10.6高斯公式与斯托克斯公式.ppt

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第十章 曲线积分与曲面积分 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 本节内容 Green 公式 Gauss 公式 推广 Stokes 公式 一、高斯公式 *三、沿任意闭曲面的曲面积分为零的条件 二、斯托克斯公式 *四、空间曲线积分与路径无关的条件 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 一、高斯 ( Gauss ) 公式 定理1. 设空间闭区域 ? 由分片光滑的闭曲 ? 上有连续的一阶偏导数 , 函数 P, Q, R 在 面? 所围成, 则有 (Gauss 公式) ? 的方向取外侧, § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 下面先证: 证明: 设 称为XY -型区域 , 则 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 所以 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 若 ? 不是 XY–型区域 , 则可引进辅助面 将其分割成若干个 XY–型区域, 故上式仍成立 . 正反两侧面积分正负抵消, 在辅助面 类似可证 三式相加, 即得所证 Gauss 公式: § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 例1. 用Gauss 公式计算 其中? 为柱面 闭域 ? 的整个边界曲面的外侧. 解: 这里 利用Gauss 公式, 得 原式 = 及平面 z = 0 , z = 3 所围空间 思考: 若 ? 改为内侧, 结果有何变化? 若 ? 为圆柱侧面(取外侧) , 如何计算? 利用质心公式, 注意 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 例2. 利用Gauss 公式计算积分 其中? 为锥面 解: 作辅助面 取上侧 介于z = 0及 z = h 之间部分的下侧, ?, ?, ? 为法向量的方向角. 所围区域为? , 则 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 利用质心公式, 注意 思考: 计算曲面积分 提示: 作取上侧的辅助面 介于平面 z= 0 及 z = 2 之间部分的下侧. 先二后一 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 例3. 设? 为曲面 取上侧, 求 解: 作取下侧的辅助面 用柱坐标 用极坐标 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 二、 斯托克斯公式 定理2. 设光滑曲面? 的边界? 是分段光滑曲线, (斯托克斯公式) 个空间域内具有连续一阶偏导数, ? 的 侧与 ? 的正向符合右手法则, 在包含? 在内的一 证: 情形1. ? 与平行 z 轴的直线只交于 一点, 设其方程为 则有 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 则 (利用格林公式) § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 因此 同理可证 三式相加, 即得斯托克斯公式 ; § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 情形2 曲面? 与平行 z 轴的直线交点多于一个, 则可 通过作辅助线把 ? 分成与z 轴只交于一点的几部分, 在每一部分上应用斯托克斯公式, 然后相加, 由于沿辅助 曲线方向相反的两个曲线积分相加刚好抵消, 所以对这 类曲面斯托克斯公式仍成立. 注意: 如果? 是 xOy 面上的一块平面区域, 则斯托克斯 公式就是格林公式, 故格林公式是斯托克斯公式的特例. 证毕 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 为便于记忆, 斯托克斯公式还可写作: 或用第一类曲面积分表示: § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 例1. 利用斯托克斯公式计算积分 其中? 为平面 x+ y+ z = 1 被三坐标面所截三角形的整 解: 记三角形域为? , 取上侧, 则 个边界, 方向如图所示. 利用对称性 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 例2. ? 为柱面 与平面 y = z 的交线, 从 z 轴正向看为顺时针, 解: 设? 为平面 z = y 上被 ? 所围椭圆域 , 且取下侧, 利用斯托克斯公式得 则其法线方向余弦 计算 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 *三、沿任意闭曲面的曲面积分为零的条件 1. 连通区域的类型 设有空间区域 G , 若 G 内任一闭曲面所围成的区域全属于 G, 则称 G 为空间二维单连通域 ; 若 G 内任一闭曲线总可以张一片全属于 G 的曲面, 则称 G 为空间一维单连通域 . 例如, 球面所围区域 环面所围区域 立方体中挖去一个小球所成的区域 不是二维单连通区域 . 既是一维也是二维单连通区域 ; 是二维但不是一维单连通区域 ; 是一维但 § 10.6 高斯公式与斯托克斯公式 2. 闭曲面积分为零的充要条件 定理2. 在空间二维单 连通域G内具有连续一阶偏导数, ? 为G内任一闭曲面, 则 ① 证: “充分性”. 根据高斯公式可知②是①的充分条件. 的充要条件是: ② “必要性”. 用反证法. 已知①成立,

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