[小学教育]6-高等数学第六讲 曲线和曲面积分.doc

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[小学教育]6-高等数学第六讲 曲线和曲面积分

第六讲 曲线和曲面积分 §6.1曲线积分 一、知识结构 1、第一型曲线积分 (1) 第一型曲线积分产生的背景:非均匀曲线状物体的质量. (2) 第一型曲线积分的定义 ① 平面曲线:,或,或 定义1 设平面曲线是可求长的(平面曲线是光滑或分段光滑的),函数在平面曲线上有定义.在划分把平面曲线划分成个小曲线段,其中表示小曲线段的长度,划分细度,,我们称极限为函数在平面曲线上的第一型曲线积分,记作. 定义1′(微元法的定义) 设平面曲线是可求长的(平面曲线是光滑或分段光滑的),函数在平面曲线上有定义.在曲线上任取一点(不是曲线的端点),给点一个弧长的增量,是要多么小有多么小的正数,表示小微元的质量(为点处的密度函数),表示曲线状物体的质量,如果值存在,我们称该值为函数在平面曲线上的第一型曲线积分. 说明:①表示曲线上点处弧长的增量,是要多么小有多么小的正数;②分别表示平面和空间中曲线状物体的质量;③由勾股定理得. ②对空间曲线:或 定义2 设空间曲线是可求长的(空间曲线是光滑或分段光滑的),函数定义空间曲线上.在划分把空间曲线划分成个小曲线段,其中表示小曲线段的长度,,,我们称极限为函数在空间曲线上的第一型曲线积分,记作. 定义2′(微元法的定义) 设空间曲线是可求长的(空间曲线是光滑或分段光滑的),函数在空间曲线上有定义.在曲线上任取一点(不是曲线的端点),给点一个弧长的增量,是要多么小有多么小的正数,表示小微元的质量(为点处的密度函数),表示曲线状物体的质量,如果值存在,我们称该值为函数在空间曲线上的第一型曲线积分. (3)第一型曲线积分的计算 ①利用弧长计算公式, 对平面光滑曲线:,或,或,由 , 所以或或. 对空间光滑曲线: .或,由可求出。 由,所以 . . ②对称性计算法 对平面光滑曲线:,或,或. 当积分曲线关于轴对称时,且函数时,则;当积分曲线关于轴对称时,且函数时,则. 对空间光滑曲线: . 当积分曲线关于面对称时,且函数时,则;当积分曲线关于面对称时,且函数时,则;当积分曲线关于面对称时,且函数时,则. 2、第二型曲线积分 (1) 第二型曲线积分产生的背景: 计算变力将质点从有向曲线的起点移动到终点所做得功. (2) 第二型曲线积分的定义 定义3 设是定义在平面上有向可求长曲线:弧,对的任意分割,它把分成个小曲线段,,其中,记小曲线段的弧长为,分割的细度,,,,,,若极限 存在,则称此极限为函数沿平面上有向曲线上的第二型曲线积分,记为 或或. 即. 定义3′(微元法的定义) 设是定义在平面上有向可求长曲线:弧,在曲线上任取一点(不是曲线的端点),给点一个弧长的增量,的模是要多么小有多么小的正数,表示质点在力作用下经过位移所做的功,表示在力作用下质点从有向曲线的起点移动到终点所做得功,如果值存在,我们称该值为函数在平面有向曲线上的第二型曲线积分. 说明:①表示曲线上点处弧长的增量,是绝对值要多么小有多么小的实数;②表示变力把质点从有向曲线的起点移动到终点所做得功,功可正可负. 对空间曲线,第二型曲线积分定义为: 定义4 设是定义在空间中的有向可求长曲线:弧上,对的任意分割,它把分成个小曲线段,,其中,记小曲线段的弧长为,分割的细度,,,,,,若极限 存在,则称此极限为函数沿空间中有向曲线上的第二型曲线积分,记为 或或. 定义4′(微元法的定义) 设是定义在空间中的有向可求长曲线:弧上,在曲线上任取一点(不是曲线的端点),给点一个弧长的增量,的模是要多么小有多么小的正数, 表示质点在力作用下经过位移所做的功,表示在力作用下质点从有向曲线的起点移动到终点所做得功,如果值存在,我们称该值为函数在空间有向曲线上的第二型曲线积分.记作 (3) 第二型曲线积分的计算 ①计算 (a) 参数变换法 平面上的有向曲线: ,其中起点是,终点是,则 . (b)空间中的有向曲线: ,其中起点是,终点是. 二、解证题方法 1、一型曲线积分 例1(电子科技大学2002年) 已知一抛物线 (),曲线段上任意一点处的密度与该点到轴的距离成正比,处的密度为,求此曲线段的质量. 解 设密度函数为,其中为常数.因为曲线段在处的密度为,所以.进而,曲线段的质量为,其中曲线段: ().故 . 例2(北京师范大学2004年)计算,. 解 积分曲线关于面对称,所以.积分曲线关于面对称,所以,故`,进而. 例3(辽宁大学2004年)求一型曲线积分,其中是圆周. 解 进行变量替换,则 . 例4(深圳大学2004年)计算一型曲线积分,其中是以为顶点的三角形. 解 分为三段,其中:为端点的线段,: 为端点的线段,: 为端点的线段. 的方程为,的方程为,的方程为.则 . 例5(北京大学2005年)计算,其中是球面与平面的交线. 解 参考例2. 例6 计

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