高等数学第六版(同济版)第十一章复习资料

第十一章曲线积分与曲面积分引入：在上一章中，我们研究了二元函数在平面有界闭区域上的二重积分和三元函数在空间有界闭区域上的三重积分，我们知道：重积分的计算都可以化成定积分来完成.这一章给大家介绍二元函数在平面曲线上的平面曲线积分、三元函数在空间曲线上的空间曲线积分以及三元函数在空间曲面上的曲面积分，这些积分的计算可由定积分或重积分来完成第一节对弧长的曲线积分一、对弧长的曲线积分的相关概念1.引例：曲线形构件的质量假设曲线形细长构件在空间所处的位置在平面内的一段曲线弧上，它的端点为，曲线弧上任一点的线密度为，求曲线形构件的质量(1).大化小：在曲线弧任取一组点将分成个小弧段，第个小弧段的质量为，则(2).常代变：记小弧段的长度为si，在小弧段上任取一点，则有，(3).近似和：(4).取极限：令为个小弧段的长度的最大值，有抽去这个确定和式极限的具体意义，就得到了数学上的对弧长的曲线积分2.对弧长的曲线积分的定义：设函数在平面上的一条光滑曲线上有界，在上任意插入个点将分成个小弧段，设第个小弧段的长度为si，在其上任取一点，作乘积，有和，，当时，若极限总存在，则称此极限值为函数曲线弧对弧长的曲线积分或第一类曲线积分，记作，即，其中叫做被积函数，叫做积分弧段，叫做弧长微元.注：1°.若函数在曲线弧上连续，则曲线积分存在2°.第一类曲线积分与积分弧段的方向无关，即事实上：，，.段的长si与曲线弧的方向无关，恒为正值3°.定积分不是第一类曲线积分的特例，因为的方向有关4°.若是闭曲线，则在上的第一类曲线积分为：5°.若，且积分弧段的长为，则6°.可推广：三元函数在空间曲线上的第一类曲线积分：3.物理意义：可求长的物质曲线的质量，即在引例中，二、对弧长的曲线积分的性质：假设各个曲线积分都存在1.线性性质：设、是常数，则2.积分弧段的可加性：若积分弧段可以分成两段光滑曲线弧和，则3.不等式性质：若在上，，则.4.绝对值不等式性质：三、对弧长的曲线积分的计算：化曲线积分为定积分定理：设在曲线弧上有定义且连续，的参数方程为：且，则曲线积分存在，、在且注：1°.若曲线弧的方程为，则的方程为：，有2.若曲线弧的方程为，则的方程为：，有3°.可推广：若空间曲线弧的参数方程为，则例1.计算，其中是抛物线上点与点之间的一段弧，解：由于曲线弧的参数方程为因此例2.计算半径为、中心角为的圆弧对于它的对称轴的转动惯量(设线密度).解：建立坐标系如图，则所求转动惯量，于是取的参数方程为.例3.计算曲线积分，其中为螺旋线、、于从到的一段弧.解：.第二节对坐标的曲线积分一、对坐标的曲线积分的相关概念1.引例:变力沿曲线所作的功设一质点受变力的作用,在平面内从点沿光滑曲线弧移动到点其中和在上连续，求移动过程中变力所作的的功.(1).大化小：在曲线弧任取一组点将分成个小弧段，变力沿第个小弧段所作的功为，则(2).常代变：有向小弧段可用有向线段来代替在小弧段上任取一点，则有，(3).近似和：(4).取极限：令为个小弧段的长度的最大值，有抽取这个确定和式极限的具体意义，就得到了数学上的对坐标的曲线积分2.对坐标的曲线积分的定义：设函数、在平面内的从点到点的一条有向光滑曲线弧上有界，在上沿的方向任意插入个点将分成个有向小弧段()，，，在其上任取一点，作乘积与和式与，当个小弧段的直径最大值时，(1).若极限总存在，则称此极限值为函数在有向曲线弧的曲线积分，记作(2).若极限总存在，则称此极限值为函数在有向曲线弧的曲线积分，记作其中、叫做被积函数，叫做积分弧段.以上两个积分也称为第二类曲线积分，有时也写成注：1°.若、在上都连续，则对坐标的曲线积分、都存在2°.若为空间曲线弧,则有3°.对坐标的曲线积分的物理意义：变力沿曲线所做的功二、对坐标的曲线积分的性质1.线性性质：设、是常数，则2.积分曲线的可加性：若有向曲线弧段可以分成两段光滑的有向曲线弧和，则3.方向性：记表示的反向弧，则.