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(十一章曲线积分与曲面积分
第十一章 曲线积分与曲面积分
一 、内容提要
(一)曲线积分
1.第一类曲线积分(对弧长)
(1)定义:设是光滑曲线上的有界函数,把分成段,设段的弧长为(最长者记),在其上任取一点,则在上的第一类(对弧长)曲线积分为
.
(2) 几何意义与物理意义
几何意义是柱面面积,该柱面以为准线、其母线平行于轴、介于平面和曲面之间的部分(图10.1).
物理意义是线密度为的物质曲线的质量.
(3)计算方法 : 即“定限、代入”两步法
第一步(定限):写出的方程及自变量的变化范围,用不等式表示,例如 ,并且一定有.
第二步(代入):计算出弧长的微分式.将的方程和一并代人曲线积分公式,即转变为定积分.共有三种形式:
参数式 :
;
直角坐标 把:看做曲线参数表达式可以得到如下公式:
;
极坐标 :,
.
2.第二类曲线积分(对坐标)
(1)定义 : 设和是有向光滑曲线上的有界函数,把分成段,设第段的分点为,在弧 上任取一点,设, ,则 在上对坐标的曲线积分是;
而在上对坐标的曲线积分是;
在应用上往往表现为两者的和:
.
(2)物理意义
第二类曲线积分的物理意义是变力沿有向曲线移动所作的功,即
.
其中 .由微分三角形知,向量在切线上.
(4)计算方法
直接计算 即“定向、代入”两步法.
第一步(定向):写出L的方程及自变量的变化范围,α和β分别对应L的起点(下限)和终点(上限).即变量“由向”积分.与第一类曲线积分不同,在这里可能出现的情况.
第二步(代入):把的方程及代入被积分式中,即变为定积分,和分别是下限和上限.例如,
(定向):.
(代入) =.
间接计算 主要使用两个重要定理.
格林定理 设:① D是由分段光滑曲线围成,的方向为正;② 和在上具有一阶连续偏导数.则
.
注意 : 如果是单连通域,则逆时针方向为正.如果是复连通域,则 的外周界逆时针方向为正,而内周界顺针方向为正.如果L的方向为负,那么在使用格林时时一定要补加一个负号.
与路径无关定理 设:① 是单连通域,有向曲线∈;② 和在中有连续的偏导数.则与路径无关=
对于一个第二类曲线积分计算题,如果不宜直接计算或直接计算较繁,就需要计算,依不同情况,或使用格林定理或改变积分路径.
(5)曲线积分与全微分的关系
设是单连通域;和具有连续偏导数.则在中存在使
.其计算公式是
.
3.两类曲线积分之间的转换
设曲线了:.在曲线上任一点的切向量是{},容易求出单位切向量,由微分三角形知.将这两式代入第二类曲线积分中得
如用向量表示,,于是
(此式在三维空间也正确).
4.常用计算技巧
代人技巧 若计算而的方程恰是,则
(是的长度).
注意: 这种代入技巧在两类曲线积分和两类曲面积分中都适用.但是绝不可以用在重积分上.例如,设是由围成的区域,则下面的“代入”是错误的:
错误的原因是在的内部.
利用奇偶对称性 第一类曲线积分的奇偶对称性与二重积分类似.
设关于轴对称,则
其中是在轴右边的部分.若关于对称,则有结果类似.
第二类曲线积分的奇偶对称性与第一类曲线积分相反.
设关于轴对称,(是在轴右边的部分)则
(二)曲面积分
1.第一类曲面积分(对面积)
(1) 定义 : 设是光滑曲面上的有界函数,把分成片,第片记为(同时表示面积),在其上任取一点(),记各片直径的最大值为,则在上对面积的曲面积分为
.
(2) 几何意义与物理意义.
当时,曲面积分为,它表示的面积.这就是第一类曲面积分的几何意义.
第一类曲面积分的物理意义是面密度为的理想物质曲面的质量.
(3) 计算方法:“一投、二代、三替换”三步法.
第一步(投影):写出的显示方程,并求出在面的投影区域;
第二步(代入):把代入被函数中:;
第三步(替换):计算 .将其代替被积表达式中的,即转变为二重积分:
.
注意: 向哪个坐标面上投影是由计算者选定的.但是有一点必须遵守,就是上的任何一片的投影区域面积不能等于零.
2.第二类曲面积分(对坐标)
(1)定义 :设在光滑的有向曲面上有界,把分成片(各片曲面的直径最大值记为),第片在面上的投影为在上任取一点,则在有向曲面上关于坐标和的曲面积分为.
类似地,还可以定义和 .在应用上常出现三者之和:
.
(2)物理意义
的物理意义是,流速场流过有向曲面的流量,有向曲面的微元是向量 流量的计算公式是:
.
(3)计算方法
直接计算:即“一投、二代、三定号”三步法.
第一步(投影):写出的显示方程,并求出在面上的投影区域.
第二步(代入):把代入到被积函数中,即.
第三步(定号):当为上侧(即法向量向上)时取正号;当取下侧(即法向量向下时)取负号.即将对坐标的曲面积分转变为二重积分:
.
类似地,经过变量
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