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第 14 章 曲线积分. §1 第一型曲线积分 §2 第二型曲线积分. 第二十章 曲线积分. §1 第一型曲线积分. 一、问题的提出. 实例 : 曲线形构件的质量. 匀质之质量. 分割. 近似值. 求和. 精确值. 取极限. 二、对弧长的曲线积分的概念. 1. 定义. 被积函数. 积分和式. 积分弧段. 曲线形构件的质量. 2. 存在条件:. 3. 推广. 注意:. 4. 性质. (4). ( 5 ). 三、对弧长曲线积分的计算. 定理. 证略。. 这里 ,. 计算:. 曲线积分. 定积分. - PowerPoint PPT Presentation
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第第 1414 章 曲线积分章 曲线积分
§1 §1 第一型曲线积分第一型曲线积分
§2 §2 第二型曲线积分第二型曲线积分
第二十章 曲线积分第二十章 曲线积分
§1 §1 第一型曲线积分第一型曲线积分
一、问题的提出一、问题的提出
实例 : 曲线形构件的质量
o x
y
A
B1nM
iM
1iM2M
1M
),( ii L
.sM 匀质之质量
分割 ,,,, 121 in sMMM
,),( iii s取 .),( iiii sM
求和 .),(1
n
iiii sM
取极限 .),(lim1
0
n
iiii sM
近似值
精确值
二、对弧长的曲线积分的概念
,),(
,),(
,
),(,.
,,,.
),(,
1
121
n
iiii
iii
iii
n
sf
sf
i
si
nLMMMLL
yxfxoyL
并作和
作乘积点个小段上任意取定的一
为第又个小段的长度为设第个小段分成把上的点用上有界在
函数面内一条光滑曲线弧为设
1. 定义
o x
y
A
B1nM
iM
1iM2M
1M
),( ii L
.),(lim),(
,),(,
),(,
,0
10
n
iiiiL
L
sfdsyxf
dsyxf
L
yxf
即记作线积分
第一类曲上对弧长的曲线积分或在曲线弧则称此极限为函数这和的极限存在
时长度的最大值如果当各小弧段的
被积函数
积分弧段
积分和式
曲线形构件的质量 .),(L
dsyxM
2. 存在条件:
.),(
,),(
存在对弧长的曲线积分
上连续时在光滑曲线弧当
Ldsyxf
Lyxf
3. 推广
曲线积分为上对弧长的在空间曲线弧函数 ),,( zyxf
.),,(lim),,(1
0i
n
iiii sfdszyxf
注意:
)(,)(.1 21 LLLL 是分段光滑的或若
.),(),(),(2121
LLLL
dsyxfdsyxfdsyxf
.),(
),(.2
Ldsyxf
Lyxf
曲线积分记为
上对弧长的在闭曲线函数
4. 性质 .),(),()],(),([)1(
LLLdsyxgdsyxfdsyxgyxf
).(),(),()2( 为常数kdsyxfkdsyxkfLL
.),(),(),()3(21
LLL
dsyxfdsyxfdsyxf
).( 21 LLL
且在 L上 ( , ) ( , )f x y g x y ,
则 ( , )L
f x y ds ( , )L
g x y ds .
( , ) g( , )L L
f x y ds x y ds 与 都存在,(4)
L L( ) ( , ) .f x y ds f x y ds 且 ,
.
( 5) ( , y) s ( , )
L Lf x d f x y ds 若 存在,则 也存在,
6 ( , y) sL
f x d ( )若 存在,L的弧长为s,
则存在常数c,使得
( , y) s=csL
f x d
三、对弧长曲线积分的计算三、对弧长曲线积分的计算定理
且上有一阶连续导数在其中
参数方程为
的上有定义且连续在曲线弧设
, ],[ )( ),(
)( ),(
),(
,),(
tt
tty
tx
LLyxf
dtttttfdsyxfL
)()()]( ),([),( 22
)( 证略。
).(),(
:tytx
L这里, . t
. )()( 22 dtttds
曲线积分 定积分
(1) L : y=y(x), a≤x≤b
假设 y(x)C1([a, b]). 有
xxyxyxfsyxfb
aLd)('1))(,(d),( 2
( a < b )
xxys d)('1d 2
计算:
(2) L : x=x(y), c≤y≤d
假设 x(y)C1([c, d]). 有
yyxyyxfsyxfd
cLd)('1)),((d),( 2
( c < d )
yyxs d)('1d 2
例 1. 计算 .dsyL 其中 L 为 y2=2x 自点 (0, 0) 到点 (2,
2)的一段弧 .
xx
xsyL
d2
112d
2
0
解 1: 0≤x≤2,2 : xyL
xx
ys d
d
d1d
2
x
xd
2
11
y2=2x
0 2
2
y
x
xx d122
0 + )155(3
1
(3) L : x=(t), y=(t), ≤t≤
ttts d)(')('d 22
tttttfsyxfL
d)(')('))(),((d),( 22
( < )
注意 :
;.1 一定要小于上限定积分的下限
.,,),(.2 而是相互有关的不彼此独立中 yxyxf
.)(:)2( dycyxL
.)(1]),([),( 2 dyyyyfdsyxfd
cL )( dc
. .
),(: dyc
yyyx
L
. )(1 2 dyyds
特殊情形.)(:)1( bxaxyL
. ).(
,: bxa
xyxx
L
. )(1 2 dxxds
.)(1)](,[),( 2 dxxxxfdsyxfb
aL )( ba
).(),(
:tytx
L1. 曲线 . t
对弧长曲线积分的计算公式
dtttttfdsyxfL
)()()]( ),([),( 22
则
2. 曲线 .)(: bxaxyL
.)(1)](,[),( 2 dxxxxfdsyxfb
aL
.)(: dycyxL 3. 曲线
.)(1]),([),( 2 dyyyyfdsyxfd
cL
则
则
推广 : )().(),(),(: ttztytx
)(
)()()()](),(),([
),,(
222
dtttttttf
dszyxf
例 1. 计算 .dsyL 其中 L 为 y2=2x 自点 (0, 0) 到点 (2,
2)的一段弧 .
xx
xsyL
d2
112d
2
0
解 1: 0≤x≤2,2 : xyL
xx
ys d
d
d1d
2
x
xd
2
11
y2=2x
0 2
2
y
x
xx d122
0 + )155(3
1
解 2: 0≤y≤2,2
:2y
xL
yyysyL
d1d 2
0
2
yy
xs d
d
d1d
2
yy d1 2
)155(3
1
0 2
2
y
x
2
2yx
例 2. 计算 L
syx d)(
L: 连接 O(0, 0), A(1, 0), B(0, 2) 的闭折线 OABO.
解: L 分段光滑
BOABOAL
ds=dx
2
1d)0(d)(
1
0 xxsyx
OA
OA: y=0, 0≤x≤1
O
2
A
By
x1
1
0d5))22((d)( xxxsyx
AB
AB: y=22x, 0≤x≤1
xys d'1d 2 xd5
52
3
2
0dd)( yysyx
BO
BO: x=0, 0≤y≤2
ds=dy
=2
252
3
2
1d)( Lsyx
)535(2
1
O
2
A
By
x
1
例 3. 计算 L
syx d)( 22 其中 L: x2+y2=a2.
L: x=acos t, y=asin t, 0≤t≤2
L
syx d)( 22
ttatatata d)cos()sin()sincos( 22222
0
22
taa d2
0
2
32 a
(4) 空间 R3 中的曲线: x=(t), y=(t), z=(t),
≤t≤
szyxf d),,(
xy
z
O
tttttttf d)()()()](),(),([ 222
( < )
例 4. 计算 .d)( 23 szyx
其中:从点 A(3, 2, 1) 到点 O(0, 0, 0) 的直线段 .
解:直线段 AO 方程:123
zyx
化成参数方程: x=3t, y=2t, z=t, 0≤t≤1.
ttttszyx d123))2()3((d)( 22221
0
323
tt d14311
0
3 144
31
例 52
,
: , (0,0) (1,1) .
LI yds
L y x
求
其中 从 到 一段
解
dxxxI )(1 21
0
2
.10: 2 xxyL
dxxx 21
041
)155(12
1
例 6
)20(.
,sin,cos:,)( 222
的一段
其中求
kz
ayaxdszyxI
解
).43(3
2 22222 kaka
dkaa
kaa
222
222222
)cos()sin(
sincos
2
0I
2
0
22222 )( dkaka
例 7
.0
,
,
2222
2
zyx
azyx
dsxI
为圆周其中
求
解 由对称性 , 知 .222 dszdsydsx
dszyxI )(31 222故
dsa3
2
.3
2 3a ),2( 球面大圆周长 dsa
例 8 ).(,sin
,cos: , 象限第椭圆其中求
tby
taxLxydsI
L
解
dttbtatbta 2220
)cos()sin(sincos
dttbtattab 222220
cossincossin
)(sin sin)(2
220
2222 tdbtbaab
,cos)( tatx .sin)( tbty
x
y
o a
b,sin)( tat .cos)( tbt
.2
0 t
L xyds
.)(3
)( 22
bababaab
]sin)[( sin)()(2
222220
222222
btbadbtbaba
ab
2
0
23222222
sin)(32
)(2
btba
baab
dttbtatbta 2220
)cos()sin(sincos
dttbtattab 222220
cossincossin
)(sin sin)(2
220
2222 tdbtbaab
L xyds
例 9 其中计算 . )( L
dsyx
解 .0)( x
的直线;到点点 )0,2( )0,0( : )1( AoL
的直线;到点点 )3,2( )0,2( : )2( BAL Ax
y
o 2
3 B
(1) L : .20 ,0)( xxy
L dsyx )( dxx 2
0201 )0(
dxx2
0 .2
.0)( x(2) L : .30 ,2)( yyx
L dsyx )( dyy 3
0201 )2(
dyy 3
0 )2( .
