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多元积分学 [4]
2023-04-24

对应《大学数学 微积分 下》:“10.2 第二类曲线积分和第二类曲面积分”

本篇内容

  • 向量值函数的概念
  • 第二类曲线积分的概念和计算
  • 第二类曲面积分的概念和计算

向量值函数#

回想一下我们曾经讲解过的向量场,场中的每一个点都有一个对应的向量。向量值函数一般就被用来表达一个这样的向量场。也就是说向量值函数的参数一般是标量,而它的输出都是向量。

例如,如果我们定义一个向量值函数 f(t)⃗=⟨cos⁡t,sin⁡t⟩\vec{\mathbf{f}(t)} = \langle \cos t, \sin t \rangle,其中 tt 是实数,那么当 tt 取不同的值时,f(t)⃗\vec{\mathbf{f}(t)} 将得到不同的向量。在这个例子中,f(t)⃗\vec{\mathbf{f}(t)} 是一个单位圆上的向量,其大小为 11,方向由 cos⁡t\cos t 和 sin⁡t\sin t 确定。


第二类曲线积分#

1. 概念#

第二类曲线积分也称为向量场沿曲线的积分,它是指一个向量场在一条曲线上的积分。在这里,向量场可以理解为给定空间中的每个点都有一个对应的向量。这个向量可以表示速度、加速度、电场等物理量。曲线可以是平面曲线或者三维空间中的曲线。

现在假设有一条光滑曲线 CC ,表示为 r⃗(t)=(x(t),y(t),z(t))\vec{r}(t) = (x(t), y(t), z(t)) ,其中 tt 是参数。如果有一个向量场 F⃗(x,y,z)=P(x,y,z)i⃗+Q(x,y,z)j⃗+R(x,y,z)k⃗\vec{F}(x, y, z) = P(x, y, z)\vec{i} + Q(x, y, z)\vec{j} + R(x, y, z)\vec{k},其中 i⃗\vec{i}、 j⃗\vec{j} 、 k⃗\vec{k}是三维空间中的单位向量, PP 、 QQ 、 RR 是实数函数。则 F⃗\vec{F}沿曲线 CC 的第二类曲线积分可以表示为:

∫CF⃗⋅ds⃗=∫C(Pdx+Qdy+Rdz)\int_C \vec{F} \cdot d\vec{s} = \int_C (Pdx + Qdy + Rdz)

其中 ds⃗d\vec{s}表示曲线 CC 上的一段长度微元,它的方向是延曲线方向的切线方向, ∣ds⃗∣|d\vec{s}| 可以表示为 dx2+dy2+dz2\sqrt{dx^2 + dy^2 + dz^2} ,表示点 (x,y,z)(x, y, z) 到曲线上的下一个最近点的距离。

如果曲线 CC 是封闭曲线,则称第二类曲线积分为环量,表示为 ∮CF⃗⋅ds⃗\oint_C \vec{F} \cdot d\vec{s}。

2. 计算#

这里列出计算第二类曲线积分的一般步骤:

  1. 确定曲线的方向,以及积分的上下限:a,ba, b。

  2. 选择一个合适的参数方程,将曲线表示为 x=x(t),y=y(t),t:b→ax = x(t), y = y(t), t: b \to a 的形式。

  3. 将函数 f⃗(x,y)\vec{f}(x,y) 和微元 dsds 用参数 tt 表示,得到 f⃗(x(t), y(t))(x′(t))2+(y′(t))2dt\vec{f}(x(t),\ y(t)) \sqrt{(x'(t))^2 + (y'(t))^2} dt 。

  4. 求出该定积分的值,即为第二类曲线积分的值。

可以看出,核心依然是把双变量函数转换为单变量函数,再求单变量的定积分。

上面列出的一般步骤利用的是参数方程,但是在实际上还有其他方法,例如极坐标系,圆柱坐标系等。这些我们留到习题章节细说。


第二类曲面积分#

1. 概念#

第二类曲面积分是对向量值函数在定向曲面上的积分,也称为通量积分。它需要考虑曲面的正反面,也就是曲面上的法向量的指向。法向量是垂直于曲面的向量,它有两个方向,我们需要选定其中一个方向作为曲面的正面。

第二类曲面积分可以用来计算流体、电场或磁场等物理量通过曲面的通量,也就是单位时间内通过曲面的物理量的总和。通量取决于物理量的大小和方向,以及曲面的形状和方向。

如果曲面是双侧曲面,那么无论我们从哪个方向看,都可以看到曲面的正面和反面。例如,一个球面就是双侧曲面。如果曲面不是双侧曲面,那么无论我们怎么转动,都只能看到曲面的一面。例如,一个Mobius 带(莫比乌斯环)就是非双侧曲面。

设向量值函数 F(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k\mathbf{F}(x,y,z)=P(x,y,z)\mathbf{i}+Q(x,y,z)\mathbf{j}+R(x,y,z)\mathbf{k} 在光滑定向曲面 ∑\sum 上有界,n0(x,y,z)n^0(x,y,z) 是定向曲面 ∑\sum 在点 (x,y,z)(x,y,z) 处的单位法向量。

如果向量值函数 F\mathbf{F} 在定向曲面 ∑\sum 上的第二类曲面积分 ∬∑F(x,y,z)⋅ds\iint_{\sum}\mathbf{F}(x,y,z)\cdot\mathrm{d}\mathbf{s} 存在,则称其为向量值函数 F\mathbf{F} 在定向曲面 ∑\sum 上的曲面积分,也称为第二类曲面积分,通量积分或者面积分。

这个积分可以看作是在整个曲面上对向量场 F\mathbf{F} 进行积分,因此它的单位是长度乘以 F\mathbf{F} 的单位,通常用 N⋅m\mathrm{N\cdot m} 或 Wb\mathrm{Wb} 表示。如果引进记号 dS=n0dS\mathrm{d}\mathbf{S}=n^0\mathrm{d}S,则第二类曲面积分可记为 ∬∑F(x,y,z)⋅dS\iint_{\sum}\mathbf{F}(x,y,z)\cdot\mathrm{d}\mathbf{S},其中 dS\mathrm{d}\mathbf{S} 称为定向曲面微元。

第二类曲面积分可以用定积分来求解,它等于把所有曲面微元上的通量微元相加起来。通量微元等于物理量和单位法向量的点积乘以曲面微元。

2. 计算#

这里列出计算第二类曲面积分的一般步骤:

  1. 确定曲面和曲面方向:首先要确定曲面的方程和曲面的方向。曲面方向通常是由一个向量场来指定的,这个向量场与曲面垂直,并且指向曲面的外侧。

  2. 参数化曲面:将曲面用参数方程表示,即将曲面上的每个点表示为一个参数的函数形式。

  3. 计算曲面微元 dS\mathrm{d}\mathbf{S} :计算曲面上每个点的曲面微元。曲面微元通常由曲面的点法向量和向量值函数 F\mathbf{F} 的点向量叉积得到。

  4. 建立曲面积分的被积函数 F\mathbf{F} :将被积函数表示为曲面上点的函数。

  5. 写出曲面积分的积分式:将被积函数乘以曲面微元,再将其积分,可以得到曲面积分的积分式。

  6. 计算积分:将积分式中的曲面微元和被积函数代入积分式,进行积分计算即可。

需要注意的是,在计算曲面积分的过程中,可能需要将曲面分成多个小面,并分别计算每个小面的曲面积分,最终将它们加起来得到总的曲面积分。

具体的算法将在习题文章中讲解。

多元积分学 [4]
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Author
Zivmax
Published at
2023-04-24