数学分析习作课(2)读书报告——张伟

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云南大学数学分析习作课(2)读书报告题目:两类曲线积分性质及曲面积分性质及应用学院:物理科学技术学院专业:数理基础科学专业姓名、学号:张伟 20101050105任课教师:何青海时间:2011年6月30日(星期四)摘要:一. 曲线积分:1.第一类曲线积分的性质与应用; 2.第二类曲线积分的性质与应用; 3.两类曲线积分的对比。

二.曲面积分:1.第一类曲面积分的性质与应用;2.第二类曲面积分的性质与应用;3.两类曲面积分的对比。

关键词:曲线积分,曲面积分,概念,性质,计算,运用。

内容:一.曲线积分:(一)第一类曲线积分:1.第一类曲线积分概念: (1) 模块分解法:设几何形体Ω是一可求长的空间曲线段l ,在这个几何形体Ω上定义了一个函数()M f ,Ω∈M .将此几何形体Ω分为若干可以度量的小块1∆Ω,2∆Ω,…n ∆Ω,把他们的度量大小仍记为()n i i ,,2,1 =∆Ω.并令ma x 1ni d ≤≤={i ∆Ω的直径},在每一块i ∆Ω中任意取一点i M ,作下列和式(也称为黎曼和数,或积分和数)()∑=∆ΩM ni i i f 1,如果这个和式不论对于Ω怎样划分以及i M 在i ∆Ω上如何选取,只要当0→d 时恒有同一极限I,则称此极限为()M f 在几何形体Ω上的黎曼积分,记为:()ΩM =I ⎰Ωd f ,也就是()()i ni i d f d f ∆ΩM =ΩM ∑⎰=→Ω1lim .这个极限是与Ω的分法及i M 取法无关的.点列描述法:(2) 点列分解法:设L 为xOy 面内的一条有向光滑曲线弧,函数),(y x f 在L 上有界.在L上任意插入一点列121,,,-n M M M 把L分成n 个小弧段.设第i 个小弧段的长度为i s ∆.又),(i i ηξ为第i 个小弧段上任意取定的点.作乘积),,2,1(),(n i s f i i i =∆ηξ,并作和∑=∆ni i i i s f 1),(ηξ,如果当各小弧段长度的最大值0→λ时,这和的极限总存在,则称此极限为),(y x f 函数在曲线弧L上对弧长的曲线积分或第一类曲线积分,记作⎰Lds y x f ),(,即∑⎰=→∆=ni i i i Ls f ds y x f 1),(lim ),(ηξλ.(3)""δε-说法表达为:如果对任意0>ε及一定数I ,总存在一个数0>δ,对于任意Ω的分法,只要δ<d 时,不管点i M 在i ∆Ω上如何选取,恒有()ε<I -∆ΩM ∑=ni iif 1,则称I 为()M f 在Ω上的黎曼积分,记为:()ΩM =I ⎰Ωd f .这时,我们也称()M f 在Ω上可积.2,第一类曲线积分的性质(公式推导):(1)若()()k i d s y x f Li ,,2,1, =⎰存在,()k i c i ,,2,1 =为常数,则()⎰∑=Lki ii dsy x f c 1,也存在,且()()∑⎰⎰∑===ki LiiLk i ii ds y x f c ds y x f c 11,,(2)若曲线段L 由曲线1L ,2L ,…,k L 首尾相接而成,且()()⎰=iL k i ds y x f ,,2,1, 都存在,则()⎰Lds y x f ,也存在,且()()∑⎰⎰==ki L Lids y x f ds y x f 1,,(3)若()⎰L ds y x f ,与()⎰Lds y x g ,都存在,且在L 上()()y x g y x f ,,≤,则()()⎰⎰≤LLds y x g ds y x f ,,(4) 若()⎰L ds y x f ,存在,则()⎰L ds y x f ,也存在,且()()ds y x f ds y x f LL ⎰⎰≤,, (5) 若()⎰Lds y x f ,存在,L 的弧长为s ,则存在常数c ,使得()cs ds y x f L=⎰,,其中()()y x f c y x f LL,sup ,inf ≤≤3,第一类曲线积分的计算: (1) 对参数方程:若曲线C (A,B ):()(),,,βαψϕ≤≤==t t y t x 是光滑的,即()()t t //,ψϕ在[]βα, 连续,且不同时为0,函数()y x f ,在C 连续,则函数()y x f ,在C (A,B )存在第一类曲线积分,且()()()()[]()()dt t t t t f ds y x f B A C 2/2/,,,ψϕψϕβα+=⎰⎰(2)对坐标方程:曲线C (A,B )是由方程y=y(x)给出,且()x y /在[]b a ,连续时,上式表示为:()()()[]()dx x y x y x f ds y x f baB AC 2/,1,,+=⎰⎰4,第一类曲线积分的应用:(1) 计算,ds y L⎰其中L 是抛物线2x y =上点)0,0(O 与点()1,1B 之间的一段弧.