求曲线、曲面积分的方法与技巧.pdf

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1、-求曲线、曲面积分的方法与技巧 一.曲线积分的计算方法与技巧 计算曲线积分一般采用的方法有：利用变量参数化将曲线积分转化为求定积分、利用格林公式将曲线积分转化为二重积分、利用斯托克斯公式将空间曲线积分转化为曲面积分、利用积分与路径无关的条件通过改变积分路径进行计算、利用全微分公式通过求原函数进行计算等方法。例一计算曲线积分Lxdyydx,其中L是圆)0(222yxyx上从原点)0,0(O到)0,2(A的一段弧。本题以下采用多种方法进行计算。解 1：AO的方程为,2,2xxyxxL由,AO x由,20.212dxxxxdy Lxdyydxdxxxxxxx20222)1(2 dxxxxxdxxxx

2、xxxx20220222)1(2)1(220.00442 分析：解 1 是利用变量参数化将所求曲线积分转化为求定积分进行计算的，选用的参变量为.x因所求的积分为第二类曲线积分，曲线是有方向的，在这种解法中应注意参变量积分限的选定，应选用对应曲线起点的参数的起始值作为定积分的下限。解 2：在弧AO上取)1,1(B点，BO的方程为,11,2yxyyL由,BO y由,10.12dyyydx AB的方程为,11,2yxyyL由,AB y由,01.12dyyydx Lxdyydxdyyyydyyyy0122210222)111()111(-dyyy102212dyy10212dyyy1022121021

3、2yydyyy102212.0)011(2 分析：解 2 是选用参变量为,y利用变量参数化直接计算所求曲线积分的，在方法类型上与解 1 相同。不同的是以y为参数时，路径L不能用一个方程表示，因此原曲线积分需分成两部分进行计算，在每一部分的计算中都需选用在该部分中参数的起始值作为定积分的下限。解 3：AO的参数方程为,sin,cos1yxL由,ABO由,0.cos,sinddyddx Lxdyydxdcos)cos1(sin02d2coscos0.0)2sin21sin(0 解 4：AO的极坐标方程为,cos2r因此参数方程为,cos2cos2 rx,cossin2sin rdyL由,ABO由,

4、02.)sin(cos2,cossin422ddyddx Lxdyydxd)sin(coscos4cossin82222022.0)2214342213(4cos4cos344220d 分析：解 3 和解 4 仍然是通过采用变量参数化直接计算的。可见一条曲线的参数方程不是唯一的，采用不同的参数，转化所得的定积分是不同的，但都需用对应曲线起点的参数的起始值作为定积分的下限。解 5：添加辅助线段AO，利用格林公式求解。因,xQyP,011yPxQ于是 AOLDdxdyxdyydx,0 而AOdxxdyydx02,00-故得LxdyydxAOL.0AO 分析：在利用格林公式dxdyyPxQdyyxQ

5、dxyxPDL)(),(),(将所求曲线积分转化为二重积分计算时，当所求曲线积分的路径非封闭曲线时，需添加辅助曲线,采用“补路封闭法”进行计算再减去补路上的积分，但QP,必须在补路后的封闭曲线所围的区域内有一阶连续偏导数。L是D的正向边界曲线。解 5 中添加了辅助线段,AO使曲线AOL为正向封闭曲线。解 6：由于,xQyP,1yPxQ于是此积分与路径无关，故 LxdyydxOAxdyydx.00)0,2()0,0(20dxxdyydx 分析：由于QP,在闭区域D上应具有一阶连续偏导数，且在D内,yPxQ因此所求积分只与积分路径的起点和终点有关，因此可改变在L上的积分为在OA上积分，注意O点对应