221
例 10
.)2,1()2,1(,4:
,
2 一段到从其中
求
xyL
ydsIL
解
dyy
y 22
2)
2(1
.0
xy 42
x
y
o 1
2
2
.22 ,4
)( :2
yy
yxL
.2
)(y
y
L ydsI
dyy
y4
12
2
2
例 11
解
直其中曲线计算 , . 222
22
ayxdseL
yx
形边界。在第一象限中所围的图线 ,0 xyx
dseL
yx
22
x
y
o
2 2 a
AB
.0 ,0 : ayxoA .0x
dseoA
yx 22
dyea y 01 20
0 22
dyea y0
.1 ae
dsedsedseoB
yxAB
yxoA
yx 222222
x
y
o
2 2 a
AB
.0 ,0 : ayxoA .0x
dseoA
yx 22
dyea y 01 20
0 22
dyea y0
.1 ae
dttatae tata )sin()cos( 222
4)sin()cos( 22
.24
,sin ,cos : ttaytaxAB
dseAB
yx 22
.cos ,sin taytax
dttatae tata )sin()cos( 222
4)sin()cos( 22
dtaea2
4
.
6aea
.24
,sin ,cos : ttaytaxAB
dseAB
yx 22
.cos ,sin taytax
.2
20 , : axxyoB .1y
dseoB
yx 22
dxea xx 11 222
0
22
x
y
o
2 2 a
AB
于是, dseL
yx
22
dsedsedseoB
yxAB
yxoA
yx 222222
)1(4
)1( aaa eeae
.2)4
2( aea
.1 ae
dxea x 2
22
0 2
.2
20 , : axxyoB .1y
dseoB
yx 22
dxea xx 11 222
0
22
四、几何与物理意义四、几何与物理意义,),()1( 的线密度时表示当 Lyx
;),(L
dsyxM
;,1),()2( L
dsLyxf 弧长时当
,),(
),()3(
处的高时柱面在点
上的表示立于当
yx
Lyxf
.),(L
dsyxfS柱面面积
s
L
),( yxfz
对弧长曲线积分的应用对弧长曲线积分的应用
,)1( 曲线弧的转动惯量
., 22 LyLx dsyIdsxI
曲线弧的质心坐标)2(
.,
L
L
L
L
ds
dsyy
ds
dsxx
,)( 220
LdsyxI
例 9
).(,sin
,cos:
ttRy
tRxL
解 : 如图设置坐标系
dttRtRtR 2222 cos)sin(sin
.1(
2,
)设线密度为它的对称轴的转动惯量对于的圆弧中心角为计算半径为 LR
x
y
Lx dsyI 2
tdtR
23 sin ).cossin(3 R
1 、对弧长曲线积分的概念
2 、对弧长曲线积分的计算
3 、对弧长曲线积分的应用
五 小结与思考判断题五 小结与思考判断题
思考判断题
( 1 ) 对弧长的曲线积分的定义中 的符号可能为负吗?
iS
( 2 ) 对弧长的曲线积分是否与曲线方向有关?
思考题
对弧长的曲线积分的定义中 的符号可能为负吗?
iS
思考题解答
iS 的符号永远为正,它表示弧段的长度 .
§2§2 第二型曲线积分第二型曲线积分
o x
y
A
B
L
一、问题的提出一、问题的提出1nM
iM
1iM2M
1M
ixiy实例 : 变力沿曲线所作的功
,: BAL
jyxQiyxPyxF
),(),(),(
常力所作的功
分割 .),,(,),,(, 1111110 BMyxMyxMMA nnnn
.)()(1 jyixMM iiii
.ABFW
求和
.]),(),([1
n
iiiiiii yQxP
取极限 .]),(),([lim1
0
n
iiiiiii yQxPW
近似值
精确值
,),(),(),( jQiPF iiiiii
取
,),( 1 iiiii MMFW
.),(),( iiiiiii yQxPW 即
n
iiWW
1
o x
y
A
B
L
1nMiM
1iM2M
1M
),( iiF
ixiy
二、对坐标的曲线积分的概念二、对坐标的曲线积分的概念
,0
.
),(,,
).,;,,2,1(
),(,
),,(),,(.
),(),,(,
1
11
01
111
222111
时长度的最大值如果当各小弧段上任意取定的点
为点设
个有向小弧段分成把
上的点用上有界在函数向光滑曲线弧的一条有到点面内从点为设
ii
iiiiiiii
nii
nnn
MM
yyyxxx
BMAMniMM
nLyxM
yxMyxML
LyxQyxP
BAxoyL
1. 定义
.),(lim),(
,(
),(
,),(
10
1
ii
n
iiL
n
iiii
xPdxyxP
xLyxP
xP
记作或称第二类曲线积分)积分的曲线上对坐标在有向曲线弧数
则称此极限为函的极限存在
类似地定义 .),(lim),(1
0ii
n
iiL
yQdyyxQ
,),(),,( 叫做被积函数其中 yxQyxP .叫积分弧段L
2. 存在条件:
.,
),(),,(
第二类曲线积分存在上连续时在光滑曲线弧当 LyxQyxP
3. 组合形式
L
LL
dyyxQdxyxP
dyyxQdxyxP
),(),(
),(),(
., jdyidxdsjQiPF
其中
. L
dsF
4. 推广
空间有向曲线弧
.),,(lim),,(1
0iii
n
ii xPdxzyxP
. RdzQdyPdx
.),,(lim),,(1
0iii
n
ii yQdyzyxQ
.),,(lim),,(1
0iii
n
ii zRdzzyxR
5. 性质
.
,)1(
21
21
LLL
QdyPdxQdyPdxQdyPdx
LLL 则和分成如果把
则有向曲线弧方向相反的是与是有向曲线弧设
,
,)2( LLL
即对坐标的曲线积分与曲线的方向有关 .
LL
dyyxQdxyxPdyyxQdxyxP ),(),(),(),(
三、对坐标的曲线积分的计算三、对坐标的曲线积分的计算
,),(),(
,0)()(,
)(),(
,),(,
),(
),(,
),(),,(
22
存在
则曲线积分且续导数
一阶连为端点的闭区间上具有及在以运动到终点沿的起点从点时到
变单调地由当参数的参数方程为续
上有定义且连在曲线弧设
LdyyxQdxyxP
tt
tt
BLALyxM
tty
txL
LyxQyxP
定理
dttttQtttP
dyyxQdxyxPL
)}()](),([)()](),([{
),(),(
且
特殊情形.)(:)1( baxxyyL ,终点为起点为
.)}()](,[)](,[{ dxxyxyxQxyxPQdyPdxb
aL 则
.)(:)2( dcyyxxL ,终点为起点为
.]}),([)(]),([{ dyyyxQyxyyxPQdyPdxd
cL 则
.,,
)(
)(
)(
:)3(
终点起点推广 t
tz
ty
tx
dtttttR
ttttQ
ttttP
RdzQdyPdx
)}()](),(),([
)()](),(),([
)()](),(),([{
(4) 两类曲线积分之间的联系:
,)(
)(
ty
txL
:设有向平面曲线弧为
,,),( 为处的切线向量的方向角上点 yxL
LL
dsQPQdyPdx )coscos(则
其中 ,)()(
)(cos
22 tt
t
,)()(
)(cos
22 tt
t
(可以推广到空间曲线上 )
,,,),,( 为处的切线向量的方向角上点 zyx
dsRQPRdzQdyPdx )coscoscos(则
dstA
rdA
, dsAt
可用向量表示
,其中 },,{ RQPA
},cos,cos,{cos t
},,{ dzdydxdstrd 有向曲线元;
.上的投影在向量为向量 tAAt
处的单位切向量上点 ),,( zyx
例 1
.)1,1()1,1(
, 2
的一段弧到
上从为抛物线其中计算
BA
xyLxydxL
解 的定积分,化为对x)1( .xy
OBAOL
xydxxydxxydx
1
0
0
1)( dxxxdxxx
1
0
2
3
2 dxx .54
xy 2
)1,1( A
)1,1(B
的定积分,化为对y)2(
,2yx
ABL
xydxxydx
1
1
22 )( dyyyy
.11到从 y
1
1
42 dyy .54
xy 2
)1,1( A
)1,1(B
.)0,()0,()2(
;
)1(
,2
的直线段轴到点沿从点的上半圆周
针方向绕行、圆心为原点、按逆时半径为
为其中计算
aBxaA
a
LdxyL
例 2
解 ,sin
cos:)1(
ay
axL
,变到从 0)0,(aA)0,( aB
0
原式 daa )sin(sin22
)0,(aA)0,( aB
.34 3a
,0:)2( yL
,变到从 aax
a
adx0原式 .0
问题:被积函数相同,起点和终点也相同,但路径不同积分结果不同 .
