高等数学第十章曲线积分与曲面积分(考研辅导班内部资料)19178.pdf
《高等数学第十章曲线积分与曲面积分(考研辅导班内部资料)19178.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《高等数学第十章曲线积分与曲面积分(考研辅导班内部资料)19178.pdf(19页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、第十章 曲线积分与曲面积分 曲线积分 一 基本概念 定义 1 第一类曲线积分(对弧长的曲线积分)(1)平面曲线()L AB的积分:()()01(,)dlim(,)nkkkL ABTkf x ysfs (2)空间曲线()L AB的积分:()()01(,)dlim(,)nkkkkL ABTkf x y zsfs 其中()T表示分割曲线()L AB的分法T的细度,即n段曲线弧长的最大值,(,)kk 或(,)kkk 是第k段弧上的任意一点。物理意义:第一类曲线积分表示物质曲线L的质量,其中被积函数(,)f x y或(,)f x y z表示曲线的线密度。定义 2 第二类曲线积分(对坐标的曲线积分)(1)
2、平面曲线()L AB的积分:()()01(,)d(,)dlim(,)(,)nkkkkkkL ABTkP x yxQ x yyfxfy (2)空间曲线()L AB的积分:()(,)d(,)d(,)dL ABP x y zx Q x y zyR x y zz()01lim(,)(,)(,)nkkkkkkkkkkkkTkfxfyfz 其中()T表示分割曲线()L AB的分法T的细度,即n段的最大弧长,(,)kk 是第k段弧上的任意一点。物理意义:第二类曲线积分表示变力F沿曲线L所作的功,被积函数(,),(,)P x y Q x y或(,),(,),(,)P x y z Q x y z R x y z
3、表示力F在各坐标轴上的分量。二 基本结论 定理 1(第一类曲线积分的性质)(1)无向性 ()()(,)d(,)dL ABL BAf x ysf x ys(2)线性性质 (1)(,)d(,)dLLk f x yskf x ys;(2)(,)(,)d(,)d(,)dLLLf x yg x ysf x ysg x ys(3)路径可加性 曲线L分成两段1L和2L(不重叠),则 12(,)d(,)d(,)dLLLf x ysf x ysf x ys(4)弧长公式 dLsL(L表示曲线L的弧长)(5)恒等变换 积函数可用积分曲线方程作变换(6)奇偶性与对称性 如果积分弧段()L AB关于y轴对称,()(,
4、)dL ABf x ys存在,则 ()()0,(,)(,)d2(,)d(,)L ABL OBf x yxf x ysf x ysf x yx关于 是奇函数,,关于 是偶函数.其中O点是曲线弧段()L AB与y轴的交点 定理 2(第二类曲线积分的性质)(1)有向性 ()()(,)d(,)dL ABL BAP x yxP x yx (2)线性性质(1)(,)d(,)dLLkf x yxkf x yx;(2)(,)(,)d(,)d(,)dLLLf x yg x yxf x yxg x yx(3)路径可加性 曲线L分成两段1L和2L(不重叠),则 12(,)d(,)d(,)dLLLf x yxf x
5、yxf x yx 定理3(第一类曲线积分与第二类曲线积分的关系)()()ddddddddddL ABL ABxyzP x Q yR zPQRssss ()(coscoscos)dL ABPQRs ()dL AB Fs 其中cos,cos,cos是曲线AB上的点的切线的方向余弦,且 dcosd,dcosd,dcos dxsyszs 一般地,积分曲线的方向余弦是变量。但是,当积分曲线()L AB是直线时,则()L AB切线的方向余弦是一个常量。所以,当积分曲线是直线时,可能采用两类不同的曲线积分的转换。定理 4(格林公式)设D是由分段光滑的曲线L围成,函数(,),(,)P x y Q x y及其一
6、阶偏导数在D上连续,则有(,)d(,)dd dLDQPP x yxQ x yyx yxx 其中L是围成区域D的正向边界曲线。三 基本方法 1 计算第一类曲线积分(对坐标的曲线积分)方法一:基本方法转化为定积分(1)用参数方程给出的积分曲线:()xt,()yt,atb,则 22()(,)d(),()()()dbL ABaf x ysfttttt(2)用一般方程给出的积分曲线:()yy x,axb,则 2()(,)d(,()1dbL ABaf x ysf x y xyx (3)用极坐标方程给出的积分曲线:(),则 22()(,)d()cos,()sin)()()dL ABf x ysf 例 1 计