6、L的起点。一般选用与坐标轴平行的折线段作为新的积分路径，可使原积分得到简化。解 7：由全微分公式),(xydxdyydx Lxdyydx.0)()0,2()0,0()0,2()0,0(xyxyd 分析：此解根据被积表达式的特征，用凑全微分法直接求出。例二计算曲线积分Cdzyxdyzxdxyz,)()()(其中C是曲线,2,122zyxyx从z轴正向往z轴负向看C的方向是顺时针的。解 1：设表示平面2zyx上以曲线L为边界的曲面，其中的正侧与L的正向一致，即是下侧曲面，在xoy面上的投影区域xyD：.122 yx由斯托克斯公式 Cdzyxdyzxdxyz)()()(yxzxyzzyxdxdydz

7、dxdydz-xyDdxdydxdy.222 解 2：利用两类曲面积分间的联系，所求曲线积分了可用斯托克斯公式的另一形式求得出 Cdzyxdyzxdxyz)()()(dSyxzxyzzyxcoscoscos,)cos200(dS 而平面：2zyx的法向量向下，故取,1,1,1n,31cos于是上式.21)1(132321222dxdydSyx 分析：以上解 1 和解 2 都是利用斯托克斯公式将空间曲线积分转化为曲面积分计算的。在利用斯托克斯公式dzRQdyPdxRQPzyxdxdydzdxdydzL计算时首先应验证函数RQP,在曲面连同边界L上具有一阶连续的偏导数，且L的正向与的侧符合右手规则

8、。在计算空间曲线积分时，此法也是常用的。解 3：将积分曲线用参数方程表示，将此曲线积分化为定积分。设,cosx,siny则,sincos22yxz从.02 Cdzyxdyzxdxyz)()()(cos)sin2cos2()sin)(cos2(02 d)cos)(sinsin(cos 2022coscos2)cos(sin2d.22cos1sin220d 例三计算,)2(22dszyx其中为曲线)2(.0)1(,2222zyxRzyx-解 1：由于当积分变量zyx,轮换位置时，曲线方程不变，而且第一类曲线积分与弧的方向无关，故有.3)(312222222dsRdszyxdszdsydsx 由曲线

9、是球面2222Rzyx上的大圆周曲线，其长为.2 R故.34232)(3222RRRdsyx 由于关于原点对称，由被积函数为奇函数，得.0dsz于是.34)2(322Rdszyx 解 2：利用在上，2222Rzyx，原式zdsdszdsRdszzzyx2)2(222222 再由对称性可得RRdsz2322（同解1），于是 上式.3402232322RRRRR 分析：以上解 1 解 2 利用对称性，简化了计算。在第一类曲线积分的计算中，当积分变量在曲线方程中具有轮换对称性（即变量轮换位置，曲线方程不变）时，采用此法进行计算常常是有效的。例四求,22Lyxxdyydx其中L为椭圆曲线19)1(22

10、yx上在上半平面内从)0,4()0,2(BA的弧。解：添加辅助线l为222 yx的顺时针方向的上半圆周以及有向线段DBAC,，其中是足够小的正数，使曲线222 yx包含在椭圆曲线19)1(22yx内。由于 222222222)()()(yxyxyxyyyxxx，由格林公式，有.0DBlACL-设,cos,sinxy有 lyxxdyydx22,cossin022222d 再由,022ACyxxdyydx.022DByxxdyydx于是 Lyxxdyydx22.22lyxxdyydx 分析：利用格林公式求解第二类曲线积分往往是有效的，但必须要考虑被积函数和所考虑的区域是不是满足格林公式的条件。由于

11、本题中在)0,0(点附近,22yxyP22yxxQ无定义，于是采用在椭圆内部)0,0(附近挖去一个小圆，使被积函数在相应的区域上满足格林公式条件。这种采用挖去一个小圆的方法是常用的，当然在内部挖去一个小椭圆也是可行的。同时在用格林公式时，也必须注意边界曲线取正向。例五 求八分之一的球面0,0,0,2222zyxRzyx的边界曲线的重心，设曲线的密度.1 解：设边界曲线L在三个坐标面内的弧段分别为,321LLL则L的质量为.23423RRdsdsmLL 设边界曲线L的重心为),(zyx，则 011231LLLLxdsdsxdsmxdsmx dxxRxxmxdsmRL0222)(1221 RxRm

