তাপগতিবিদ্যার সমাধানকৃত অনুশীলনী

একটি পথ বরাবর অন্তরক রূপের সমাকলন

অনুশীলনী 6 · পাঠ 4তাপগতিবিদ্যার প্রথম সূত্র

  • অন্তরক রূপ
  • সম্পূর্ণ অন্তরক
  • শোয়ারৎসের মানদণ্ড
  • রেখা সমাকলন

খসড়া সংস্করণ — এই অনুশীলনীটি এখনও পর্যালোচনাধীন।

প্রশ্ন

দুটি অন্তরক রূপ বিবেচনা করা যাক:

ω1=ydx+xdy,ω2=ydx,\omega_1 = y\,\mathrm{d}x + x\,\mathrm{d}y, \qquad \omega_2 = y\,\mathrm{d}x,

এবং মূলবিন্দু O(0,0)O(0,0) থেকে M(1,1)M(1,1) বিন্দুতে যাওয়ার তিনটি পথ: γ1\gamma_1 পথে অনুভূমিক রেখাংশ O(1,0)O\to(1,0)-এর পরে উল্লম্ব রেখাংশ (1,0)M(1,0)\to M; γ2\gamma_2 পথে উল্লম্ব রেখাংশ O(0,1)O\to(0,1)-এর পরে অনুভূমিক রেখাংশ (0,1)M(0,1)\to M; আর γ3\gamma_3 হলো OOMM-কে সরাসরি সংযোগকারী রেখাংশ।

  1. এমন একটি ff অপেক্ষক দেখিয়ে প্রমাণ করুন যে ω1\omega_1 সম্পূর্ণ, যেখানে ω1=df\omega_1=\mathrm{d}f
  2. প্রতিটি রেখাংশের প্যারামিটারায়ন করে γ1ω1\int_{\gamma_1}\omega_1γ2ω1\int_{\gamma_2}\omega_1 নির্ণয় করুন। হিসাব ছাড়াই ফলটি আবার পান।
  3. ω2\omega_2-এর উপর শোয়ারৎসের মানদণ্ড প্রয়োগ করুন। কী সিদ্ধান্ত নেওয়া যায়?
  4. γ1ω2\int_{\gamma_1}\omega_2, γ2ω2\int_{\gamma_2}\omega_2γ3ω2\int_{\gamma_3}\omega_2 নির্ণয় করে মন্তব্য করুন।

ইঙ্গিত

ইঙ্গিত
অনুভূমিক রেখাংশে dy=0\mathrm{d}y=0 এবং উল্লম্ব রেখাংশে dx=0\mathrm{d}x=0; তাই প্রতিটি সমাকলন একটি সরল সমাকলনে নেমে আসে।

বিস্তারিত সমাধান

সমাধান
প্রশ্ন ১। f(x,y)=xyf(x,y)=xy উপযুক্ত, কারণ f/x=y\partial f/\partial x=y এবং f/y=x\partial f/\partial y=x

প্রশ্ন ২। t(x(t),y(t))t\mapsto\bigl(x(t),y(t)\bigr) দ্বারা প্যারামিটারায়িত বক্ররেখার জন্য

γω1=[y(t)x(t)+x(t)y(t)]dt.\int_\gamma\omega_1 = \int \left[y(t)x'(t)+x(t)y'(t)\right]\,\mathrm{d}t.

γ1\gamma_1 পথটি দুটি রেখাংশের সংযোগ। প্রথমটিতে t[0,1]t\in[0,1]-এর জন্য x(t)=tx(t)=t, y(t)=0y(t)=0; তাই dx=dt\mathrm{d}x=\mathrm{d}tdy=0\mathrm{d}y=0। দ্বিতীয়টিতে একইভাবে t[0,1]t\in[0,1]-এর জন্য x(t)=1x(t)=1, y(t)=ty(t)=t; তাই dx=0\mathrm{d}x=0dy=dt\mathrm{d}y=\mathrm{d}t। অতএব,

I1=γ1ω1=01(0×1+t×0)dt+01(t×0+1×1)dt=0+01dt=1.\begin{aligned} I_1 = \int_{\gamma_1}\omega_1 &= \int_0^1\left(0\times 1+t\times 0\right)\,\mathrm{d}t + \int_0^1\left(t\times 0+1\times 1\right)\,\mathrm{d}t \\ &= 0+\int_0^1\mathrm{d}t = 1. \end{aligned}

