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文档简介

1、§1 第一类曲线积分的计算 设函数在光滑曲线上有定义且连续,的方程为则。特别地,如果曲线为一条光滑的平面曲线,它的方程为,那么有。例:设是半圆周, 。求。 例:设是曲线上从点到点的一段,计算第一类曲线积分。 例:计算积分,其中是球面被平面截得的圆周。例:求,此处为连接三点,的直线段。§2 第一类曲面积分的计算 一 曲面的面积(1)设有一曲面块,它的方程为。具有对和的连续偏导数,即此曲面是光滑的,且其在平面上的投影为可求面积的。则该曲面块的面积为。(2)若曲面的方程为令,则该曲面块的面积为。例:求球面含在柱面内部的面积。例:求球面含在柱面内部的面积。二 化第一类曲面积分为二重

2、积分(1)设函数为定义在曲面上的连续函数。曲面的方程为。具有对和的连续偏导数,即此曲面是光滑的,且其在平面上的投影为可求面积的。则。(2)设函数为定义在曲面上的连续函数。若曲面的方程为令,则。例:计算,是球面,。例:计算,其中为螺旋面的一部分:。注:第一类曲面积分通过一个二重积分来定义,这就是为什么在第一类曲面积分中用“二重积分符“的原因。例:I=,是球面,球心在原点,半径为。 §3 第二类曲线积分一 变力做功和第二类曲线积分的定义1.力场沿平面曲线从点A到点B所作的功。先用微元法,再用定义积分的方法讨论这一问题,得 。2. 第二型曲线积分的定义 定义1 设是一条光滑或逐段光滑曲线,

3、且设是定义在上的有界函数,将沿确定方向从起点开始用分点分成个有向弧段,直至终点。且设。在每一弧段 上任取一点,作和式:。其中为起点,为终点。设,这里表示有向线段的长度。若当时,和有极限,且它与的分法无关,也与点的选择无关,则称为沿曲线按所述方向的第二类曲线积分,记作 或 。注:如果向量,则向量沿曲线按一定方向的第二类曲线积分为。注:第二类曲线积分是与沿曲线的方向有关的。这是第二类曲线积分的一个很重要性质,也是它区别于第一类曲线积分的一个特征。注:在平面情况下,若一人立在平面上沿闭路循一方向作环行时,如闭路所围成的区域靠近这人的部分总在他的左方,则这个方向就算作正向,否则就算作负向。这时只要方向

4、不变,曲线积分的值是与起点的位置无关的。二 第二类曲线积分的计算设曲线自身不相交,其参数方程为:。且设是光滑的。设当参数从调地增加到时,曲线从点按一定方向连续地变到点。设函数定义在曲线上,且设它在上连续。则。 (*)注:(*)积分下限必须对应积分所沿曲线的起点,上限必须对应终点。注:如果向量,则向量沿曲线按一定方向的第二类曲线积分为例:计算积分, L的两个端点为A( 1, 1 ) , B( 2 , 3 ). 积分从点A到点B或闭合, 路径为(1)直线段AB ;(2)抛物线;(3)折线闭合路径A( 1, 1 )D( 2 , 1 ) B( 2 , 3 ) A( 1, 1 )。. 例:计算积分, 这

5、里L : (1)沿抛物线从点O( 0 , 0 )到点B( 1 , 2 );(2)沿直线从点O( 0 , 0 )到点B( 1 , 2 );(3)沿折线封闭路径O(0,0) A(1,0 ) B(1,2 ) O(0,0). 例:计算第二型曲线积分I = , 其中L是螺旋线,从到的一段。三 两类曲线积分的联系 第一类曲线积分与第二类曲线积分的定义是不同的,由于都是沿曲线的积分,两者之间又有密切联系。两者之间的联系式为 例:证明:对于曲线积分的估计式为。利用这个不等式估计:并证明。例:设平面区域有一条连续闭曲线所围成,区域的面积设为,推导用曲线积分计算面积的公式为:。§4 第二类曲面积分一 曲

6、面的侧的概念1单侧曲面与双侧曲面在实际生活中碰到的都是双侧曲面,至于单侧曲面也是存在的,牟彼乌斯带就是这类曲面的一个典型例子。2曲面的上侧和下侧,外侧和内侧双侧曲面的定向: 曲面的上、下侧,左、右侧,前、后侧. 设法向量为 ,则上侧法线方向对应第三个分量, 即选“+”号时,应有,亦即法线方向与轴正向成锐角. 类似确定其余各侧的法线方向. 封闭曲面分内侧和外侧.二 第二类曲面积分的定义先讨论由显式方程 表示的无重点的光滑曲面,并设在平面上的投影为边界由逐段光滑曲线所围成的区域。设选定了曲面的一侧,从而也确定了它的定向。 现在将有向曲面以任何方法分割为小块。设为在平面上的投影,从而也得到区域的一个

7、相应分割。如果取的是上侧,这时所有算作正的。如取下侧,这时所有算作负的。设有界函数定义在上,在每一小块任取一点,作和式其中表示的面积。由上述所见,是带有符号的,它们的符号是由所选的侧来决定的。设为的致敬,记。若当时,有确定的极限,且与曲面分割的方法无关,也点的选择无关,则称为沿曲面的所选定的一侧上的第二类曲面积分,记为。注:有时也会碰到几个积分连在一起的情形,例如:。注:如果沿曲面的另一侧积分,则所得的值应当变号。三 两类曲面积分的联系及第二类曲面积分的计算 第二型曲面积分与第一型曲面积分的关系设为曲面的指定法向, 则. 定理1 设是定义在光滑曲面D上的连续函数, 以的上侧为正侧(即), 则有 .类似地, 对光滑曲面D, 在其前侧上的积分 .对光滑曲面 D, 在其右侧上的积分 .计算积分时, 通常分开来计算三个积分 , , .为此,分别把曲面投影到YZ平面, ZX平面和XY平面上化为二重积分进行计算.投影域的侧由曲面的定向决定. 推论 设,是定义在光滑曲面D上的连续函数,则有 =曲面的方向为上侧, 则等式前取“”号; 曲面的方向为下侧, 则等式前取“”号.例:计算积分,其中是球面 在部分取外侧。 例:计算积分,为球面取外侧. 解: 对积分, 分别用和记前半

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