7、算22dLIx ys,22:1L xy上半圆周。解(方法 1)曲线的参数方程:cos,sinxy,0,22dddsxy,于是有 222420013!cossind2(coscos)d2()2 24!28I。(方法 2)曲线的一般方程:21yx,11x,221d1dd1syxxx,于是有 11122222221101(1)d1d21d1Ixxxxxxxxxx。令sinx,则 2202sincoscos d8I。例 2 计算dLIy s,22222:()4()Lxyxy的第一象限部分。解 令cos,sinxryr,则积分曲线的极坐标方程为:24cos2,04r(第一象限部分),2sin22 cos
8、2,cos2rr,222dddcos2srr,sin2sincos2yr。于是有 444000222sincos2d4sin d4cos4 12cos2I 。方法二:基本技巧利用第一类曲线积分性质 例 3 计算2()dLIxys,其中22:4L xy。解 根据曲线积分的线性性质,有 222()d()d2dLLLIxysxysxy s。根据性质(4)和(5),22()d4d44 2216LLxyssL,根据奇偶性和对称性,2d0Lxy s,于是 2()d16LIxys。例 4 计算2(1)dLIxs,222:4L xyz与0 xyz相交的圆周。解 由于积分曲线关于,x y z的具有轮换对称性,则
9、有 dddLLLx sy sz s;222dddLLLxsyszs 于是,利用积分曲线方程化简被积函数,有 1d()d03LLx sxyzs,222211416d()d4d3333LLLxsxyzssL,所以 22(1)dd2d1dLLLLIxsxsx ss1628433。注 1 计算第一类曲线积分,有基本方法和基本技巧,在具体问题中可以兼顾考虑。但是在有些问题中,基本方法是没有办法解决的,这可能有两种情况:一是可以建立积分曲线参数方程,转化为定积分,但没办法计算这个定积分;二是很难建立积分曲线参数方程,如例 4。2 计算第二类曲线积分(对坐标的曲线积分)方法一:基本方法转化定积分 设()L
10、AB的平面曲线:其参数方程:(),()xtyt,起点和终点对应的参数取值分别是和,则()dd(),()()(),()()dL ABP xQ yPtttQtttt 设()L AB的空间曲线:其参数方程:(),(),()xtytzw t,起点和终点对应的参数分别是和,则()(,)d(,)d(,)dL ABP x y zxQ x y zyR x y zz (),(),()Ptt w t()(),(),()()(),(),()()dtQtt w ttRtt w t w tt 注 2 第二类曲线积分转化为定积分,积分的下限是积分曲线的起点对应的参数取值,上限是积分曲线的终点对应的参数取值,所以有时可能下
11、限大于上限。方法二:基本技巧利用格林公式转化为二重积分(平面曲线)设曲线L是闭合正向逐段光滑曲线,(,)P x y,(,)Q x y以及一阶偏导数在L围成的区域D内连续,则 (,)d(,)dd dLDQPP x yxQ x yyx yxx 方法三:基本技巧利用斯托克斯公式转化为曲面积分(空间曲线)设有向分段光滑闭合曲线L张成分片光滑有向曲面,,P Q R具有一阶连续偏导数,则 d dd dd dcoscoscosddd/dLy zz xx yP xQ yR zxyzxyz SPQRPQR 其中L方向和法线方向满足右手系,cos,cos,cos是曲面的法向量的方向余弦。注 3 当曲面是平面时,方
12、向余弦是常量。于是,当空间曲线L比较复杂时,而曲线L在某个平面上,即张成(围成)的曲面是一个平面,我们常常将第二类空间曲线积分转化为曲面积分。注 4 利用格林公式一定要平面曲线,并且是闭合的。对非闭合曲线积分,如果欲用格林公式,可以补充曲线段。通常情况下,补充的曲线段是平行于坐标轴的线段,这样有利于计算在补充曲线段上的曲线积分。注 5 计算第二类曲线积分,不论积分曲线是平面曲线还是空间曲线,都有两个方法:(1)平面曲线积分:将曲线积分转化为定积分或重积分;(2)空间曲线积分:将曲线积分转化为定积分或曲面积分。例 5 计算22ddLyxxy,其中L为上半椭圆:22221xyab,取顺时针方向 解
13、 曲线L的参数方程:cosxat,sinybt,0t,因为顺时针,于是积分弧段的起点和终点对应的参数分别是t和0t,所以 0222222ddsin(sin)coscos dLyxxybtatat btt 232300sindcosdabt t a bt t 根据三角函数积分公式和性质 332002!4sin2sin23!3tdttdt,30cos0tdt 于是有 22ddLyxxy243ab 例 6 计算322dddxxzyyx y z,其中是从点(0,0,0)A到点(1,1,1)B的线段 解 直线AB的方程为 111xyz 于是,积分曲线的参数方程可表示为:xt,yt,tz,参数t从0到1。