0
3a )(cos)cos1( 2 d
例 3
).1,1(),0,1(
)0,0(,,)3(
;)1,1()0,0()2(
;)1,1()0,0()1(
,2
2
2
2
依次是点,这里有向折线的一段弧到上从抛物线
的一段弧到上从抛物线
为其中计算
BAOOAB
BOyx
BOxy
LdyxxydxL
2xy
)0,1(A
)1,1(B解 .)1( 的积分化为对 x
,10,: 2 变到从xxyL
1
0
22 )22( dxxxxx原式
1
0
34 dxx .1
)0,1(A
)1,1(B
2yx .)2( 的积分化为对 y
,10,: 2 变到从yyxL
1
0
42 )22( dyyyyy原式
1
0
45 dxy .1
)0,1(A
)1,1(B
)3(
AB
OA
dyxxydx
dyxxydx
2
2
2
2原式
,上在 OA ,10,0 变到从xy
1
0
22 )002(2 dxxxdyxxydxOA
.0
,上在 AB ,10,1 变到从yx
1
0
2 )102(2 dyydyxxydxAB
.1
10 原式 .1
)0,1(A
)1,1(B
问题:被积函数相同,起点和终点也相同,但路径不同而积分结果相同 .
例 4 计算第二型曲线积分
L
dzxdyyxxydx 2
L是螺旋线: tax cos , tay sin , btz 从 0t 到 t 上的一段.
解 L
dzxdyyxxydx 2
0
2222223 coscossincossincos dttbattatatta=
ba 12
1 2=
例 5求力 F zyxxy ,, ⅰ作用下 )质点由 A
沿螺旋线 1L 到 B所做的功,其中 1L : tax cos ,
tay sin, btz , 20 t ,
ⅱ )质点由 A沿直线 2L 到 B所做的功
解ⅰ)
L
dzzyxxdyydxW =
2
0
22222 sincoscossin dttbtabtabtata=
2
0
22222 sincoscossin dttbtabtabtata=
222 ab =
ⅱ )
L
dzzyxxdyydxW =
2
0
dtta
bab 2
=
=
注:这里不同路径积分值不同.
例 6 计算曲线积分
L
dzyxdyxzdxzyI )()()( 222222
(1) L 是球面三角形 1222 zyx , 0x ,0y , 0z 的边界线,从球的外侧看去, L的方
向为逆时针方向;
( 2 ) L 是 球 面 2222 azyx 和 柱 面
)0(22 aaxyx 的交线位于Oxy平面上方的部分,
从 x轴上 ))(0,0,( abb 点看去, L 是顺时针方向
解 (1)显然, L具有轮换对称性,且被积表达式也具有轮换对称性,将 L分为三段
1L: 122 yx , 0z ( 0x , 0y )
2L : 122 zy , 0x ( 0y , 0z )
3L : 2 2 1z x , 0y ( 0x , 0z )
则 L
dzyxdyxzdxzyI )()()( 222222
1
)()()(3 222222
L
dzyxdyxzdxzy
1
)()()(3 222222
L
dzyxdyxzdxzy
1
223L
dyxdxy
4)1(3)1(31
0
20
1
2 dyydxx
或 L
dzyxdyxzdxzyI )()()( 222222
L
dxzy )(3 22 31 2
))((3 22
LL L
dxzy
1 3
22 33L L
dxzdxy 4)1(3)1(31
0
20
1
2 dxxdxx
注 1 这里利用轮换对称性使计算化简,都是写为某积分的 3 倍 . 它们的区别在于
第一种方法:积分表达式不变,积分化为 1L 上的积分的 3倍.
第二种方法:积分曲线 L不变,积分化为表达式中第一项积分的 3倍. 问题 1 是否可化为既是 1L 上的积分的 3倍,又是表
达式中第一项积分的 3倍,即
L
dzyxdyxzdxzyI )()()( 222222
1
)(9 22
L
dxzy
(2)曲线关于Ozx平面对称,且方向相反
L
dxzy )( 22
0,
22 )(yL
dxzy
0,
22 0)(yL
dxzy
同理 L
dzyx )( 22
0,
22 )(yL
dzyx 0)(0,
22 yL
dzyx
故 L
dzyxdyxzdxzyI )()()( 222222
L
dyxz )( 22
下面求曲线 L的参数方程。
方法 1 利用球面的参数方程 sincosax sinsinay cosaz
代入柱面方程 axyx 22得 cossin ,
于是得 L的参数方程
2cosax cossinay |sin| az
从 2
到 2
L
dyxzI )( 22
2/
2/
22422 )sin(cos]cos[sin
daa
2/
2/
22422 )sin(cos]cos[sin
daa
0
2/
2423 )1cos2](coscos1[2
da
2/
0
6423 )cos2coscos31(2
da
33
2]
2246
352
224
3
4
3
2
1[2 aa
注 2 这里利用对称性(不是轮换对称性),立即可知前两项的积分为 0. 值得注意的是第二型的曲线积分与第一型的曲线积分对称性的应用是不同的 .
例如第一项积分,曲线关于Ozx平面对称,且方向相反,而被积函数关于 y是偶函数(不是奇函数),则
L
dxzy )( 22
0,
22 )(yL
dxzy
0,
22 0)(yL
dxzy
上面等式中,两项恰好相差一个符号,负号的出现是由于方向相反产生的 .
方法 2 利用柱面的参数方程
cos22
aax sin
2
ay
代入球面方程 2222 azyx
于是得 L的参数方程
cos22
aax sin
2
ay |
2sin|
az
从 2 到0 .
取方法 2 中的参数方程进行计算略 .
四、小结四、小结
1 、对坐标曲线积分的概念
2 、对坐标曲线积分的计算
3 、两类曲线积分之间的联系
思考题
当曲线L的参数方程与参数的变化范围给定之后(例如L: taxcos, tay sin,
]2,0[t ,a是正常数),试问如何表示L的方向(如L表示为顺时针方向、逆时针方向)?
思考题解答
曲线方向由参数的变化方向而定 .
例如L: taxcos, tay sin, ]2,0[t 中
当t从0变到2时,L取逆时针方向;
反之当t从2变到0时,L取顺时针方向.
第第 1414 章 曲面积分章 曲面积分
§1 第一型曲面积分
§2 第二型曲面积分
§3 高斯(Gauss)公式
第第 1414 章 曲面积分章 曲面积分
§1 §1 第一型曲面积分第一型曲面积分
一、概念的引入
若曲面是光滑的, 它的面密度为连
续函数 ),,( zyx , 求它的质量.
实例
所谓曲面光滑即曲面上各点处都有切平面 , 且当点在曲面上连续移动时 ,切平面也连续转动 .
一、概念的引入若曲面是光滑的, 它的面密度为连续函数
),,( zyx , 求它的质量.
实例
分割
取近似
求和 .),,(1
n
iiiii SM
取极限 .),,(lim10
n
iiiii SM
把分成n小块 iS ( iS 也
表示第i小块曲面的面积).
),,( iii iS
iiiii SM ),,(
二、对面积的曲面积分的定义设曲面是光滑的, 函数 ),,( zyxf 在上有界.把
分成n小块 iS ( iS 同时也表示第i小块曲面的面
积),设点 ),,( iii 为 iS 上任意取定的点,作乘积
),,( iiif iS , 并作和
n
iiiif
1
),,( iS ,
若当各小块曲面直径的最大值 0 时, 和式的极
限存在, 则称此极限为函数 ),,( zyxf 在曲面上对
面积的曲面积分或第一类曲面积分. 记为
1. 定义
dSzyxf ),,( .
