张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
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定义 1. 称为对曲线的一个分割,记为。 用线段连接中的每相邻两点得到的条弦,这条弦组成的一条内接折线 |
记
分别表示最长弦的长度与折线的总长度。
若
则称是可求长的,并将极限称为的弧长。即对, , 当时,满足
定理 1.
中的曲线有参数方程
或。若为光滑曲线(即, , 均有连续的导数,且不全为),则是可求长的,且弧长为
证明.
到动点的弧长为
因为是光滑的,则可导,且
则有
为弧长微元
例 1. 求螺旋线 的弧长。 |
为一段非均匀线材,其线密度为 求总质量。 |
从到依次插入,,,,将分为小段。 记第段弧长为,在第上任取一点,则第段的质量近似为,所以总质量近似为 这个Riemann和的极限就是的总质量了。 |
定义 2.
为上可求长曲线,定义在上。
用,,,把分为段,第段弧长为,
为第段上任一点,Riemann和
记,若极限 存在,且与的选取无关。 则称此极限为在曲线上的第一型积分,记为
从定义上看,第一型曲线积分只是把区间上的定积分中的区间换成了曲线。 因此,第一型曲线积分与定积分有类似的性质
定理 2.
光滑曲线的参数方程
为定义在上的连续函数, 则在曲线上的第一型曲线积分存在,且
证明. 曲线的弧长为,则以弧长为参数,有
在平面上,弧长微元为
对于平面曲线, ,有
极坐标下的平面曲线, ,有
在极坐标下,
因此
例 2. 计算第一型曲线积分
其中为圆周,
采用极坐标表示, |
例 3. 计算
其中,为双纽线
的极坐标表示为 因而,左半边方程为 |
例 4. 计算
其中,为内摆线
的参数表示 |
2.
例 5. 计算
其中,为圆周 ,
5.
为空间中的曲面,其参数方程为
光滑(且)。
前面已经得到面积微元为
则的面积为
由
记
例 6. 求半径为的球的表面积
解. 取球面的参数表示
得到
对于上半球面,有
则球面积为
例 7. 求球面 被柱面所截的曲面的面积。
例 8. 求曲面的面积
解. 取球坐标,则空间曲线可以表达为
可以得到面积微元为
定义 3.
为一可求面积的曲面,定义在上。将任意分为块小曲面,每块面积为。, Riemann和
记所有小曲面的最大半径为,若存在,且与的选取无关,则称在曲面上的第一型曲面积分存在,记为
定理 3.
中曲面有参数方程
为平面的有界闭区域。若在上连续, 则在上的第一型曲面积分存在,且
例 9. 积分
其中,为球面 ;
在第一象限部分
例 10. 求积分
为曲面, 被曲面所割下的部分
10.
例 11. 求积分
为曲面的锥面被所割下的部分
11.
若为平面,则
则
设物质分布在空间上,它的密度分布函数为。 则质心坐标满足
设物质分布在光滑曲面上,它的面密度分布函数为
则质心坐标满足设物质分布在光滑曲线上,它的线密度分布函数为
则质心坐标满足例 12. 求摆线
的重心
例 13. 为柱面在, 之间的部分,求
例 14. 为连接点与原点的线段和圆周第四象限的部分,求
13.