14、于是 132233301ddd()d4xxzyyx y ztttt 例 7 计算(e sin)d(cos e1)dxyLIyyxyy,其中L是从(,0)A a到(0,0)O的 上半圆周。解 (e sin)d(cos e1)dxxLL OAOAIyyxyy 0d d0daDQPx yxxy21d d8Dx ya。例 8 计算()d()d()dLyzxzxyxyz,其中L是222xya与1xzab(,0a b)的交线,曲线是逆时针方向。解 积分曲线参数方程:cos,sinxat yat,(1 cos)zbt,02t,所以 20 cos(1cos)(sin)(1cos)cos(cos)Iatatat
15、btat at (cossin)sin datat btt2()a ab。例 9 计算曲线积分dddz xx yy z,其中为平面1zyx被三个坐标面所截成的三角形的整个边界,其方向与三角形的上侧满足右手法则 解 曲线张成曲面是三角形,利用斯托克斯公式,得 dddd dd dd dz xx yy zy zz xx y 在xOy面上的投影区域xyD:xy10,10 x利用矢量点积法,积分曲面法向量为(1,1,1),所以 dddd dd dd dz xx yy zy zz xx y 3(1,1,1)(1,1,1)d d3d d2xyxyDDx yx y 题型 平面曲线积分与路径无关的条件 设D是平
16、面单连通有界闭区域,L是D内的逐段光滑曲线,若(,)P x y,(,)Q x y,Py,Qx在D上连续,则下面四个命题等价:(1)曲线积分(,)d(,)dLP x yxQ x yy与路径无关,只与起点和终点有关;(2)在G内存在一个函数(,)u x y,使d(,)(,)d(,)du x yP x yxQ x yy;(3)(,)x yG,xQyP;(4)对G内的任意光滑或逐段光滑闭曲线L,有(,)d(,)d0LP x yxQ x yy 例 10 计算(1,2)2(0,0)(e3)d(e2)dyyIxxxyy,其中L是过(0,0),(0,1),(1,2)的圆周。解(方法 1)由于eyPQyx,于是
17、曲线积分和积分路线无关。因此(1,2)2(0,0)(e3)d(e2)dyyIxxxyy122200(1 3)d(e2)de5yxxyy(方法 2)利用凑微分 23232e de d3d2 dd(e)ddd(e)yyyyxxyxxy yxxyxxy 所以32(,)eyu x yxxy,故(1,2)22(0,0)(e3)d(e2)d(1,2)(0,0)e5yyIxxxyyuu 练习 10-1 1计算下列第一类曲线积分:(1)()dLxy s,其中L为连接(1,0)和(0,1)两点的线段;(2)22()dLxys,其中L为(cossin),(sincos)xatttyattt,02t;(3)22ed
18、xyLs,其中L为222xya,直线yx和x轴在第一象限内所围成的扇形的整个边界;(4)22dLxys,其中L为圆周22xyax;(5)222dyzs,其中是2222xyza与xy的相交的圆周;(6)2(23)dxyzs,其中是2222xyza与0 xyz的相交的圆周;2计算下列对坐标的曲线积分:(1)22()dLxyx,其中L是抛物线2yx上从点(0,0)到点(2,4)的一段弧;(2)dLxy x,其中L为圆周222()(0)xayaa及x轴所围成的在第一象限内的区域的整个边界(逆时针方向绕行);(3)ddLy xx y,其中L为圆周2cosxt,2sinyt上对应t从0到2的一段弧;(5)
19、dd(1)dx yy xxyz,其中从(1,1,1)到点(2,3,4)的一条直线段;3计算2d2LxyIxy,L为曲线sinyx从点(0,0)到点(,0)的弧段 4计算下列曲线积分:(1)3222(2cos)d(1 2 sin3)dLxyyxxyxx yy,其中L为在抛物线22xy上从点(0,0)和,12的一段弧;(2)22(1)lndd12Lyx yxyxy,其中L为1xy围成的正方形的边界,沿顺时针方向 5验证下列(,)d(,)dP x yxQ x yy在整个xOy平面内是某一函数(,)u x y的全微分,并求这样的一个(,)u x y:(1)(2)d(2)dxyxxyy;(2)22d(+
20、1)dxy xxy;(3)2232(132)d(2e)dyx yxyxxx yy;(4)22(2 coscos)d(2 sinsin)dxyyxxyxxyy 6证明下列曲线积分在整个xOy面内与路径无关,并计算积分值:(1)(2,3)(0,1)()d()dxyxxyy;(2)(1,1)(0,0)()d()dxxyy,()x和()y为连续函数 7利用曲线积分,计算下列曲线所围成的图形面积:(1)椭圆:22916144xy;(2)圆:224xyx 8已知曲线积分e2()d()dxLf x y xf xy与路径无关,且(1)1f求(1,1)(0,0)e2()d()dxf x y xf xy 9设曲线
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 高等数学 第十 曲线 积分 曲面 考研 辅导班 内部 资料 19178
限制150内