即
dSzyxf ),,( iii
n
ii Sf
),,(lim
10
被积函数
积分曲面
2. 对面积的曲面积分的性质
则及可分为分片光滑的曲面若 , )3( 21
; ),,( ),,( )1(
dSzyxfkdSzyxkf
dSzyxgzyxf )],,(),,([ )2(
; ),,( ),,(
dSzyxgdSzyxf
. ),,( ),,( ),,(21
dSzyxgdSzyxfdSzyxf
特别, 的面积。
dS时,当 1),,( zyxf
三、计算法);,(:.1 yxzz 若曲面
,)( ),(),(1 22xyiiiyiixi zzS
xyi )( ),( ii
iS
x
y
z),( : yxzz
o
),,( iii
则
dSzyxf ),,( iii
n
ii Sf
),,(lim
10
n
ixyiiiyiixiiii zzzf
1
22
0)( ),(),(1)],(,,[lim
;1)],(,,[ 22 dxdyzzyxzyxfxyD
yx
));,(,,(
),,(),(:
yxzyxfzyxfyxzz
; ),(),(1 22 dxdyyxzyxzdS yx
. xyDxoy面投影,得向将曲面
;1)],(,,[ ),,( 22 dxdyzzyxzyxfdSzyxfxyD
yx
);,(:.1 yxzz 若曲面 则
三代:
二换:
一投:
;1]),,(,[ 22 dxdzyyzzxyxfxzD
zx
dSzyxf ),,(
);),,(,(
),,(),(:
zzxyxfzyxfzxyy
; ),(),(1 22 dxdzzxyzxydS zx
. xzDxoz面投影,得向将曲面
则
三代:
二换:
一投:
),(.2 zxyy :若曲面
.1],),,([ 22 dydzxxzyzyxfyzD
zy
dSzyxf ),,(
),(.3 zyxx :若曲面 则
三代: );,),,((
),,(),(:
zyzyxfzyxfzyxx
二换: ; ),(),(1 22 dydzzyxzyxdS zy
一投: . yzDyoz面投影,得向将曲面
;1)],(,,[ ),,( 22 dxdyzzyxzyxfdSzyxfxyD
yx
);,(:.1 yxzz 若曲面 则
;1]),,(,[ 22 dxdzyyzzxyxfxzD
zx
dSzyxf ),,(
则
.1],),,([ 22 dydzxxzyzyxfyzD
zy
dSzyxf ),,(
),(.3 zyxx :若曲面 则
注意:这里曲面方程均是单值函数。
2. : ( , ),y y x z 若曲面
例 2
解
计算
zdS , 其中 是球面 2222 azyx
被平面 )0( ahhz 截出的顶部.
h
x
y
z
o
aa
a
面投影,得向将曲面 xoy
. : 222 yxaz
. : 2222 hayxDxy
,222 yxa
xzx
.222 yxa
yz y
dxdyyxzyxzdS yx ),(),(1 22
,222 yxa
xzx
.222 yxa
yz y
.222
dxdyyxa
a
zdS dxdy
yxa
a
yxaxyD222222
1
dxdyyxa
axyD
1222
h
x
y
z
o
aa
a
.0
,20:
22 harDxy
zdS
dxdyyxa
axyD
1222
h
x
y
z
o
aa
a
.0
,20:
22 harDxy
.sin
,cos
ry
rxdrr
rada
ha 1
22
0 22
2
0
.ln2haa
)( 1 )21( 22
0 22
2
0
22
radra
daha
2
0 0 22
22
)ln(2
draa ha
2
0ln2
2d
haa
计算
dSzyx )( 222 , 其中
(1) : 2222 azyx 在第一卦限部分.
(2) : 2222 azyx 在第一卦限和 第八卦限部分.
例 3
解
x
y
z
oa
a
a
面投影,得向将曲面 xoy
. : )1( 222 yxaz
.0 ,0 , : 222 yxayxDxy
,222 yxa
xzx
.222 yxa
yz y
dxdyyxzyxzdS yx ),(),(1 22
,222 yxa
xzx
.222 yxa
yz y
.222
dxdyyxa
a
dSzyx )( 222
dxdyyxa
ayxayxxyD
222222222 ))((
dxdyyxa
axyD
1222
3
dSzyx )( 222
.0
,2
0:
arDxy
dxdyyxa
axyD
1222
3
所以, dSzyx )( 222
drrra
daa
10 22
2
03
.2
4 a
.sin
,cos
ry
rx
x
y
z
oa
a
a
(2) : 2222 azyx 在第一卦限和第八卦限部分.
面投影,得向将曲面 yoz
. : 222 zyax
.0 , : 222 yazyDyz
,222 zya
yx y
.222 zya
zxz
x
y
z
oa a
a
dydzyxxyxxdS zy ),(),(1 22 .222
dydzzya
a
dSzyx )( 222
dydzzya
azyzyayzD
222222222 ))((
dydzzya
ayzD
1222
3
dydzyxxyxxdS zy ),(),(1 22 .222
dydzzya
a
x
y
z
oa a
a
.0
,22:
arDyz
x
y
z
oa a
a
.0
,22:
arDyz
.sin
,cos
rz
ry
dSzyx )( 222
dydzzya
ayzD
1222
3
drrra
daa
1 0 22
2
23
.4 a
例 4
解
计算 dSxyz
, 其中 是由平面 ,0x ,0y
,0z 及 1 zyx 所围成的四面体的整个边
界曲面.
.4321
x
y
z
o
1
1
11
2
3 4
.0:1 x ,0),,( xyzzyxf
.0:2 y ,0),,( xyzzyxf
dSxyzdSxyz
dSxyzdSxyzdSxyz
43
21
.0:1 x
dSxyzdSxyz
dSxyzdSxyzdSxyz
43
21
,0),,( xyzzyxf
.0:2 y ,0),,( xyzzyxf
.0:3 z ,0),,( xyzzyxf
dSxyzdSxyzdSxyzdSxyzdSxyz 4321
dSxyz 4
3
1
2
x
y
z
o
1
1
1
4
.1:4 yxz
dSxyzdSxyzdSxyzdSxyzdSxyz 4321
dSxyz 4
面投影,得向将曲面 4 xoy
.10
,10 :
xy
xDxy
,1xz .1yz
dxdyyxzyxzdS yx ),(),(1 22 . 3 dxdy
3
1
2
x
y
z
o
1
1
1
4
dSxyzdSxyz 4
dxdyyxxyXYD
3)1(
dyyxxydxx
)1( 31
0
1
0
.120
3
,1xz .1yz
dxdyyxzyxzdS yx ),(),(1 22 . 3 dxdy
3
1
2
x
y
z
o
1
1
1
4
计算
dszyx )( , 其中为平面
5zy 被柱面 2522 yx 所截得的部分.
例 5
积分曲面: yz 5 ,
解
投 影 域 :}25|),{( 22 yxyxD xy
dszyx )(故
xyD
dxdyyyx )5(2 xyD
dxdyx)5(2
rdrrd 5
0
2
0)cos5(2 .2125
dxdyzzdS yx221
dxdy2)1(01 ,2dxdy
例 6 计算 dSxyz
|| ,
其中 为抛物面 22 yxz ( 10 z ).
解 依对称性知:
被积函数 ||xyz关于xoz、yoz 坐标面对称
轴对称,关于抛物面
z
yxz 22
有
1
4 成立,(1为第一卦限部分曲面)
xy
z
dxdyzzdS yx221
dxdyyx 22 )2()2(1
原式 dSxyz
|| dSxyz
1
4
dxdyyxyxxyxyD
2222 )2()2(1)(4
其中 1|),{( 22 yxyxDxy , }0,0 yx
利用极坐标 trxcos, trysin,
rdrrrttrdt 1
0
2222
041sincos4
drrrtdt 21
0
5
0412sin2 2
令 241 ru
duu
u 25
1)
41
(41
.420
15125
计算
xdS , 其中是圆柱面 122 yx ,
平面 2xz 及 0z 所围成的空间立体的表面.
例 7
解
321
其中1:0z , 2: 2xz ,
3: 122 yx . 投影域1D: 122 yx
显然 011
D
xdxdyxdS ,
,01112
D
dxdyxxdS
讨论3时, 将投影域选在xoz上.
(注意: 21 xy 分为左、右两片)
3
xdS
31
xdS
32
xdS
(左右两片投影相同)
xzD
zx dxdzyyx 2212 xoz
xzD
dxdzx
xx
2
2
112
1
1
2
0212
x
dzdxx
x
,
xdS 00 .
计算 dSzyx )( 222
, 其中 为内接于球面
2222 azyx 的八面体 azyx |||||| 表面 .
例 8
被积函数 ),,( zyxf 222 zyx ,解关于坐标面、原点均对称 ,
积分曲面也具有对称性 ,
故原积分
1
8 ,
(其中1表示第一卦限部分曲面)
1: azyx , 即 yxaz
dxdyzzdS yx
221 dxdy3
dSzyx )( 222
1
)(8 222 dSzyx
dxdyyxayxxyD 3])([8 222
.32 4a
四、小结
2 、对面积的曲面积分的解法是将其化为投影域上
的二重积分计算 .
1 、对面积的曲面积分的概念 ;
dSzyxf ),,( iii
n
ii Sf
),,(lim
10
(按照曲面的不同情况分为三种)
思考题 在对面积的曲面积分化为二重积分的公式中 , 有因子 , 试说明这个因子的几何意义 .
221 yx zz
思考题解答
是曲面元的面积 ,dS 221
1),cos(
yx zzzn
221 yx zz 故 是曲面法线与 轴夹角的余弦的倒数 .
z
§2§2 第二型曲面积分第二型曲面积分
一、基本概念
观察以下曲面的侧 ( 假设曲面是光滑的 )
曲面分上侧和下侧 曲面分内侧和外侧
n
曲面的分类 : 1. 双侧曲面 ; 2. 单侧曲面 .
典型双侧曲面
莫比乌斯带典型单侧曲面 :
播放播放
曲面法向量的指向决定曲面的侧 .
决定了侧的曲面称为有向曲面 .
曲面的投影问题 :面在xoyS,
Σ在有向曲面 上取一小块
.
