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曲线积分与曲面积分 · Math Notebook

曲线积分与曲面积分1. 对弧长的线积分(第一类线积分)1.1. 定义1.2. 计算2. 对坐标的线积分(第二类线积分)2.1. 定义2.2. 与对弧长的积分的关系2.3. 计算3. 空间的线积分3.1. 计算3.2. 对面积的曲面积分(第一类曲面积分)3.3. 定义3.4. 计算4. 对坐标的面积分(第二类面积分)4.1. 定义4.2. 两类曲面积分的联系4.3. 计算5. ChangeLog 曲线积分与曲面积分1. 对弧长的线积分(第一类线积分)1.1. 定义

设 为 平面上的分段光滑曲线弧段(每段都是光滑的), 为定义在 上的有界函数,则 在 上对弧长的积分为其中 表示第 段小弧段长度, ,若 在 连续,则 存在,且线性积分与积分路径方向无关。

1.2. 计算

直接法:转换为一元积分

参数方程: 直角坐标系: 极坐标:

对称性:

积分区域对称,积分函数奇偶性变量对称2. 对坐标的线积分(第二类线积分)2.1. 定义

设 为 平面上的从 A 到 B 一段有向光滑曲线, 为 上的有界函数,则 沿 对坐标的积分为其中 表示第 段小弧段长度, , 分别是 在 x, y 轴上的投影。若 P, Q 在 连续,则上述积分存在,且线性积分与积分路径方向有关。

2.2. 与对弧长的积分的关系

2.3. 计算

直接法:转化为一元积分

格林公式:

设闭区域 D 由分段光滑闭曲线  L  围成,函数 P(x,y) 及  Q(x,y) 在 D 上有一阶连续偏导数(分别对 y,x 有一阶连续偏导),则有 其中 L 是 D 的取正向的边界曲线(L 的正向左侧为 D)。

利用积分与路径无关:

设 P(x,y), Q(x,y) 在单连通域 D 上有连续一阶偏导(分别对 y, x 偏导),则一下四条命题等价

C 为 D 中任意光滑闭曲线, L 为任意光滑曲线, 与路径无关存在可微函数 ,使得 在 D 内任一点,

证明:

1->2:明显

2->3:对 D 上任意两点 ,令 ,则

3->4:F 的二阶偏导连续->二阶偏导相等

4->1:格林公式

运用:沿坐标轴积分 4->2;凑可微函数 4->3;闭曲线4->1

3. 空间的线积分3.1. 计算直接法:转换为一元积分斯托克斯公式:设闭区域 分段光滑的空间有向闭曲线   围成的分段光滑有向曲面,函数 P,Q,R 在  上有一阶连续偏导数,则有 3.2. 对面积的曲面积分(第一类曲面积分)3.3. 定义

设 为分片光滑曲面片(每片都是光滑的), 为定义在 的有界函数,则 在 上对面积积分为其中 为第 i 个小曲面块的面积,若 在 上连续,则 存在,且与曲面 选取的侧无关。

3.4. 计算直接法: 对称性:面对称和变量对称4. 对坐标的面积分(第二类面积分)4.1. 定义

设 为光滑有向曲面, 在 上有界,则其中 为第 i 个小曲面块在坐标面 上的投影,若 P, Q, R 在 上连续,则 存在,且与曲面 选取的侧有关。

4.2. 两类曲面积分的联系

其中 为曲面 上一点指定侧的法向量的方向余弦(法向量指向指定侧,方向余项为法向量与坐标轴正向的夹角的余弦)。

4.3. 计算

直接法

若有向曲面 ,则

若有向曲面的法向量与 x 轴正向夹角为锐角,则上式为 +

若有向曲面 , 在 上与连续一阶偏导数,P, Q, R 在 上连续,则

若有向曲面的法向量与 x 轴正向夹角为锐角,则上式为 +

高斯公式

设空间闭区域 是由分片光滑的闭曲面 所围成,函数 在 上有连续一阶偏导数,闭曲面 取外侧,则注意函数 P, Q, R 分母为零的点

注意点

当积分区域为有向区域时,用区域对称性化简时要考虑区域的方向。

5. ChangeLog

2018.08.10 重积分

2018.08.14 曲线积分

2018.08.15 曲面积分

2018.08.16 场论初步、多元积分应用

2018.09.14 删除物理应用

2018.09.14 删除重积分

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