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7 — 5 格林公式,曲线积分与路径无关的条件
第五节 格林公式 平面上曲线积分与路径无 关的条件 * 二、平面上曲线积分与路径 无关的条件 一、格林 Green 公式 第五模块 二重积分与曲线积分 定理 格林定理 设 D 是以分段光滑曲线 L 为边界的平面有界闭区域,函数 P x, y 及 Q x, y 在 D 上具有一阶连续的偏导数,则 ① 一、格林 Green 公式 其中曲线积分是按沿L的正向计算的,公式 ①称为格林公式. y x a b O A B C D L E y ?2 x y ?1 x 证明 假定穿过区域 D 内部且平行于坐标轴的直线与 D 的边界曲线的交点不超过两个.例如区域 D 为图所示,于是根据二重积分的计算法,有 另一方面.由曲线积分计算,有 所以 同理可证 两式相加,即得 取 P x, y - y,Q x, y x,由格林公式得 上式左端是区域 D 的面积 A 的两倍,因此有 例 1 求椭圆 x acos t, y bsin t 所围成的面积 A . 解 例 2 计算 其中 L 为正向圆周 x2 + y2 R2. 解 因为 P x, y - x2y,Q x, y xy2, 所以,由格林公式有 例 3 计算曲线积分 其中AnO为由点 A a, 0 至点 O 0, 0 的上半圆周 x2 + y2 ax a 0 . 解 如果添加有向线段 OA,则 AnO + OA L是一条正向的封闭曲线.我们设由它围成的区域为 D. 因为 P x, y exsin y – my, Q x, y excos y - m, 所以 y x O D n A a, 0 则由格林公式得 而 二、平面上曲线积分与路径 无关的条件 设 D 是一个开区域, 如果对 D 内任意指定的两点 A 与 B, 以及 D 内从点 A 到点 B 的任意两条不相同的分段光滑曲线 L1、L2, 等式 恒成立,则称曲线积分 在 D 内与路径无关.这时,我们可将曲线积分记为 y x O L1 L2 D B A 它也不是单连通域. 如果区域 D 内的任意一条简单闭曲线所围成的区域完全属于 D, 则 D 称为单连通域. 直观地说,单连通域就是没有空洞的区域. a 图中的区域是单连通域, b 图中的两个区域都不是单连通域. b 图中右边的区域, 仅在区域中挖去一个点, a b 定理 1 在区域 D 中,曲线积分 与路径无关的充要条件是:对 D 内任意一条闭曲线 C,有 证 先证必要性. 设 AnBmA 是 D 内任意一条闭曲线. 因为曲线积分 在 D 内与路径无关,所以 因此 y x O B D m n A 再证充分性. 设 A、B 是 D 内的任意两点, AnB 与 AmB 是 D 内的任意两条路径. 因为对 D 内任意一条闭曲线 C, 所以由题设有 恒有 因此 y x O B D m n A 这就说明了曲线积分 与路径无关. 定理 2 设函数 P x, y 、Q x, y 在单连通域 D 内有一阶连续偏导数,则曲线积分 与路径无关的充要条件是 证 先证充分性. x, y ? D,所以对 D 内任意一条正向封闭曲线 L1 及其围成的区域 D1, 因为 D1 ? D , 所以 D1是单连域, 由格林公式有 因为 于是由定理 1 知,曲线积分 在 D 内与路径无关. 必要性证明从略. 例 4 计算 其中 L 是摆线 x t – sin t, y 1- cos t,从点 A 2p, 0 到点 O 0, 0 的一段弧. 解 显然,用这段路径来计算是很复杂且困难. 能否换一条路径呢? 其中 P x, y x2y + 3xex, 再选一条路径 L1: 由 A 2p, 0 沿 x 轴到原点. 审查一下: 由 L 与 L1 所围的平面域是否单连通域. P x, y 与 Q x, y 偏导数是否连续, 现在是连续的.所围的域是单连通域, 这样可以换为在 L1 上求曲线积分, 即 x y O L1 L A 因为 L1 上 dy 0,y 0 所以上式为 即 例 5 计算 解 如果不换路径,计算非常困难,为了换路径,先要计算 P、Q 的偏导数. 其中 L 由点 A - p, - p 经曲线 y pcos x 到点 B p, - p 如图 . 则 y x L O A B *
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