0cos0
0cos)(
0cos)(
)(
时当
时当
时当
xy
xy
xyS
.)( 表示投影区域的面积其中 xy
为上的投影 xyS)(曲面 S
二、概念的引入
实例 : 流向曲面一侧的流量 .(1) 流速场为常向量 v
,有向平面区域A,求单位
时间流过A的流体的质量(假定密度为1).
A
v
0n
A AvnvA
vA
0
cos流量
(2) 设稳定流动的不可压缩流体(假定密度为1)
的速度场由
kzyxRjzyxQizyxPzyxv
),,(),,(),,(),,(
给出,Σ是速度场中的一片有向曲面,函数),,(),,,(),,,( zyxRzyxQzyxP
Σ都在 上连续, 求在单位
Σ时间内流向 指定侧的流
体的质量.
x
y
z
o
x
y
z
o
iS ),,( iii iv
in
Σ把曲面 分成n小块 is ( is 同时也代表第i小块曲面的面积),在 is 上任取一点
),,( iii ,
1. 分割
则该点流速为 .iv
法向量为 .in
Σ该 点 处 曲 面 的 单 位 法 向 量kjin iiii
coscoscos0 ,
通过is流向指定侧的流量的近似值为).,,2,1( niSnv iii
,),,(),,(),,(
),,(
kRjQiP
vv
iiiiiiiii
iiii
2. 求和 Σ通过 流向指定侧的流量
n
iiii Snv
1
iiiii
iiii
n
iiiii
SR
QP
]cos),,(
cos),,(cos),,([1
xyiiii
xziiiiyz
n
iiiii
SR
SQSP
))(,,(
))(,,())(,,([1
3. 取极限 0 .的精确值取极限得到流量
定义 Σ设 为光滑的有向曲面, Σ函数在 上有界, Σ把 分成n块小曲面 iS ( iS 同时又表示第i块小曲面的面积), iS 在xoy面上的投影为
xyiS )( , ),,( iii 是 iS 上任意取定的一点,如果当各小块曲面的直径的最大值 0 时,
n
ixyiiii SR
10
))(,,(lim
存在,
则称此极限为函数 ),,( zyxR Σ在有向曲面 上对
坐标 yx, 的曲面积分(也称第二类曲面积分)
三、概念及性质
记作
dxdyzyxR ),,( ,即
n
ixyiiii SRdxdyzyxR
10
))(,,(lim),,(
被积函数积分曲面
类似可定义
n
iyziiii SPdydzzyxP
10
))(,,(lim),,(
n
izxiiii SQdzdxzyxQ
10
))(,,(lim),,(
存在条件 :
当 ),,(),,,(),,,( zyxRzyxQzyxP 在 有 向 光 滑 曲Σ面 上 连 续 时 , 对 坐 标 的 曲 面 积 分 存 在 .
组合形式 :
dxdyzyxRdzdxzyxQdydzzyxP ),,(),,(),,(
物理意义 :
dxdyzyxRdzdxzyxQdydzzyxP ),,(),,(),,(
性质 :
21
21
.1
RdxdyQdzdxPdydzRdxdyQdzdxPdydz
RdxdyQdzdxPdydz
dxdyzyxRdxdyzyxR
dzdxzyxQdzdxzyxQ
dydzzyxPdydzzyxP
),,(),,(
),,(),,(
),,(),,(.2
四、计算法
Σ设 积 分 曲 面 是 由方 程 ),( yxzz 所 给出 的 曲 面 上 侧 , Σ 在
xoy 面 上 的 投 影 区 域为 xyD , 函 数
),( yxzz 在 xyD 上 具有 一 阶 连 续 偏 导 数 ,被 积 函 数 ),,( zyxR 在Σ 上 连 续 .
),( yxfz
xyD
x
y
z
o
xys)(
n
ixyiiii SRdxdyzyxR
10
))(,,(lim),,(
),(
,)()(,0cos,
iii
xyxyi
z
S
又
取上侧
n
ixyiiiii
n
ixyiiii
zR
SR
10
10
)))(,(,,(lim
))(,,(lim
xyD
dxdyyxzyxRdxdyzyxR )],(,,[),,(即
,)()(,0cos, xyxyiS 取下侧若
xyD
dxdyyxzyxRdxdyzyxR )],(,,[),,(
则有给出由如果 ,),( zyxx
yzD
dydzzyzyxPdydzzyxP ],),,([),,(
则有给出由如果 ,),( xzyy
zxD
dzdxzxzyxQdzdxzyxQ ]),,(,[),,(
注意 : 对坐标的曲面积分 , 必须注意曲面所取的侧 .
例 1 计 算
xyzdxdy
Σ其 中 是 球 面
1222 zyx 外 侧
在 0,0 yx 的 部 分 .
解 两部分和分成把 21
;1: 22
11 yxz
,1: 22
22 yxz
x
y
z
2
1
12
xyzdxdyxyzdxdyxyzdxdy
xyxy DD
dxdyyxxydxdyyxxy )1(1 2222
xyD
dxdyyxxy 2212
.152
1cossin2 22 xyD
rdrdrr
例 2 计算积分
dxdyxzdzdxzydydzyx )3()()(
为球面 2222 Rzyx 取外侧.
解 对积分 dydzyx )( , 分别用 前 和
后 记前半球面和后半球面的外侧, 则有
前 : ,222 zyRx
222 : RzyDyz
后 : ,222 zyRx 222 : RzyDyz .
因此 , dydzyx )( =前 + 后 =
dydzyx )( =前 + 后 =
yzD
dydzyzyR 222 yzD
dydzyzyR 222
222
2
0 0
22sin ,cos
222 82Rzy
Rrzry
rdrrRddydzzyR
30
2
322
3
4
3
2
2
14 RrR Rr
r
对积分 dxdzzy )( , 分别用 右 和 左 记右半
球面和左半球面的外侧, 则有
右 : ,222 xzRy 222 : RzxDzx ;
左 : ,222 xzRy 222 : RzxDzx
因此 , dydzzy )( 右 +左 =
zx zxD D
dzdxzxzRdzdxzxzR 222222
222
3222
3
42
Rzx
RdzdxxzR
对积分 dxdyxz )3( , 分别用 上 和 下 记上
半球面和下半球面的外侧, 则有
上: ,222 yxRz
222 : RyxDxy ;
下:
,222 yxRx
222 : RyxDxy
因此 , dxdyxz )3( =上 + 下 =
xy xyD D
dxdyxyxRdxdyxyxR 33 222222
222
3222
3
42
Ryx
RdxdyyxR
综上 , dxdyxzdzdxzydydzyx )3()()(
3 343 4
3R R
五、两类曲面积分之间的联系
Σ设有向曲面 是由方程 ),( yxzz 给出,Σ在xoy面上的投影区域为 xyD , 函数 ),( yxzz 在 xyD
上具有一阶连续偏导数, ),,( zyxR Σ在 上连续.
对坐标的曲面积分为
xyD
dxdyyxzyxR
dxdyzyxR
)],(,,[
),,(
xyD
),( yxfz
x
y
z
o
ds
n
Σ曲面的法向量的方向余弦为
.
1
1cos
,1
cos
,1
cos
22
22
22
yx
yx
y
yx
x
zz
zz
z
zz
z
对 面 积 的 曲 面 积 分 为
xyD
dxdyyxzyxRdSzyxR )],(,,[cos),,(
所 以 dSzyxRdxdyzyxR cos),,(),,(
( 注 意 取 曲 面 的 两 侧 均 成 立 )
dSRQP
dxdyRQdzdxPdydz
)coscoscos(
两类曲面积分之间的联系
向量形式
dSAsdAdSnASdA n
或
其中 }cos,cos,{cos},,,{ nRQPA
为
Σ有向曲面上点 ),,( zyx处的单位法向量,
},,{ dxdydzdxdydzdSnSd
称为有向曲面
元,nA为向量A在n上的投影.
例 3 计算 zdxdydydzxz
)( 2 , Σ其中 是
旋转抛物面 )(21 22 yxz 介于平面 0z 及
2z 之间的部分的下侧.
解
dydzxz )( 2
有上在曲面 ,
dsxz cos)( 2
dxdyxz
coscos
)( 2
dxdyzxxz
zdxdydydzxz
]))([(
)(
2
2
xyD
dxdyyxxxyx )}(21
)(])(41
{[ 2222
xyD
dxdyyxx )](21
[ 222
2
0
2222
0)
21
cos( rdrrrd
.1
1cos,
1cos
2222 yxyx
x
.8
六、小结
1 、物理意义
2 、计算时应注意以下两点
曲面的侧
“ 一投 , 二代 , 三定号”
思考题
设 为 球 面 1222 zyx , 若 以 其
球 面 的 外 侧 为 正 侧 , 试 问 221 zxy 之 左 侧 ( 即 oy 轴 与 其 法 线 成 钝 角 的 一 侧 )
是 正 侧 吗 ? 那 么 221 zxy 的 左 侧
是 正 侧 吗 ?