注：定积分是对坐标的曲线积分的特例三、对坐标的曲线积分的计算：化曲线积分为定积分定理：设函数、在有向曲线弧上有定义且连续，的参数方程为：当参数单调的由变到时，点从的起点运动到终点.、在或且，则曲线积分存在，且注：1°.与的大小不定，与积分曲线弧的方向有关2°.若曲线弧的方程为，则的参数方程为：，有其中参数对应的起点，对应的终点3°.若曲线弧的方程为，则的参数方程为：，有其中参数对应的起点，对应的终点4°.可推广：若空间有向曲线弧的参数方程为，则，其中对应的起点，对应的终点.四、两类曲线积分之间的联系设函数、在有向曲线弧上连续，的参数方程为：，起点终点分别对应参数和，假设.、在，则对坐标的曲线积分与对弧长的曲线积分之间的联系为：，其中、是曲线弧的切向量的方向余弦.推导：由对坐标的曲线积分的计算公式，有，又曲线弧的切向量的方向余弦为，，由对弧长的曲线积分的计算公式，有，从而有注：可推广到两类空间曲线积分之间的联系：例1.计算，其中为抛物线上从点到点的一段弧解法(一)：取为参数，则，，；，,于是.解法(二)：取为参数，则，,于是.例2.计算，其中为：(1).半径为、圆心为原点、按逆时针方向绕行的上半圆周；(2).从点沿轴到点的直线.解：(1).取的参数方程为：，，于是.(2).的方程为：，，于是例3.计算，其中为：注：相同的函数在同一起点沿不同路径到同一终点的第二类曲线积分值可以不同(1).抛物线上从到的一段弧；(2).抛物线上从到的一段弧；(3).有向折线，这里、、依次是点，，.解：(1).的方程为：，，于是(2).的方程为：，，于是(3).，，；，,于是注：相同的函数在同一起点沿不同路径到同一终点的第二类曲线积分值可以相同.例4.计算，其中是从点到点的直线段解：直线段，化为常数方程得，，于是第三节格林公式及其应用引入：在一元函数积分学中，我们知道牛顿—莱布尼兹公式分和原函数(不定积分)联系起来，这节课我们来学习联系二元函数分的公式—格林公式，通过它可以把平面有界闭区域D上的二重积分和区域D的边界曲线上的曲线积分联系起来.一、格林公式1.单连通区域：若平面区域D内任一闭曲线所围成的部分都属于，则称D区域，否则称为复连通区域注：单连通区域就是不含洞或点洞的区域，复连通区域就是含洞或点洞的区域.2.闭曲线的正向：若观察者沿平面区域的边界曲线的某一方向行走时，区域D在他近处的那部分总在他左侧，则称这一方向为曲线的正向.3.格林公式：定理：设闭区域D由分段光滑的曲线围成，若函数及在D偏导数，则有，其中是的取正向的边界曲线注：1°.对于复连通区域，格林公式右端曲线积分应为沿区域的全部边界的曲线积分，且边界的方向对区域D来说都是正向2°.若，则有平面闭区域D的面积公式.这是因为3°.若取负向，则有.例1.求椭圆所围成图形的面积.解：由格林公式有.例2.设是任意一条分段光滑的闭曲线，证明证明：令，于是例3.计算，其中是以，，为顶点的三角形闭区域解：令，于是.例4.计算，其中是一条无重点、分段光滑且不经过原点的连续闭曲线，方向为逆时针方向解：记闭曲线所围成的区域为D，当时，有，，.(1).当时，由格林公式得(2).当时，以原点为心、以适当小的作位于D内的圆周.记和所围成的闭区域为对复连通区域应用格林公式，有从而有，，即,其中的方向为逆时针方向.设的参数方程为，参数从到，于是.二、平面上曲线积分与路径无关的条件定理2.若函数、在单连通区域互等价：(1).沿区域内任意光滑或逐段光滑闭曲线，有(2).曲线积分与路径无关，只与位于内的起点和终点有关(3).在内存在一个函数,它的全微分为，即.(4).对内任意一点.注：已知，则可按如下公式求出：或推导：由于与路径无关，取，有取，有例5在右半平面内是某个函数的全微分，并求出一个这样的函数.解：令，，有，从而是某一函数的全微分，且曲线积分与路径无关.取积分路径如图，则.例6.验证：在整个面内，是某个函数的全微分，并求出一个这样的函数.解：令，，有，从而在整个平面内是某一函数的全微分求法(一)：由于曲线积分与路径无关.