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§ 3 Gauss公式和Stokes 公式
引言
一元微分当中 牛莱公式是微积分学的基本定理,它在整个高等数学中起关键性的作用. 这一定理给出了函数在区间[a,b]上的积分与其原函数F在边界a,、b 上的值的关系. 这一基本定理已经推广到中的(Green)格林公式,可否进一步推广到中去呢?回答是肯定的,这就是下面要讲的Gauss公式和Stokes公式. Gauss公式揭示了“立体v上的三重积分与沿该立体v的边界曲面的第二型曲面积分”的关系,Stokes公式揭示了“沿空间曲面的第二型曲面积分与沿该曲面的边界曲线的第二型曲线积分”的关系.
一、Gauss公式
定理22.3 设空间区域V由分片光滑的双侧封闭曲面围成. 若函数在V
上连续, 且有连续的一阶偏导数 , 则
, (1)
其中取外侧.
证明 只证 .
设V是型区域( 即型体 ) ( 参阅[1]P393图22—21 ), 其边界曲面由曲面
下侧 , D,
上侧 , D. .
以及垂直于平面的柱面(外侧)组成. 注意到=, 有
=
=
.
可类证, .
以上三式相加, 即得Gauss公式.
注1 将Gauss公式的证明采用“讨论法”,主要证明内容转化为两个习题,由学生解答.
例1 计算积分,其中是边长为
的正方体V的表面取外侧. V : . P291
解 应用Gauss公式 , 有
.
补例1 计算积分, 为球面取外侧.
解 .
由Gauss公式 .
补例2 计算积分,为锥面在平面下方的部分,取外法线方向 .
解 设为圆取上侧 , 则构成由其所围锥体V的表面外侧 , 由Gauss公式 , 有
=锥体V的体积;
而
因而, .
补例3求积分 I=,S: 沿外侧
补例4求积分 其中S是锥面 x ,
补例5 设V是三维空间的区域, 其内任何封闭曲面都可不通过V外的点连续收缩
为V上的一点. 又设函数、和在V上有连续的偏导数.
表示V内任一不自交的光滑封闭曲面, 是的外法线. 试证明: 对V内任意曲面恒有
的充要条件是在V内处处成立.
证明 .
由Gauss公式直接得到 .
反设不然 , 即存在点V, 使,
不妨设其. 由在点连续, 存在以点为中心且在V内的小球
, 使在其内有. 以表示小球的表面外侧, 就有
,
与矛盾.
Gauss公式的一个应用 由Gauss公式可计算某些空间立体的体积
V=
二、Stokes公式
空间双侧曲面的正侧与其边界闭合曲线L正向的匹配关系
右手螺旋法则, 即当人站在曲面的正侧上, 沿边界曲线L行走时, 若曲面在左侧, 则把人的前进方向定为L的正向.
定理22.4(Stokes定理) 设光滑曲面的边界L是按段光滑的连续曲线. 若函数、和在( 连同L )上连续 ,且有一阶连续的偏导数 , 则
. (2)
其中的侧与L的方向按右手法则确定 .
称该公式为Stokes公式. 注意公式左端积分是一个第二类曲面积分,右端的积分是一个第二类曲线积分。所以Stokes公式是 第二类曲面积分和第二类曲线积分的一个纽带.
证明 先证式 .
具体证明参阅P292—293.
注2 将Stokes公式的证明采用“讨论法”,主要证明内容转化为三个习题,由学生解答.
Stokes公式也记为 =
例2 计算积分 , 其中 L为平面与各坐标平面的交线, 方向为:从平面的上方往下看为逆时针方向.
解 P294
补充例题
求曲线积分 其中C是柱面x和平面的交线,其方向从z轴正向望去,已知方向是逆时针.
三、空间曲线上第二型曲线积分与路径无关性
空间单连通、复连通域.
定理22.5 设R为空间单连通区域 . 若函数、和在上连续, 且有一阶连续的偏导数 , 则以下四个条件等价:
(1)对于内任一按段光滑的封闭曲线L , 有;
(2)对于内任一按段光滑的封闭曲线L , 曲线积分
与路径无关;
(3)是内某一函数的全微分,即; (6)
(4)在内处处成立 .
恰当微分的验证及原函数求法.
例3 验证曲线积分与路径无关 , 并求被积表达式的原函数.
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