思考题解答
此时 的左侧为负侧,221 zxy
而 的左侧为正侧 .221 zxy
§3 §3 高斯高斯 (Gauss)(Gauss) 公式与 公式与 斯托克斯 (stokes) 公式
设空间闭区域 Σ由分片光滑的闭曲面围成,函数),,(zyxP、),,(zyxQ、),,(zyxR在上具有一阶连续偏导数, 则有公式
RdxdyQdzdxPdydzdvzR
yQ
xP
)(
一、高 斯 公 式
dSRQP
dvzR
yQ
xP
)coscoscos(
)(
或
1. 定理 22.3
这里是的整个边界曲面的外侧, cos,cos,cos 是上点 ),,( zyx 处的法向
量的方向余弦.
证明设闭区域在面xoy上的投影区域为xyD.
x
y
z
o
由1,2和3三部分组成,),(1:1 yxzz ),(2:2 yxzz
3
1
2
3
xyD
根据三重积分的计算法
dxdydzzR
dvzR
xyD
yxz
yxz
}{),(
),(
2
1
.)]},(,,[)],(,,[{ 12 xyD
dxdyyxzyxRyxzyxR
根据曲面积分的计算法
,)],(,,[),,( 1
1
xyD
dxdyyxzyxRdxdyzyxR
(1取下侧, 2取上侧, 3取外侧)
,)],(,,[),,( 2
2
xyD
dxdyyxzyxRdxdyzyxR
,)]},(,,[)],(,,[{ 12 xyD
dxdyyxzyxRyxzyxR
dxdyzyxR ),,(于是
.0),,(3
dxdyzyxR
.),,(
dxdyzyxRdvzR
,),,(
dydzzyxPdvxP
同理
,),,(
dzdxzyxQdvyQ
RdxdyQdzdxPdydzdvzR
yQ
xP
)(
------------------ 高斯公式
和并以上三式得:
Gauss 公式的实质 表达了空间闭区域上的三重积分与其边界曲面上的曲面积分之间的关系 .
.)coscoscos(
)(
dSRQP
dvzR
yQ
xP
由两类曲面积分之间的关系知
例1 计算曲面积分xdydzzydxdyyx )()(
Σ其中为柱面 122 yx 及平面 3,0 zz 所围成的空间闭区域的整个边界曲面的外侧.
x
o
z
y1
1
3
解,
,0,)(
yxR
QxzyP
2. 简单应用 :
,0,0,
zR
yQ
zyxP
dxdydzzy )(原式
dzrdrdzr )sin(
.2
9
(利用柱面坐标得 )
x
o
z
y1
1
3
3
0
1
0
2
0)(sin rdzzrdrd
使用 Guass 公式时应注意 :
1. RQP,, 是对什么变量求偏导数;
2.是否满足高斯公式的条件;
3.Σ 是取闭曲面的外侧.
x
y
z
o
例 2 计 算 曲 面 积 分
dszyx )coscoscos( 222
, Σ其 中 为
锥 面 222 zyx 介 于 平 面
0z 及 )0( hhz
之 间 的 部 分 的 下 侧 ,
cos,cos,cos
Σ是 在 ),,( zyx 处
的 法 向 量 的 方 向 余 弦 .
h
xyD
x
y
z
o
h1
解 空间曲面在 面上的投影域为xoy xyD
)(: 2221 hyxhz 补充
曲面不是封闭曲面 , 为利用高斯公式
取上侧,1
构成封闭曲面,1
.1 围成空间区域
,上使用高斯公式在
dvzyx
dSzyx
)(2
)coscoscos(1
222
xyD
h
yxdzzyxdxdy
22,)(2
}.|),{( 222 hyxyxDxy 其中
xyD
h
yxdzyxdxdy
22,0)(
xyD
dxdyyxh
dSzyx
)(
)coscoscos(
222
222
1
.21 4h
11
2222 )coscoscos( dSzdSzyx
xyD
dxdyh2 .4h
故所求积分为
dSzyx )coscoscos( 222
4
21
h 4h .21 4h
设 有 向 量 场kzyxRjzyxQizyxPzyxA
),,(),,(),,(),,(
Σ沿场中某一有向曲面 的第二类曲面积分为
(1). 通量的定义 :
RdxdyQdzdxPdydz
dSnASdA 0
称为向量场 ),,( zyxA
Σ向正侧穿过曲面的通量.
3. 物理意义 :
设有向量场 ),,( zyxA
,在场内作包围点M的闭曲面,包围的区域为V,记体积为V.若当V收缩成点M时,
极限V
SdA
MV
lim 存在,
则称此极限值为A在点M处的散度, 记为Adiv
.
(2). 散度的定义 :
散度在直角坐标系下的形式
dSvdvzR
yQ
xP
n)(
dSvV
dvzR
yQ
xP
V n
1)(
1
dSvVz
RyQ
xP
n
1)( ),,(
dSvVz
RyQ
xP
nM
1lim
积分中值定理 ,
两边取极限 ,
zR
yQ
xP
Adiv
高斯公式可写成
dSAdvAdiv n
)coscoscos( 0 RQPnAAn
的边界曲面,是空间闭区域其中
.的外侧法向量上的投影在曲面是向量 AAn
定理 设 为分段光滑的空间有向闭曲线, 是以
为边界的分片光滑的有向曲面, 的正向与 的侧符
合右手规则, 函数 ),,( zyxP , ),,( zyxQ , ),,( zyxR 在
包含曲面 在内的一个空间区域内具有一阶连续偏导
数, 则有公式
二、斯托克斯 (stokes)公式
dxdyyP
xQ
dzdxxR
zPdydz
zQ
yR )()()(
RdzQdyPdx ---- 斯托克斯公式
1. 定理 22.4
(2)
证明思路曲面积分 二重积分 曲线积分
RdzQdyPdx
RQPzyx
dxdydzdxdydz
便于记忆形式
RdzQdyPdxds
RQPzyx
coscoscos
或
}.cos,cos,{cos n其中
Stokes 公式的实质 :
表达了有向曲面上的曲面积分与其边界曲线上
的曲线积分之间的关系 .
斯托克斯公式 格林公式特殊情形
( Σ当 是xoy面的平面闭区域时)
}.1 ,0 ,0{}cos,cos,{cos n此时,
证 先证 dxdy
y
Pdzdx
z
P
S
= L
Pdx ( 3 )
其中曲面 S由方程 yxzz , 确定,它的正侧法线方向数为 1,, yx zz ,方向余弦为 cos,cos,cos ,所以
cos
cos
x
z
cos
cos
y
z
若 S在平面上投影区域为 xyD , L在平面上的投影曲线为.现由第二型曲线积分的定义及格林公式有
L
dxzyxP ,, =
dxyxzyxP ,,,
xyD
dxdyyxzyxPy
,,,=
因为 yxzyxPy
,,,
=y
z
z
P
y
P
所以
xyD
dxdyyxzyxPy
,,,
dxdyy
z
z
P
y
P
S
=
由于
cos
cos
y
z,从而
dxdyy
z
z
P
y
P
S
= dxdyz
P
y
P
S
cos
cos
coscoscos
dxdy
z
P
y
P
S
=
dSz
P
y
P
S
coscos dxdyy
Pdzdx
z
P
S
= =
综合上述结果,便得所要证明的( 3 )式.同样对于曲面 S表示为 zyxx , 和 xzyy ,
时,可证得
dydzz
Qdxdy
x
Q
S
L
Qdy ( 4 ) =
dzdxx
Rdydz
y
R
S
L
Rdz= ( 5 )
将( 3 ),( 4 ),( 5 )三式相加即得( 2 )式.
例 1 计算曲线积分 ydzxdyzdx ,
其中是平面 1 zyx 被三坐标面所截成的
三角形的整个边界,它的正向与这个三角形上侧
的法向量之间符合右手规则.
解 按斯托克斯公式 , 有
dzyxdyzdx
dxdydzdxdydz
弦都为正,的法向量的三个方向余由于
o
x
y
z
n
1
1
1
1. 简单应用 :
o
x
y
z
n
1
1
1解 按斯托克斯公式 , 有
dzyxdyzdx
dxdydzdxdydz
弦都为正,的法向量的三个方向余由于
再由对称性知:
xyD
d3x
y
o 1
xyD
1dzyxdyzdx
dxdydzdxdydz
.23
例 2 计算曲线积分
dzyxdyxzdxzy )()()( 222222
其中 是平面 23 zyx 截立方体:
10 x , 10 y , 10 z 的表面所得的截
痕,若从 ox轴的正向看去,取逆时针方向.
解 Σ取 为平面23 zyx
的上侧被 所围成的部分.
则单位法向量
}.1 ,1 ,1{3
1 no
x
y
z
11
1
解 Σ取 为平面23 zyx
的上侧被 所围成的部分.