取积分路径如图，则.求法(二)：因为满足，从而有，其中是的待，又已知面，故，即，于是，.第四节对面积的曲面积分一、对面积的曲面积分的相关概念1.引例：曲面形构件的质量假设曲面形构件在空间所处的位置是一张有界光滑曲面上，其上任一点的面密度为，求这曲面形构件的质量(1).大化小：将曲面片任意分成个小曲面块，第个小曲面块，则(2).常代变：记小曲面块的面积为，在小曲面块上任取一点，则有，(3).近似和：(4).取极限：令为个小曲面块的长度的最大值，有抽去这个确定和式极限的具体意义，就得到了数学上的对面积的曲面积分2.光滑曲面：若曲面上各点处都有切平面，且当点在曲面上连续移动时，动，则称为光滑曲面3.对面积的曲面积分的定义：设函数在空间光滑曲面上有界，把任意分成块小曲面，也记是第块小曲面块的面积，在上任取一点，作乘积，有和式，记为限总存在，则称此极限值为函数在曲面或第一类曲面积分，记作，其中叫做积分曲面注：1°.若在光滑曲面上连续，则曲面积分存在2°.对面积的曲面积分与积分曲面的方向无关，因为总为正数.3°.对面积的曲面积分的物理意义：物质曲面的质量二、对面积的曲面积分的性质1.线性性质：设为常数，则.2.积分曲面的可加性：若分片光滑曲面分成两片光滑曲面和，则.三、对面积的曲面积分的计算定理：设光滑曲面：在面上的投影区域为，且函数在上具有一阶连续偏导数，若函数在上连续，则对面积的曲面积分且注：若的方程为，则若的方程为，，则例1.计算，其中是球面被平面截出的顶部.解：的方程为，在面上的投影区域Dxy为圆域：，又，于是，设，则Dxy：，故.例2.计算，其中是由平面及界曲面解：设，，，，则，于是，由于在、以及上被积函数，故面上的投影区域为：，在的方程为：，于是且.第五节对坐标的曲面积分一、有向曲面的相关概念1.双侧曲面：在光滑曲面上任取一点，过点的法线有两个方向，选定一个方向为正向，当动点在曲面上连续变动时，法线也连续变动.若动点从出发沿着曲面上任意一条不越过曲面边界的封闭曲线又回到时，法线的正向与出发时的正向相同，则称为双侧曲面，否则称为单侧曲面注：单侧曲面的典型例子：莫比乌斯带2.有向曲面：称曲面的法向量指向的一侧为曲面取定的侧，称取定侧的曲面为有向曲面.3.方向不同的曲面在坐标面上的投影面积在有向曲面上任取一小块曲面，在面上的投影区域的面积为上各点处的法向量与z轴的方向余弦不变号.规定在面上的投影注：规定曲面的上侧、前侧、右侧为正侧.二、对坐标的曲面积分的相关概念1.引例:稳定流体通过曲面一侧的流量设稳定流动且不可压缩的流体(假定密度为1)的流速场为，求在单位时是流速场中的一片曲面.函数、以及在上连续，间内流向指定侧的流体的质量，即流量(1).简单情形：是以平面区域，面积为，流体在上各点的流速为常向量设为的单位法向量，则在单位时间内流过这闭区域的流体组成一个底面积为、斜高为的斜柱体①．当时，斜柱体的体积为，从而通过流向流量为②．当时，显然通过流向所指一侧的流量为，即③．当时，有，仍称之为流体通过流向它是流体通过闭区域流向所指一侧的流量因此，无论为何值，流体通过流向所指一侧的流量均为(2).一般情形：流体在空间光滑曲面上各点的流速是变化的.①．大化小：将曲面片任意分成个小曲面块，也记第个小曲面块的面积为②．常代变：记小曲面块的面积为，在小曲面块上任取一点，用该点处的流速代替上其它各点处的流速，以曲面在该点处的单位法向代替上其它各点处的单位法向量，从而得到通过流向指定侧的流量为(3).近似和：(4).取极限：令为个小曲面块的直径的最大值，有抽去这个确定和式极限的具体意义，就得到了数学上的对坐标的曲面积分2.对坐标的曲面积分的定义：设函数、以及在有向光滑曲面上有界，把任意分成个块小曲面块，也记第个小曲面块的面积为.在面上的投影为；在面上的投影为；在面上的投影为在小曲面块上任取一点，作乘积、，有和式、、当个块小曲面块的直径最大值时，(1).若极限总存在，则称此极限值为在有向曲