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教学目的:学会用高斯公式计算第二型曲面积分,用斯托克斯....ppt
高斯(Gauss)公式 斯托克斯(Stokes)公式 一、高斯公式 二、斯托克斯公式 高斯 (1777 – 1855) 上一页 下一页 主 页 返回 退出 * 教学目的:学会用高斯公式计算第二型曲面积分,用斯托克斯公式计算第二型曲线积分. 教学内容:高斯公式;斯托克斯公式;沿空间曲线的第二型积分与路径无关的条件. 基本要求:学会用高斯公式计算第二型曲面积分,用斯托克斯公式计算第二型曲线积分. 掌握沿空间曲线的第二型积分与路径无关的条件. 定理22.3 设空间闭区域 V 由分片光滑的 在V 上有连续的一阶偏导数, 则有 闭曲面S 所围成, S 的方向取外侧, 函数 P, Q, R 下面先证: 证明 设 为XY型区域 , 则 所以 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: 例1 计算 其中 S 是由 x = y = z = 0, x = y = z = a 六个平面所 围的正立方体表面并取外侧为正向. 解 例 计算 所围的空间区域的表面,方向取外侧. 解 其中 S 为锥面 与平面 设 S1 为上半球体的底面, 例 计算 的外侧. 解 其中 S 是上半球面 取下侧. 于是 斯托克斯公式建立了沿曲面 S 的曲面积分与沿 S 的边界曲线 L 的曲线积分之间的联系. 对曲面 S 的侧与其边界曲线 L 的方向作如下规定: 设人站在曲面 S 上的指定一侧,沿边界曲线 L 行走, 指定的侧总在人的左方,则人前进的方向为边界曲线 L 的正向. 这个规定方法也称为右手法则. 定理22.4 设光滑曲面 S 的边界 L 是按段光滑曲线, 同 L )上具有连续一阶偏导数,则有 S 的侧与 L 的正向符合右手法则, 在 S (连 注意: 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. 如果 S 是 xoy 坐标平面上的一块平面区域, 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: 证: 情形1 ? 与平行 z 轴的直线只交于 一点, 设其方程为 为确定起见, 不妨设? 取上侧 (如图). 则 (利用格林公式) 因此 同理可证 三式相加, 即得斯托克斯公式 ; 情形2 曲面? 与平行 z 轴的直线交点多于一个, 则可 通过作辅助线面把 ? 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. 证毕 例2. 利用斯托克斯公式计算积分 其中 L 为平面 x+ y+ z = 1 与各坐标面的交线, 解 取逆时针方向为正向如图所示. 记三角形ABC为 S , 取上侧, 则 例. 利用斯托克斯公式计算积分 其中 L 为 y2+ z2 = 1 , x = y 所交的椭圆正向. 解 记以 L 为边界的椭圆面为 S , 其方向按右手法则 确定,于是有 例. ? 为柱面 与平面 y = z 的交线,从 z 轴正向看为顺时针, 计算 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 空间曲线积分与路径无关的条件 定理22.5 设 Ω 是空间单连通区域, 函数 P, Q, R 在Ω上具有连续一阶偏导数, 则下列四个条件相互等价: (1) 对Ω 内任一按段光滑闭曲线 L, 有 (2) 对Ω 内任一按段光滑曲线 L, 与路径无关 (4) 在Ω 内处处有 (3) 在Ω 内存在某一函数 u, 使
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