则单位法向量
}.1 ,1 ,1{3
1 n
o
x
y
z
11
1
即 ,3
1coscoscos
dS
yxxzzy
zyxI
222222
31
31
31
由斯托克斯公式
dSzyx )(3
4
xyD
dxdy323
34
.29
即 ,3
1coscoscos
dS
yxxzzy
zyxI
222222
31
31
31
由斯托克斯公式
o x
y
21
21
23 yx
21 yx
; 3 dxdydS
;, xyD得投影
三代:
二换:一投:
.23 zyx
8121
xyDS .43
定理 22.5 设 3R 为空间单连通区域.若函数在上连续,且有一阶连续偏导数,则以下四个条件是等价的:
ⅰ( )对于内任一按段光滑的封闭曲线 L,有
L
RdzQdyPdx=0;
ⅱ( )对于内任一按段光滑的曲线 L,曲线
积分 L
RdzQdyPdx与路线无关.只与 L的起点
及终点有关; (ⅲ ) RdzQdyPdx 是内某一函数u的全微分,
即 du RdzQdyPdx ;
空间曲线积分与路线的无关性
ⅳ( ) x
Q
y
P
, y
R
z
Q
, z
P
x
R
在内处处成立.
例 3 验证曲线积分 L
dzyxdyxzdxzy
与路线无关 , 并求被求表达式的原函数 zyxu ,,.
解 由于 zyP , xzQ ,yxR
1P Q Q R R P
y x z y x z
所以曲线积分与路线无关.现求
zyxu ,, =
MM
dzyxdyxzdxzy0
x
x
dszy0
00
y
y
dtxz0
0
z
z
dryx0
= + +
= 000000 zzyxyyxzxxzy
000000 zyzxyxyzzxxy =
取 0000 zyx ,
即取 0M 为原点,则
zyxu ,, = yzzxxy .
三、小结
dSAdvAdiv n
3 、应用的条件
4 、物理意义
2 、高斯公式的实质
1 、高斯公式
RdxdyQdzdxPdydzdvzR
yQ
xP
)(
6, 斯托克斯公式成立的条件
5, 斯托克斯公式
RdzQdyPdx
RQPzyx
dxdydzdxdydz
ds
RQPzyx
coscoscos
思考题解答
曲面应是分片光滑的闭曲面 .
思考题
曲面应满足什么条件才能使高斯公式成立?
曲线积分与曲面积分习题课
(一)曲线积分与曲面积分
(二)各种积分之间的联系
(三)场论初步
一、主要内容
曲线积分
曲线积分
曲面积分
曲面积分
对面积的曲面积分对面积的曲面积分
对坐标的曲面积分对坐标的曲面积分
对弧长的曲线积分对弧长的曲线积分
对坐标的曲线积分对坐标的曲线积分
定义定义
计算计算
定义定义
计算计算
联系联系
联系联系
(一)曲线积分与曲面积分
曲 线 积 分对弧长的曲线积分 对坐标的曲线积分
定义
n
iiiiL
sfdsyxf1
0),(lim),(
L
dyyxQdxyxP ),(),(
]),(),([lim1
0iii
n
iiii yQxP
联系 dsQPQdyPdx
LL)coscos(
计
算
dtf
dsyxfL
22],[
),(
三代一定 )(
dtQP
QdyPdxL
]),(),([
二代一定 ( 与方向有关 )
与路径无关的四个等价命题
条件
在单连通开区域 D 上 ),(),,( yxQyxP 具有
连续的一阶偏导数 ,则以下四个命题成立 .
L
QdyPdxD 与路径无关内在)1(
C
DCQdyPdx 闭曲线,0)2(
QdyPdxduyxUD 使内存在在 ),()3(
xQ
yP
D
,)4( 内在
等
价
命
题
曲 面 积 分对面积的曲面积分 对坐标的曲面积分
定义
n
iiiii sfdszyxf
10
),,(lim),,(
xyi
n
iiii SRdxdyzyxR )(),,(lim),,(
10
联系
RdxdyQdzdxPdydz
计
算 一代 , 二换 , 三投 ( 与侧无关 )
一代 , 二投 , 三定向 ( 与侧有关 )
dSRQP )coscoscos(
dszyxf ),,(
xyD
yx dxdyzzyxzyxf 221)],(,,[
dxdyzyxR ),,(
xyD
dxdyyxzyxR )],(,,[
定积分曲线积分
重积分曲面积分
计算
计算计算
Green 公式Stokes 公式
Guass 公式
(二)各种积分之间的联系
点函数)(,)(lim)(1
0MfMfdMf
n
ii
.)()(
,],[1
b
adxxfdMf
baR
时上区间当
.),()(
,2
D
dyxfdMf
DR
时上区域当
积分概念的联系
定积分
二重积分
dVzyxfdMf
R
),,()(
,3
时上区域当
.),,()(
,3
dszyxfdMf
R
时上空间曲线当
.),,()(
,3
S
dSzyxfdMf
SR
时上曲面当曲面积分
曲线积分
三重积分
.),()(
,2
LdsyxfdMf
LR
时上平面曲线当曲线积分
计算上的联系
)(,]),([),()(
)(
2
1
面元素 ddxdyyxfdyxfb
a
xy
xyD
)(,),,(),,()(
)(
),(
),(
2
1
2
1
体元素dVdzzyxfdydxdVzyxfb
a
xy
xy
yxz
yxz
b
aLdsdxyxyxfdsyxf ))((,1)](,[),( 2 曲线元素
b
aLdxdxxyxfdxyxf ))((,)](,[),( 投影线元素
xyD
yx dxdyzzyxzyxfdszyxf 221)],(,,[),,(
xyD
dxdyyxzyxfdxdyzyxR )],(,,[),,(
其中
dsRQP
dxdyRQdzdxPdydz
)coscoscos(
dsQPQdyPdxL
)coscos(
))(( 曲面元素ds
))(( 投影面元素dxdy
理论上的联系1. 定积分与不定积分的联系
))()(()()()( xfxFaFbFdxxfb
a
牛顿 --莱布尼茨公式
2. 二重积分与曲线积分的联系
)()( 的正向沿LQdyPdxdxdyyP
xQ
LD
格林公式
3. 三重积分与曲面积分的联系
RdxdyQdzdxPdydzdvzR
yQ
xP
)(
高斯公式4. 曲面积分与曲线积分的联系
dxdyy
P
x
Qdzdx
x
R
z
Pdydz
z
Q
y
R)()()(
RdzQdyPdx 斯托克斯公式
D
LdxdykArotsdA )(
D
LdxdyAdivdsnA
)(
Green公式 ,Guass 公式 ,Stokes公式之间的关系
dSnArotdSA )(
RQPzyx
dxdydzdxdydz
RdzQdyPdx
dvAdivdsnA
)(
dvzR
yQ
xP
RdxdyQdzdxPdydz
)(
D
Ldxdy
yP
xQ
QdyPdx )(
D
Ldxdy
yQ
xP
PdyQdx )(或
推广 推广
为平面向量场)(MA
为空间向量场)(MA
梯度 kzu
jyu
ixu
gradu
通量
旋度
环流量zR
yQ
xP
Adiv
RdxdyQdzdxPdydz
kyP
xQ
jxR
zP
izQ
yR
Arot
)()()(
RdzQdyPdx
散度
(三)场论初步
例1 计算 L
dyyxdxxyxI )()2( 422 ,
其中L为由点 )0,0(O 到点 )1,1(A 的曲线 xy2
sin
.
思路 : L
QdyPdxI
xQ
yP
xQ
yP
0 L
QdyPdxI
),(
),( 00
yx
yxQdyPdxI
闭合
非闭 闭合
D
dxdyyP
xQ
I )(
非闭 补充曲线或用公式
二、典型例题
解
xxyxyy
P2)2( 2
知
xyxxx
Q2)( 42
,xQ
yP
即
1
0
41
0
2 )1( dyydxx故原式 .1523
x
y
o 1
1 A
dyyxdxxyxI )()2( 422由
例 2 计 算
L
xx dymyedxmyyeI )cos()sin( ,
其 中 L 为 由 点 )0,( a 到 点 )0,0( 的 上 半 圆 周
0,22 yaxyx .
解 myemyyeyy
P xx
cos)sin(
yemyexx
Q xx cos)cos(
xQ
yP
即 (如下图 )
x
y
o )0,(aA
M
dxdyyP
xQ
DAMOA
)(
D
dxdym ,8
2am
0)(00
medx xa
AO,0
08
2 am
.8
2am
AMOA AOAOAOL
I
AMOA AO
I
曲面面积的计算法
S
Dxy
),( yxfz
x
yo
z
dSS
xyD
yx dxdyzz 221
dsyxfSBAL
),(),(
dxyyxfb
a 21),(
z
x
oy
),( yxfz
s
LA
Ba
b
曲顶柱体的表面积
L
D
yx
dsyxf
dffS
),(
)11( 22
x
z
yo
),( yxfz
L
D
如图曲顶柱体,
例 3 求柱面 132
32
yx 在球面 1222 zyx 内
的侧面积.
解 由对称性
L
L
dsyx
zdsS
221
8
,1: 3
2
3
2
yxL )2
0(,sin
,cos3
3
t
ty
tx参数方程为
,cossin3)()( 22 tdttdtyxds tt
tdttttS cossin3sincos18 2
0
66
tdtttt cossincossin324 2
0
22
2
0
22 cossin324 tdtt .2
33
.在第一卦限部分的上侧为平面为连续函数其中
计算
1
,),,(,]),,([
]),,(2[]),,([
zyx
zyxfdxdyzzyxf
dzdxyzyxfdydzxzyxfI
例4
x
yo
z1
11
解 利用两类曲面积分之间的关系
},1,1,1{ n
的法向量为
.3
1cos,
3
1cos,
3
1cos
dszzyxfyzyxf
xzyxfI
]}),,([3
1]),,(2[
3
1
]),,([3
1{
dszyx )(3
1
xyD
dxdy313
1.
21
向量点积法 ,1,,),,(: yx ffyxfz 法向量为设
RdxdyQdzdxPdydzI
dxdyffRQP yx }1,,{},,{
dsnA 0},,{},,{
dxdydzdxdydzRQP
.}1,,{},,{ dxdyffRQPxoy yx
面投影在将
所截部分的外侧.被平面锥面
为其中计算
2,1
,
22
2
zzyxz
dxdyzxdzdxydydzI例5
解
,
,
22
22
yx
yf
yx
xf
y
x
D
利用向量点积法
2
1
22
0rdrrd .
215
dxdyz2
xyD
dxdyyx )( 22
dxdyyx
y
yx
xzxyI
1,,,,2222
2
]41:[ 22 yxDxy
例6 计算曲面积分yzdxdydzdxyxdydzyI 4)1(2)18(
2
,
其中是由曲线 )31(0
1
yx
yz 绕y轴旋转一周
所成的曲面,它的法向量与y轴正向的夹角恒大于2.
解
221
0
1
xzy
yx
yz
轴旋转面方程为绕
(如下图 )
x
y
z
o 1 3
2
*
* *
I且有
dxdydzzR
yQ
xP
)(*
dxdydzyyy )4418(
yzdxdydzdxyxdydzyI 4)1(2)18(2
欲求
dv
xzDxz
dydxdz3
1 22
3
1
2
0
2
0 2dydd
2
0
3 )2(2 d ,2
* *
2 )31(2 dzdx ,32
)32(2 I故 .34
.2,1
, .7 22
22
外侧所围成立体整个表面的和
为锥面其中计算
zz
yxzdxdyyx
e z
解 ,,0,022 yx
eRQP
z
由高斯公式得到
dxdyyx
e z
22
dvyx
e z
)00(22
rdrr
dzedz
z
0
2
1
2
0
1 .2 2e
zD
z
dxdyyx
edz
22
2
1
):( 222 zyxDz
O
2
x
z
y3
2
1 ( cos cos cos ) ,
3
cos ,cos ,cos
.
V x y z ds
证明封闭曲面 所包围的体积为
其中 是曲面 的外法向量的方向余弦
证明 ,,, zRyQxP
dszyx )coscoscos(
dvzR
yQ
xP
)(
dv3
.)coscoscos(31
dszyxV 所以
.3V
由高斯公式,得到
例 8
.
, .9
222 的上侧
是上半球面其中计算
yxRz
xzdydz
解 . 222
1 的下侧平面上的圆域是设 RyxxOy
, 0,0, RQxzP
1
xzdydz
dvxz
x)]([
zdxdydz
drrddR
sincos 2
0
2
0
2
0 .4
4R
xzdydz 所以 1
xzdydz
1
xzdydz
04
4 R
)( 01
xzdydz.4
4R
由高斯公式,得到
.
)0(
)()()( .10
22
外侧空间区域的整个边界的
所围成的及平面为曲面其中
计算
hhzyxz
dxdyyxdzdxxzdydzzy
解1 上的部分上侧为在记 hz
上:在 22 yxz
.)(0
)(0
)(0
)(0
5
4
3
2
为左侧的部分,为右侧的部分,为后侧的部分,为前侧的部分
y
y
x
x
4
y
1
5
2
x
z
O
3
dydzzy )( dydzzy
1 2 3
)(
;0)()(0 yzyz DD
dydzzydydzzy
同理可得 ;0)(
dzdxxz
而 ydxdyx
)(
321
)()( dxdyyxdxdyyx
.0)()( xyxy DD
dxdyyxdxdyyx
.0)()()( dxdyyxdzdxxzdydzzy所以
(或由高斯公式得到所求积分值为 0 )
4
y
1
5
2
x
z
O
3
一 、 选 择 题 :
1、 设 L 为2
30,0 yxx , 则 L
ds4 的 值 为 ( ) .
( A) 04 x , ( B) ,6 ( C) 06 x .2、 设 L 为 直 线 0yy 上 从 点 ),0( 0yA 到 点 ),3( 0yB 的
有 向 直 线 段 , 则 Ldy2 =( ) .
( A) 6; ( B) 06 y ; ( C) 0.
3、 若 L 是 上 半 椭 圆
,sin
,cos
tby
tax取 顺 时 针 方 向 , 则
L
xdyydx 的 值 为 ( ) .
( A) 0; ( B) ab2
; ( C) ab .
测 验 题
4 、 设 ),(,),( yxQyxP 在 单 连 通 区 域 D 内 有 一 阶 连 续 偏 导 数 , 则 在 D 内 与
LQdyPdx 路 径 无 关 的 条 件
Dyxy
P
x
Q
),(, 是 ( ) .
( A ) 充 分 条 件 ; ( B ) 必 要 条 件 ; ( C ) 充 要 条 件 .5 、 设 为 球 面 1222 zyx , 1 为 其 上 半 球 面 , 则 ( ) 式 正 确 .
( A )
1
2 zdszds ;
( B )
1
2 zdxdyzdxdy ;
( C )
1
22 2 dxdyzdxdyz .
6 、 若 为 )(2 22 yxz 在 xoy 面 上 方 部 分 的 曲 面 ,
则
ds 等 于 ( ) .
( A ) r
rdrrd0
22
041
; ( B )
2
0
22
041 rdrrd
;
( C ) 2
0
22
041 rdrrd
.
7 、 若 为 球 面 2222 Rzyx 的 外 侧 , 则
zdxdyyx 22 等 于 ( ) .
( A ) xyD
dxdyyxRyx 22222 ;
( B ) 2 xyD
dxdyyxRyx 22222 ; ( C ) 0 .
8、曲面积分
dxdyz2 在数值上等于( ).
(A) 向量iz2穿过曲面的流量;(B) 面密度为2z的曲面的质量;(C) 向量kz2穿过曲面的流量 .9 、 设 是 球 面 2222 Rzyx 的 外 侧 , xyD 是 xoy 面 上 的 圆 域 222 Ryx , 下 述 等 式 正 确 的 是 ( ) .
( A ) xyD
dxdyyxRyxzdsyx 2222222 ;
( B ) xyD
dxdyyxdxdyyx )()( 2222 ;
( C ) xyD
dxdyyxRzdxdy 2222 .
1 0 、 若 是 空 间 区 域 的 外 表 面 , 下 述 计 算 中 运 用 奥 - 高 公 式 正 确 的 是 ( ) . ( A )
外侧
dxdyyzdydzx )2(2
=
dxdydzx )22( ;
( B )
外侧
zdxdyydzdxxdydzyzx 23 2)(
= dxdydzxx )123( 22 ;
( C )
内侧
dxdyyzdydzx )2(2
=
dxdydzx )12( .
二 、 计 算 下 列 各 题 :
1 、 求 zds , 其 中 为 曲 线
,
,sin
,cos
tz
tty
ttx
)0( 0tt ;
2 、 求 L
xx dyyedxyye )2cos()2sin( , 其 中 L 为 上
半 圆 周 222)( ayax , 0y , 沿 逆 时 针 方 向 .
三 、 计 算 下 列 各 题 :
1 、 求 222 zyx
ds其 中 是 界 于 平 面 Hzz 及0
之 间 的 圆 柱 面 222 Ryx ;
2 、 求
dxdyyxdzdxxzdydzzy )()()( 222 ,
其 中 为 锥 面 )0(22 hzyxz 的 外 侧 ;
3 、
3222 )( zyx
zdxdyydzdxxdydz其 中 为 曲 面
9)1(
16)2(
51
22
yxz)0( z 的 上 侧 .
四 、 证 明 : 22 yx
ydyxdx
在 整 个 xoy 平 面 除 去 y 的 负 半 轴 及
原 点 的 开 区 域 G 内 是 某 个 二 元 函 数 的 全 微 分 , 并求 出 一 个 这 样 的 二 元 函 数 .
五 、 求 均 匀 曲 面 222 yxaz 的 重 心 的 坐 标 .
六、求向量 kzjyixA 通过区域: ,10 x10,10 zy 的边界曲面流向外侧的通量 .
七、流体在空间流动,流体的密度处处相同( 1 ), 已知流速函数 kzyjyxixzV 222 ,求流体在单位时间内流过曲面 zzyx 2: 222 的流量(流向外侧)和沿曲线:L zzyx 2222 , 1z 的环流量(从z轴正向看去逆时针方向) .
测验题答案
一、1、B; 2、C; 3、C; 4、C; 5、B; 6、C; 7、B; 8、C; 9、C; 10、B.
二、1、3
22)2( 2
320 t
; 2、 2a .
三、1、RH
arctan2 ; 2、 4
4h
; 3、0.
四、 )ln(21
),( 22 yxyxu .
五、 )2
,0,0(a
. 六、3.
七、 0,1532 .