γ2\gamma_2-এর প্রথম রেখাংশে x(t)=0x(t)=0, y(t)=ty(t)=t, তারপর দ্বিতীয়টিতে x(t)=tx(t)=t, y(t)=1y(t)=1; উভয় ক্ষেত্রেই t[0,1]t\in[0,1]। তাই

I2=γ2ω1=01(t×0+0×1)dt+01(1×1+t×0)dt=0+01dt=1.\begin{aligned} I_2 = \int_{\gamma_2}\omega_1 &= \int_0^1\left(t\times 0+0\times 1\right)\,\mathrm{d}t + \int_0^1\left(1\times 1+t\times 0\right)\,\mathrm{d}t \\ &= 0+\int_0^1\mathrm{d}t = 1. \end{aligned}

দুটি মান সমান। হিসাব ছাড়াই এটি অনুমান করা যেত: f(x,y)=xyf(x,y)=xy-এর জন্য ω1=df\omega_1=\mathrm{d}f, তাই সমাকলনটি শুধু প্রান্তবিন্দুর উপর নির্ভর করে,

γω1=f(M)f(O)=f(1,1)f(0,0)=1.\int_\gamma\omega_1=f(M)-f(O)=f(1,1)-f(0,0)=1.

প্রশ্ন ৩। লিখি ω2=A(x,y)dx+B(x,y)dy\omega_2=A(x,y)\,\mathrm{d}x+B(x,y)\,\mathrm{d}y। এখানে A(x,y)=yA(x,y)=y এবং B(x,y)=0B(x,y)=0। রূপটি সম্পূর্ণ হলে শোয়ারৎসের মানদণ্ড দিত

Ay=Bx.\frac{\partial A}{\partial y}=\frac{\partial B}{\partial x}.

কিন্তু A/y=1\partial A/\partial y=1, অথচ B/x=0\partial B/\partial x=0। মিশ্র অবকলজ দুটি ভিন্ন; তাই ω2\omega_2 সম্পূর্ণ নয়। এর সমাকলন OO থেকে MM পর্যন্ত অনুসৃত পথের উপর নির্ভর করতে পারে, যা পরের হিসাবটি নিশ্চিত করে।

প্রশ্ন ৪। যেহেতু ω2=ydx\omega_2=y\,\mathrm{d}x, তাই yy শূন্য না হলে xx-এর পরিবর্তনই শুধু সমাকলনে অবদান রাখতে পারে। আগের প্যারামিটারায়ন থেকে γ1\gamma_1-এর জন্য পাই

J1=γ1ω2=010×1dt+01t×0dt=0.\begin{aligned} J_1 =\int_{\gamma_1}\omega_2 &=\int_0^1 0\times 1\,\mathrm{d}t +\int_0^1 t\times 0\,\mathrm{d}t \\ &=0. \end{aligned}

γ2\gamma_2-এর প্রথম রেখাংশে x(t)=0x(t)=0, তাই dx=0\mathrm{d}x=0; দ্বিতীয়টিতে x(t)=tx(t)=t, y(t)=1y(t)=1dx=dt\mathrm{d}x=\mathrm{d}t। সুতরাং

J2=γ2ω2=01t×0dt+011×1dt=1.\begin{aligned} J_2 =\int_{\gamma_2}\omega_2 &=\int_0^1 t\times 0\,\mathrm{d}t +\int_0^1 1\times 1\,\mathrm{d}t \\ &=1. \end{aligned}

শেষে, কর্ণ রেখাংশ γ3\gamma_3 স্পষ্টভাবে প্যারামিটারায়িত হয়

x(t)=t,y(t)=t,t[0,1],x(t)=t,\qquad y(t)=t,\qquad t\in[0,1],

তাই dx=dt\mathrm{d}x=\mathrm{d}tdy=dt\mathrm{d}y=\mathrm{d}t। ফলে

J3=γ3ω2=01y(t)x(t)dt=01tdt=12.J_3 =\int_{\gamma_3}\omega_2 =\int_0^1 y(t)x'(t)\,\mathrm{d}t =\int_0^1 t\,\mathrm{d}t =\frac12.

তিনটি পথের প্রান্তবিন্দু একই, কিন্তু তিনটি ভিন্ন মান দেয়: J1=0J_1=0, J2=1J_2=1J3=1/2J_3=1/2। এটিই অসম্পূর্ণ অন্তরক রূপের বৈশিষ্ট্যপূর্ণ পথ-নির্ভরতা।