生命的最大用处时将其用在更长久的地方上

——威廉·詹姆斯

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引言

先理一下积分区域与各个积分之间的关系:

积分区域 积分学
直线区间 定积分
平面区域 二重积分
空间区域 三重积分
曲线弧段 曲线积分
曲面区域 曲面积分

在不同区域内做的积分,各不相同却又相互联系。

曲线积分

用物理学来理解的话,就是求一个细长线的质量,如果密度为一的话,那就是线的长度了

对弧长的曲线积分

(第一类曲线积分)

弧长·积分

条件是:L光滑,f(x,y)有界,点在线上。如图,定义曲线积分为:

Lf(x,y)ds=limλ0i=1nf(ξi,ηi)Δsi\int_{L} f(x, y) d s=\lim _{\lambda \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} f\left(\xi_{i}, \eta_{i}\right) \Delta s_{i}

L称为积分弧段,ds称为弧长元素,当曲线封闭时这样写:f(x,y)ds\color{blue}\oint f(x,y)ds

性质

  1. 线性和

L(αf+βg)ds=αLfds+βLgds\int_{L}(\alpha f+\beta g) d s=\alpha \int_{L} f d s+\beta \int_{L} g d s

  1. 分段和

Lf(x,y)ds=L1f(x,y)ds+L2f(x,y)ds\int_{L} f(x, y) d s=\int_{L_{1}} f(x, y) d s+\int_{L_{2}} f(x, y) d s

  1. 保号性

Lf(x,y)dsLg(x,y)ds{f(x,y)g(x,y)}\int_{L} f(x, y) d s \geq \int_{L} g(x, y) d s \qquad \{\color{blue}f(x,y)\ge g(x,y) \}

  1. 对称性

曲线关于y轴对称,函数关于x为奇函数,值为零偶函数,值倍之

关于x轴对称,…

计算法

参数方程:用一个独立变量的函数来表示xyz等变量,组成的方程称为参数方程。

定义法

设平面曲线 LL 的参数方程为 {x=ϕ(t)y=ψ(t)\left\{\begin{array}{l}x=\phi(t) \\ y=\psi(t)\end{array}\right., 其 中 atba \leqslant t \leqslant b, 则弧长元素ds=ϕ(t)2+ψ(t)2dtd s=\sqrt{\phi^{\prime}(t)^{2}+\psi^{\prime}(t)^{2}} dt,得到计算公式:

Lf(x,y)ds=abf(ϕ(t),ψ(t))ϕ(t)2+ψ(t)2dt\int_{L} f(x, y) d s=\int_{a}^{b} f(\phi(t), \psi(t)) \sqrt{\phi^{\prime}(t)^{2}+\psi^{\prime}(t)^{2}} d t

对于三维情形{x=ϕ(t)y=ψ(t)(atb)z=ζ(t)\left\{\begin{array}{l}x=\phi(t) \\ y=\psi(t) \quad(a \leq t \leq b) \\ z=\zeta(t)\end{array}\right. 则有:

Lf(x,y,z)ds=abf(ϕ(t),ψ(t),ζ(t))ϕ(t)2+ψ(t)2+ζ(t)2dt\int_L f(x,y,z)ds=\int_{a}^{b} f(\phi(t), \psi(t), \zeta(t)) \sqrt{\phi^{\prime}(t)^{2}+\psi^{\prime}(t)^{2}+\zeta^{\prime}(t)^{2}} d t

特殊情况:
  1. 当曲线方程为 y=ψ(x) (axb)y=\psi(x) \ (a\le x\le b)时有:

Lf(x,y)ds=abf[x,ψ(x)]1+ψ(x)2dx\int_{L} f(x, y) d s=\int_{a}^{b} f[x, \psi(x)] \sqrt{1+\psi^{\prime}(x)^{2}} d x

  1. 当曲线方程为 x=ϕ(y) (ayb)x=\phi(y) \ (a\le y\le b)时有:

Lf(x,y)ds=abf[ϕ(y),y]ϕ(y)2+1dy\int_{L} f(x, y) d s=\int_{a}^{b} f[\phi(y), y] \sqrt{\phi^{\prime}(y)^{2}+1} d y

对坐标的曲线积分

(第二类曲线积分)

坐标·积分

可以类比为力沿着曲线做功[1],条件就是曲线光滑有界点在线上,分别沿x轴与沿着y轴进行积分,可以得到两个公式:

LP(x,y)dx=limλ0i=1nP(ξi,ηi)ΔxiLP(x,y)dy=limλ0i=1nP(ξi,ηi)Δyi\int_{L} P(x, y) d x=\lim _{\lambda \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} P\left(\xi_{i}, \eta_{i}\right) \Delta x_{i}\\ \int_{L} P(x, y) d y=\lim _{\lambda \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} P\left(\xi_{i}, \eta_{i}\right) \Delta y_{i}

性质

  1. (线性和) 设 α\alphaβ\beta 为常数, 则

L(αP1+βP2)dx=αLP1dx+βLP2dx\int_{L}\left(\alpha P_{1}+\beta P_{2}\right) d x=\alpha \int_{L} P_{1} d x+\beta \int_{L} P_{2} d x

  1. (分段和) 将有向曲线弧 LL 分成 L1L_{1}L2L_{2}, 则

LP(x,y)dx=L1P(x,y)dx+L2P(x,y)dx\int_{L} P(x, y) d x=\int_{L_{1}} P(x, y) d x+\int_{L_{2}} P(x, y) d x

  1. (方向性)设L1L^{-1}LL的反向曲线弧,则

LP(x,y)dx=LP(x,y)dx\int_{L^-}P(x,y)dx=-\int_{L}P(x,y)dx

计算法

跟第一类的相似,不同的是t有了方向(单调)性(aba\to b),此时dx=ϕ(t)dt, dy=ψ(t)dt\mathrm{d} x=\phi^{\prime}(t) \mathrm{d} t, \quad \mathrm{~d} y=\psi^{\prime}(t) \mathrm{d} t

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=ab[P(ϕ(t),ψ(t))ϕ(t)+Q(ϕ(t),ψ(t))ψ(t)]dt\begin{aligned} &\int_{L} P(x, y) d x+Q(x, y) d y \\ &=\int_{a}^{b}\left[P(\phi(t), \psi(t)) \phi^{\prime}(t)+Q(\phi(t), \psi(t)) \psi^{\prime}(t)\right] d t \end{aligned}

特殊情况:当 y=ψx,(x:ab)\color{red} y= \psi{x},(x:a \to b)

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=ab[P(x,ψ(x))+Q(x,ψ(x))ψ(x)]dx\begin{aligned} &\int_{L} P(x, y) d x +Q(x, y) d y \\ &=\int_{a}^{b}\left[ P({\color{red}x, \psi(x)})+Q({\color{red}x, \psi(x)}) \psi^{\prime}({\color{red}x})\right] d x \end{aligned}

🔗两类曲线积分之间的联系

设有向曲线弧 LL 的参数方程为x=ϕ(t),y=ψ(t),t 从 a 到 b,a<bx=\phi(t), y=\psi(t), \quad t \text { 从 } a \text { 到 } b, a<b,则有:

LPdx+Qdy=ab[Pϕ(t)+Qψ(t)]dt=ab[Pϕϕ2+ψ2+Qψϕ2+ψ2]ϕ2+ψ2dt=L(Pcosα+Qcosβ)ds\begin{aligned} & \int_{L} P d x+Q d y=\int_{a}^{b}\left[P \phi^{\prime}(t)+Q \psi^{\prime}(t)\right] d t \\ =& \int_{a}^{b}\left[\frac{P \cdot \phi^{\prime}}{\sqrt{\phi^{\prime 2}+\psi^{\prime 2}}}+\frac{Q \psi^{\prime}}{\sqrt{\phi^{\prime 2}+\psi^{\prime 2}}}\right] \cdot \sqrt{\phi^{\prime 2}+\psi^{\prime 2}} d t \\ =& \int_{L}(P \cos \alpha+Q \cos \beta) d s \end{aligned}

格林公式

D(QxPy)dxdy=LPdx+Qdy\iint_{D}\left(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\right) d x d y=\int_{L} P d x+Q d y

即:在平面闭区域D上的二重积分可以通过沿闭区域D的边界曲线L 上的曲线积分来表达.利用这个公式也可以计算闭区域D的面积。

**定理:**设 GG 是单连通区域, 函数 P(x,y),Q(x,y)P(x, y), Q(x, y)GG 内具有一阶连续偏导数, 则下述等价:

  1. GG 内的曲线积分 LPdx+Qdy\int_{L} P d x+Q d y 与路径无关。
  2. GG 内的闭曲线积分 CPdx+Qdy\oint_{C} P d x+Q d y 恒为零。
  3. GGQx=Py\frac{\partial Q}{\partial x}=\frac{ \partial P}{\partial y} 恒成立。
  4. GG 内存在 u(x,y)u(x, y), 使得 du=Pdx+Qdyd u=P d x+Q d y

曲面积分

还用物理学来理解的话,就是求一个无限薄的板的质量,如果面密度为一的话,那就是板的面积了

对面积的曲面积分

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定义 f(x,y,z)f(x, y, z)Σ\Sigma 上对面积的曲面积分

Σf(x,y,z)dS=limλ0i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\iint_{\Sigma} f(x, y, z) \mathrm{d} S=\lim _{\lambda \rightarrow 0} \sum_{i=1}^{n} f\left(\xi_{i}, \eta_{i}, \zeta_{i}\right) \Delta S_{i}

其中 \sum 称为积分曲面, dS\mathrm{d} S 称为面积元素.

性质

  1. 线性和

(αf+βg) dS=αf dS+βg dS\iint_{\sum}(\alpha f+\beta g)\ d S=\alpha \iint_{\sum} f\ d S+\beta \iint_{\sum} g\ d S

  1. 分片和

f dS=1f dS+2f dS\iint_{\sum} f\ d S=\iint_{\sum_{1}} f\ d S+\iint_{\sum_{2}} f\ d S

  1. 保号性

f(x,y,z) dSg(x,y,z) dS{f(x,y,z)g(x,y,z)}\iint_{\sum} f(x, y,z)\ d S \geq \iint_{\sum} g(x, y,z)\ d S \qquad \{\color{blue}f(x,y,z)\ge g(x,y,z) \}

  1. 对称性

曲面关于xOyxOy面对称,函数关于z为奇函数,值为零偶函数,值倍之

关于x轴对称,…

计算法

设曲面 Σ\Sigma 的方程为 z=z(x,y)z=z(x, y), 它在 xOyx O y 面的投影 区域为 DxyD_{x y}. 则对曲面的面积积分可以化为二重积分:

Σf(x,y,z)dS=Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2(x,y)+zy2(x,y)dxdy\begin{aligned} & \iint_{\Sigma} f(x, y, z) d S \\ =& \iint_{D_{x y}} f(x, y, z(x, y)) \sqrt{1+z_{x}^{2}(x, y)+z_{y}^{2}(x, y)} d x d y \end{aligned}

对坐标的曲面积分

ΣPdydz+ΣQdzdx+ΣRdxdy\iint_{\Sigma} P d y d z+\iint_{\Sigma} Q d z d x+\iint_{\Sigma} R d x d y

🔗两类曲面积分之间的联系

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Σ(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS\begin{aligned} &\iint_{\Sigma} P d y d z +Q d z d x+R d x d y \\ &=\iint_{\Sigma}(P \cos \alpha+Q \cos \beta+R \cos \gamma) d S \end{aligned}

高斯公式

设空间闭区域 Ω\Omega 是由分片光滑 的闭曲面 \sum 所围成, 函数 P(x,y,z),Q(x,y,z,P(x, y, z), Q(x, y, z,, 和 R(x,y,z)R(x, y, z)Ω\Omega 上具有一阶连续偏导数, 则有

Ω(Px+Qy+Rz)dv=ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Σ(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS\begin{aligned} \iiint_{\Omega}&\left(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}\right) d v \\ &=\iint_{\Sigma} P d y d z+Q d z d x+R d x d y \\ &=\iint_{\Sigma}(P \cos \alpha+Q \cos \beta+R \cos \gamma) d S \end{aligned}

其中有向曲面 Σ\SigmaΩ\Omega 的整个边界曲面的外侧.


  1. 设有向曲线弧 LL 的起点为 A(xA,yA)A\left(x_{A}, y_{A}\right), 终点为 B(xB,yB)B\left(x_{B}, y_{B}\right), 则 L1dx=xBxA,L1dy=yByA\int_{L} 1 d x=x_{B}-x_{A}, \int_{L} 1 d y=y_{B}-y_{A}. ↩︎