第一型曲线积分与第一型曲面积分、第二型曲线积分与格林公式
提示:本文的适用对象为已修过《微积分A1》的非数学系学生,文中题型方法为个人总结,为个人复习使用。部分理解虽然不太严谨,但对于解题的实用性较强。若有疏漏or错误,欢迎批评指正。
一、关于第一型曲线积分与第一型曲面积分
对于已经熟知第一型曲线积分和第一型曲面积分定义的朋友们来说,我在这里主要提出五个问题,以帮助大家的理解和做题。
Q1:第一型曲线/曲面积分与重积分的区别
重积分是在某一个区域内进行积分,是“不等关系”;而曲线/曲面积分是在某一条线/某一个平面上进行积分,是“等号关系”。
Q2:曲线的弧长与曲面的面积
关于微元产生的原因,详见《高等微积分教材(下)》的3.5节等多个部分,此处对不同形式曲线曲面微元的形式进行了整理
首先是曲线的弧长(对于光滑的正则曲线而言)
1、以参数方程表示的形式:
存在以下形式:
其中,上式表示的是空间曲线;下面表示平面曲线
2、以显式表示的曲线形式:
对于曲面的面积微元,有如下形式(光滑的正则曲面)
1、对于参数表示形式:
曲面的法向量为:
写成行列式的表示形式,则为:ds=
dxdy (中间行列式的值就是法向量的模长)
2、对于显式表示形式:
其中,为S在xy平面上的投影区域
Q3:第一型曲线积分和第一型曲面积分
1、第一型曲线积分
2、第一型曲面积分
(A,B,C)的定义见上文关于法向量的描述
Q4:做题时“范围的确定”
向某一个平面(如xoy平面)上做投影,求出投影区域内变量(如xy)的范围
问:为什么重积分进行计算时不能轻易做投影呢?
原因还要回到重积分和曲面积分的本质区别上,重积分是在一个区域内进行积分的,xyz的范围有时可能相互制约;但是对于曲面积分这样坐落于一个平面上的积分而言,直接将z=0,再求出xy的范围是完全可行的,尤其是在从dS到dxdy的范围变化过程中,更要把握好投影的范围。
Q5:几何意义
对于第一型曲线积分而言
1、单纯就是曲线L的弧长
2、对于而言,若f(x,y)是曲线的线密度,则该积分表示的就是这条曲线的质量;若f(x,y)表示高度,则该积分表示的就是这个柱面的面积
对于第一型曲面积分而言
1、单纯表示曲面的面积
2、对于 而言,若f(x,y)是曲面的面密度,则这积分表示的是这个曲面的质量;若f(x,y)=1,则这个积分就是曲面S对xy平面的静力矩
二、第二型曲线积分与格林公式
1、第二类曲线积分
第二类曲线积分,是对一个向量值函数沿着某一条曲线进行积分,此向量值函数的表达式为:,则其从A点开始到B点的第二型曲线积分如下:
定义即为求解方法()
2、格林公式
1、对于,若在有界连通闭区域D上是连续可微的,则
(D的边界是逐段光滑的闭曲线,其正方向为逆时针方向,n为边界的单位外法向)
2、平面第二类曲线积分与路径无关的条件
3、原函数有关——恰当方程和积分因子
一个需注意的全微分
4、关于利用格林公式求积分
1、要关注定义域中使函数值不存在的部分,在某一个或某几个特殊点挖洞
2、对于非闭合区域,使用格林公式前要记得先将其补成闭合区域
3、这部分一定要多练习,注意在挖洞补洞过程中是加还是减
4、关于正向:人头朝上,沿着曲线正向走的时候,区域的内部在人的左手侧
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