12、RdxxRRxmR02202222.34232222RRRmR 由对称性可知.34Rzyx-分析：这是一个第一类曲线积分的应用题。在计算上要注意将曲线L分成三个部分：,0,0:221xRzRxyL,0,0:222xRyRxzL.,0,0:223yRzRyxL另一方面由曲线关于坐标系的对称性，利用可zyx简化计算。二.曲面积分的计算方法与技巧 计算曲面积分一般采用的方法有：利用“一投，二代，三换”的法则，将第一类曲面积分转化为求二重积分、利用“一投，二代，三定号”的法则将第二类曲面积分转化为求二重积分，利用高斯公式将闭曲面上的积分转化为该曲面所围区域上的三重积分等。例六 计算曲面积分,zdS其中

13、为锥面22yxz在柱体xyx222内的部分。解：在xOy平面上的投影区域为:Dxyx222，曲面的方程为.),(,22Dyxyxz 因此 DyxDdxdyyxdxdyzzyxzdS.2)()(1222222 对区域D作极坐标变换,sin,cosyrx则该变换将区域D变成),(r坐标系中的区域,cos20,22:),(rDr因此.932cos3822322cos20222ddrrddxdyyxD 分析：以上解是按“一投，二代，三换”的法则，将所给的第一类曲面积分化为二重积分计算的。“一投”是指将积分曲面投向使投影面积不为零的坐标面。“二代”是指将的方程先化为投影面上两个变量的显函数，再将这显函数

14、代入被积表达式。“三换”是指将dS换成投影面上用直角坐标系中面积元素表示的曲面面积元素，即,)()(122dxdyyzxzdS或,)()(122dzdxzyxydS-或.)()(122dxdzzxyxxdS上解中的投影区域在xOy平面上，因此用代换,)()(122dxdyyzxzdS由于投影区域是圆域，故变换成极坐标计算。例七 设半径为R的球面的球心在定球面)0(2222aazyx上，问R为何值时，球面在定球面内部的那部分的面积最大？解：不妨设的球心为),0,0(a，那么的方程为,)(2222Razyx它 与定球面的交线为,)(,22222222Razyxazyx即.2,4)4(2222222

15、aRazaRaRyx 设含在定球面内部的上那部分球面1在xOy面上的投影区域为D，那么,4)4(:222222aRaRyxD且这部分球面的方程为.),(,222DyxyxRaz 则1的面积为 DDyxyxRdxdyRdxdyzzdSS22222)()(11 2202242224202220)(2RaaRRaaRrRRrRrdrdR.2222aRaR 以下只需求函数)(RSaRaR2222在2,0a上的最大值。由令,0)232(2)(2aRRRS得唯一驻点,34aR 且.04)34(aS由问题的实际意义知)(RS在34aR 处取得最大值。即34aR 时，1的面积最大，为.27322a-分析：本题

16、是第一类曲面积分的应用题，在计算中关键是利用了球面的对称性，和确定了含在定球面内部的上那部分球面1在xOy面上的投影区域D。在此基础上，按上题分析中的“一投，二代，三换”的法则即可解得结果。例八计算曲面积分Szdxdydydzzx,)2(其中S为有向曲面),10(22zyxz其法向量与z轴正向的夹角为锐角。解 1：设xyyzDD,分别表示S在yoz平面，xoy平面上的投影区域，则，Szdxdydydzzx)2(dydzzyzdydzzyzyzyzDD)2()(2(22dxdyyxxyD)(22 dydzyzyzD24.)(22dxdyyxxyD 其中dyydzyzdydydzyzyDyz321

17、0211122)1(342 令tysin，,42214334cos342042tdtdydzyzyzD 又,2)(2010222rdrrddxdyyxxyD 所以.2244)2(Szdxdydydzzx 分析：计算第二类曲面积分，若是组合型，常按“一投，二代，三定号”法则将各单一型化为二重积分这里的“一投”是指将积分曲面投向单一型中已指定的坐标面。“二代”是指将的方程先化为投影面上两个变量的显函数，再将这显函数代入被积表达式。“三定号”是指依曲面的定侧向量，决定二重积分前的“+”，“-”符号，当的定侧向量指向坐标面的上（右，前）方时，二重积分前面取“+”，反之取“-”。解 2:利用coscos

18、cosdxdydzdxdydzdS化组合型为单一型.SSdxdyzzxzdxdydydzzx.coscos)2()2(-因S的法向量与z轴正向的夹角为锐角,取,1,2,2yxn故有,2coscosx 于是 原式Sdxdyzxzx)2)(2(12222222.)()(24yxdxdyyxyxxx 因为12222,0)(2yxdxdyyxx所以 上式122222)(4yxdxdyyxx.2)cos4(42201022rdrrrd 分 析：计 算 第 二 类 曲 面 积 分，若 是 组 合 型，也 可 利 用 公 式coscoscosdxdydzdxdydzdS，先化组合型为统一的单一型，再按“一投

19、，二代，三定号”法则将单一型化为为二重积分求得。解 3：以1S表示法向量指向z轴负向的有向平面)1(122yxz，D为1S在xoy平面上的投影区域，则 DSdxdyzdxdydydzzx.)()2(1 设表示由S和1S所围成的空间区域，则由高斯公式得 dvzdxdydydzzxSS)12()2(1 10312010)(632drrrdzrdrdr.234261042rr 因此.2)(23)2(Szdxdydydzzx 分析：利用高斯公式dxdydzzRyQxPdxdyRQdzdxPdydz)(，可将曲面积分化为三重积分求得。但必需满足RQP,在闭区域上有一阶连续-的偏导数，是边界曲面的外侧。本

20、题中的曲面S不是封闭曲面，故添加了1S，使1SS 为封闭曲面，并使1SS 的侧符合高斯公式对边界曲面的要求。例九：计算曲面积分,4)1(2)18(2yzdxdydzdxydydzyxI其中是由曲线0,31,1xyyz绕y轴旋转一周而成的曲面，其法向量与y轴正向的夹角恒大于.2 解：设3,2:221yzx表示3y上与y轴正向同侧的曲面，由和1所围立体记为.由高斯公式得 1,4)1(2)18(2dxdydzyzdxdydzdxydydzyx 因此.4)1(2)18(12yzdxdydzdxydydzyxdxdydzI 由于在xOz面上的投影区域为.2:22 zxD注意到1在xOz面，yOz面上的投

21、影不构成区域，且在1上,3y从而,),(,31:22Dyxyzx DDDDdxdzzxdxdzdxdzdxdzzxI)(1816)2(2222.34236 分析：是旋转曲面31,122yzxy且指向外侧，在上补上曲面3,2:221yzx指向与y轴正向相同，那么由高斯公式就可将原式化成三重积分和1上的曲面积分进行计算。例十设空间区域由曲面222yxaz与平面0z围成，其中a为正常数。记表面的外侧为,S的体积为,V证明.)1(2222VdxdyxyzzdzdxzxydydzyzxS 证明：设,),(22yzxzyxP,),(22zxyzyxQ),1(),(xyzzzyxR则,22xyzxP,22x

22、yzyQ.21xyzzR-由高斯公式知 dxdyxyzzdzdxzxydydzyzxS)1(2222 xyzdvdvdvxyzxyzxyz2)2122(22.2xyzdvV dxdyyxaxydxdyxyzdzxyzdvayxayxyxa2222222222)(2220,2)(cossin2002223drrarda 由于,0cossin20d则,0 xyzdv因此.)1(2222VdxdyxyzzdzdxzxydydzyzxS 分析：由于求证的是给定的曲面积分等于某个区域的体积值，而高斯公式给出了曲面积分与该曲面包含的区域上的某个三重积分间的关系，考虑到体积值可用相应的三重积分表示，故选用高斯公式进行证明。