)

(

)

1

1

0

0

2

1

2 1

1

C

D

x

F d r

z

j i

j k dA

x y

dy dx

- +

=

-

+ +

=

- -

-

ò

òò

ò ò

r

r

r r r

r

g

g

 

 
Don’t forget to plug in for z since we are doing the surface integral on the plane.  Finishing this 
out gives, 

(

)

1

1

0

0

1

1

2

0

0

1

2

0

1

3

2

0

1 2

2

2

1

1

3

2

1
6

x

C

x

F d r

x

y dy dx

y

xy y

dx

x

x dx

x

x

- +

- +

=

-

-

=

-

-

=

-

æ

ö

=

-

ç

÷

è

ø

= -

ò

ò ò

ò
ò

r r

g

 

Page 19 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Home Work

Page 20 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>


background image

Dr.Eng Muhammad.A.R.yass

Page 21 of 21

Line Integral's

<<2013-2014>>




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 93 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل