张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
rui [at] ustc [dot] edu [dot] cn |
第二型曲线与曲面积分与第一型的区别在于,曲线与曲面是有方向的。
问题. 空间域中力场, ,为光滑曲线。质点沿运动,求力对它做的功。
把分为小段。 在第段上任取一点,则力在第段上近似为常值。 力做功的近似为,其中 指向质点运动的方向。 |
把这些做功的近似值相加,并让分割的长度趋于0,就可以得到力场所做的总功。
因此,有必要明确曲线的方向。
定义 1.
规定了方向的曲线就是定向曲线,它有起点和终点。
若有参数方程
记, 。
若是封闭曲线。 习惯上,称逆时针方向为正方向。
此时,围成的区域在行进方向的左边。定义 2.
为中定向曲线,为上点的向量,为上的向量场。
用分点将分成段,记第段弧的长为。 令, 任取第段弧上的点,作Riemann和 |
若时,的极限存在,且与分点及取点都无关,则称这个极限为在定向曲线上的第二型曲线积分,记为
定向曲线称为积分路径。
当为封闭曲线时,称为向量场沿回路的环量,记为。
设,则
这样,第二型曲线积分又可以记为
若,则记为
例 1. 的方程为 求曲线积分 |
1.
例 2. (习题7.5(9-2)) 求曲线积分
(2) 为交线 ,在轴方向看是逆时针
(3) 为交线 ,从原点看是逆时针
解. 需要将曲线参数化,并确定参数是否为正向参数。
(1) 线性:
特别地,有
(2) 积分曲线可加性: 是由与连接而成,则
(3) 方向性:
例 3. 为,求
例 4. 为原点,,求
(1) 为直线,
(2) 为抛物线,
(3) 为两段折线,和
3.
定义 3.
为平面区域,如果中任意一条简单闭曲线(自身不相交,首尾相连)的内部都包含在内,则称为单连通区域,否则称为多连通区域
如左图所示的平面区域的边界上 计算第二型积分 有两种表达形式,分别表示为 |
|
|
因而,
|
即
若区域如左图所示(称为I型)或右图(称为II型),都同样可以得到
对于I型区域,
而
注意到,在和上,,因而。
对于由光滑曲线组成的一般的连通区域,可以用如图的处理方式。
定理 1. (Green公式)
是由分段光滑闭曲线围成的平面单连通区域,函数, 在上有一阶连续偏导数,则有
其中的方向为:沿此方向行进时,区域始终在左侧。
习惯上称这样的方向为正方向。
Green公式对多连通域同样成立。
仍然规定边界上的正方向为: 沿边界走,区域在左侧。 则有
例 5. 求,
例 6. 曲线为点到点的上半圆周,求
6.
例 7. 求,
解. 注意到
但在处不连续。
7.
例 8. (习题) 由, 围成,沿逆时针方向。
的面积,可以写成
这样,有
推论 1.
设是满足Green公式的平面区域,则其面积为
若的参数方程为, , ,则
例 9. 求面积
(1) 椭圆
(2) 星形线
(3) 双纽线
9. (2)
(3) 双纽线
例 10. 求外摆线(为外圆与内圆的半径比)的一拱与对应的圆弧所围成的图形的面积
例 11. 求笛卡尔叶形线围成的面积
参数化,令,有
取极坐标,
则,面积为
例 12. 本节读完
12.