§1 第一类曲线积分的计算

         

  

设函数在光滑曲线上有定义且连续,的方程为

则

。

特别地,如果曲线为一条光滑的平面曲线,它的方程为,,那么有

。

例:设是半圆周, 。求。                                    

例:设是曲线上从点到点的一段,计算第一类曲线积分。                                                           

例:计算积分,其中是球面被平面截得的圆周。

例:求,此处为连接三点,,的直线段。

 

§2 第一类曲面积分的计算

         

一  曲面的面积

(1)设有一曲面块,它的方程为

。

具有对和的连续偏导数,即此曲面是光滑的,且其在平面上的投影为可求面积的。则该曲面块的面积为

。

(2)若曲面的方程为

令

,,,

则该曲面块的面积为

。

例:求球面含在柱面内部的面积。

例:求球面含在柱面内部的面积。

二 化第一类曲面积分为二重积分

(1)设函数为定义在曲面上的连续函数。曲面的方程为。具有对和的连续偏导数,即此曲面是光滑的,且其在平面上的投影为可求面积的。则

。

(2)设函数为定义在曲面上的连续函数。若曲面的方程为

令

,,,

则

。

例:计算,是球面,。

例:计算,其中为螺旋面的一部分:

。

注:第一类曲面积分通过一个二重积分来定义,这就是为什么在第一类曲面积分中用“二重积分符“的原因。

例:I=,是球面,球心在原点,半径为。

           

§3 第二类曲线积分

 

 

一 变力做功和第二类曲线积分的定义

1.力场沿平面曲线从点A到点B所作的功。先用微元法,再用定义积分的方法讨论这一问题,得

           。

2. 第二型曲线积分的定义

定义1  设是一条光滑或逐段光滑曲线,且设是定义在上的有界函数,将沿确定方向从起点开始用分点分成个有向弧段,直至终点。且设。在每一弧段 上任取一点,作和式:

。

其中为起点,为终点。设,这里表示有向线段的长度。若当时,和有极限,且它与的分法无关,也与点的选择无关,则称为沿曲线按所述方向的第二类曲线积分,记作

 或 。

注:如果向量,则向量沿曲线按一定方向的第二类曲线积分为

。

注:第二类曲线积分是与沿曲线的方向有关的。这是第二类曲线积分的一个很重要性质,也是它区别于第一类曲线积分的一个特征。

注:在平面情况下,若一人立在平面上沿闭路循一方向作环行时,如闭路所围成的区域靠近这人的部分总在他的左方,则这个方向就算作正向,否则就算作负向。这时只要方向不变,曲线积分的值是与起点的位置无关的。

二   第二类曲线积分的计算

设曲线自身不相交,其参数方程为:

。

且设是光滑的。设当参数从调地增加到时,曲线从点按一定方向连续地变到点。设函数定义在曲线上,且设它在上连续。则

。                      (*)

注:(*)积分下限必须对应积分所沿曲线的起点,上限必须对应终点。

注:如果向量,则向量沿曲线按一定方向的第二类曲线积分为

例:计算积分, L的两个端点为A( 1, 1 ) , B( 2 , 3 ). 积分从点A到点B或闭合, 路径为

(1)直线段AB ;

(2)抛物线;

(3)折线闭合路径A( 1, 1 )D( 2 , 1 )  B( 2 , 3 )  A( 1, 1 )。.      

例:计算积分,  这里L :

(1)沿抛物线从点O( 0 , 0 )到点B( 1 , 2 );

(2)沿直线从点O( 0 , 0 )到点B( 1 , 2 );

(3)沿折线封闭路径O(0,0) A(1,0 ) B(1,2 )  O(0,0). 

例:计算第二型曲线积分I = , 其中L是螺旋线,,从到的一段。

三 两类曲线积分的联系

第一类曲线积分与第二类曲线积分的定义是不同的,由于都是沿曲线的积分,两者之间又有密切联系。两者之间的联系式为

              

例:证明:对于曲线积分的估计式为

。

利用这个不等式估计:

并证明。

例:设平面区域有一条连续闭曲线所围成,区域的面积设为,推导用曲线积分计算面积的公式为:

。

 

§4 第二类曲面积分

 

 

一  曲面的侧的概念

1.单侧曲面与双侧曲面

在实际生活中碰到的都是双侧曲面,至于单侧曲面也是存在的,牟彼乌斯带就是这类曲面的一个典型例子。

2.曲面的上侧和下侧,外侧和内侧

双侧曲面的定向: 曲面的上、下侧,左、右侧,前、后侧. 设法向量为      ,

则上侧法线方向对应第三个分量, 即选“+”号时,应有,亦即法线方向与轴正向成锐角. 类似确定其余各侧的法线方向. 封闭曲面分内侧和外侧.

二  第二类曲面积分的定义

先讨论由显式方程

              

表示的无重点的光滑曲面,并设在平面上的投影为边界由逐段光滑曲线所围成的区域。设选定了曲面的一侧,从而也确定了它的定向。

      现在将有向曲面以任何方法分割为小块。设为在平面上的投影,从而也得到区域的一个相应分割。如果取的是上侧,这时所有算作正的。如取下侧,这时所有算作负的。设有界函数定义在上,在每一小块任取一点,作和式

其中表示的面积。由上述所见,是带有符号的,它们的符号是由所选的侧来决定的。设为的致敬,记。若当时,有确定的极限,且与曲面分割的方法无关,也点的选择无关,则称为沿曲面的所选定的一侧上的第二类曲面积分,记为

。

注:有时也会碰到几个积分连在一起的情形,例如:

。

注:如果沿曲面的另一侧积分,则所得的值应当变号。

三  两类曲面积分的联系及第二类曲面积分的计算    

第二型曲面积分与第一型曲面积分的关系

设为曲面的指定法向,  则

.

定理1  设是定义在光滑曲面D上的连续函数, 以的上侧为正侧(即), 则有

            .

类似地, 对光滑曲面D, 在其前侧上的积分

        .

对光滑曲面 D, 在其右侧上的积分

            .

计算积分时, 通常分开来计算三个积分

         ,     ,    .

为此,分别把曲面投影到YZ平面, ZX平面和XY平面上化为二重积分进行计算.投影域的侧由曲面的定向决定.

推论 设,,是定义在光滑曲面D上的连续函数,则有

            =

曲面的方向为上侧, 则等式前取“+”号; 曲面的方向为下侧, 则等式前取“-”号.

例:计算积分,其中是球面 在部分取外侧。                                                    

例:计算积分,为球面取外侧.

解: 对积分, 分别用和记前半球面和后半球面的外侧, 则有

       :             ;

      :            .

因此,  =+

    

    

     . 

对积分, 分别用和记右半球面和左半球面的外侧, 则有

      :             ;

      :            .

因此,   +

    

     .

 对积分, 分别用和记上半球面和下半球面的外侧, 则有

      :             ;

      :            .

因此,   =+

    

     .

综上,  =.