解:由于L 由方程)10(2≤≤=x x y 给出,因此ds y L⎰=⎰'+1222)(1dx x x=⎰+10241dx x x=10232)41(121⎥⎦⎤⎢⎣⎡+x =)155(121- (2)求 ds y x I C⎰+=22,其中C 是圆周0,22>=+a ax y x解:令dxxax a dx y ds xax x a y x ax y C x ax y C 22/2/222121,22,:,:-=+=--±=--=-=由公式则:ds y x ds y x ds y x I C C C⎰⎰⎰+++=+=21222222()()dx xax a x ax x dx xax a x ax x aa 22222222--++--+=⎰⎰2022222a a a a xa dx a a dx x ax ax a a a==-=-=⎰⎰(3) 计算曲线积分⎰Γ++ds z y x )(222, 其中Γ为螺旋线kt z t a y t a x ===,sin ,cos 上相应于t 从0到π2的一段弧. 解:⎰Γ++ds z y x)(222[])43(323)()c o s ()s i n ()()s i n ()c o s (222222032222202222222220222k a k a t k t a k a dtk a t k a dtk t a t a kt t a t a πππππ++=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=++=++-⋅++=⎰⎰(4) 物理计算:计算半径为R , 中心角为α2的圆弧L 关于它的对称轴的转动惯量I (设线密度1=ρ).解:取以x 轴为对称轴,则I =⎰Lds y 2利用L 的参数方程)(sin ,cos αθαθθ≤≤-==R y R x于是)cos sin (22sin 2sin )cos ()sin (sin 332322222αααθθθθθθθθαααααα-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-==+-==---⎰⎰⎰R R d R d R R R ds y I L(一) 第二类曲线积分:1.第二类曲线积分的概念:设L 为一条有向光滑或逐段光滑曲线,其方向由A 到B ,且设F (x,y,z )是定义在L 上的向量函数,表示式为()()()()k z y x R j z y x Q i z y x P z y x F ,,,,,,,,++=,又设P,Q,R 都是有界函数.将L自A 到B 分为n 个有向小弧段()n i s i ,,2,1 =∆→,每个小弧段i s ∆ 的起点为i A ,终点为1+i A ,有向弧段→∆i s 的大小为i s ∆,方向与→+1i i A A 的方向一致,→∆i s 的表示式为k z j y i x s i i i i ∆+∆+∆=∆→,在每一段内任取一点()i i i ζηξ,,,作和式(即黎曼和)()()()()∑∑=→=∆+∆+∆=∆∙ni i i i i i i i i iiiiini iiiz R y Q xP s F 11),,,,,,(,,ζηξζηξζηξζηξ,当{}i ni s d ∆=≤≤m ax 1,令0→d ,如果极限()→=→∆∙=I ∑i ni i i i d s F 1,,lim ζηξ存在,并且I与L 的划分以及与()i i i ζηξ,,的选取无关,则称此极限为F (x,y,z )在L 上的第二类曲线积分,记为()()()()dz z y x R dy z y x Q dx z y x P ds z y x F LL,,,,,,,,++=∙=I ⎰⎰.其中L 的方向是从A 到B ,dzk dyj dxi ds ++=,dx,dy,dz 理解为ds 在x 轴,y 轴,z 轴上的投影,是带有符号的.2.第二类曲线积分的性质(积分与方向有关):(1)j y x Q i y x P y x A),(),(),(+= ⎰⎰+=⋅LLds Q P ds t A )cos cos (βα(2)⎰+Ldy y x Q dx y x P ),(),(⎰⎰+=LLdy y x Q dx y x P ),(),((3)⎰⎰-+-=+LLQdy Pdx Qdy Pdx ,其中-L 表示有向弧段L 的反方向弧段(4)⎰⎰+=+LLQdy Pdx k Qdy kPdx ,k 为任意常数(5) 若()k i dy Q dx P L i i ,,2,1, =+⎰存在,则⎰∑∑⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛==Li i k i k i i i dy Q c dx P c 11存在,且:()∑⎰⎰∑∑===+=⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫⎝⎛ki Liii L i i k i k i i i dy Q dx P c dy Q c dx P c 111,其中()k i c i,,2,1 =为常数(6) 若有向曲线L 是有向曲线k L L L ,,,21 首尾相接而成,则()k i Qdy Pdx iL ,,2,1 =+⎰存在,且:⎰⎰∑+=+=LL ki iQdy Pdx Qdy Pdx 13.第二类曲线积分的计算:(1) 对参数方程: 设光滑曲线L:x=x(t),y=y(t),z=(t) 且t 从α到β变化时L从点A到点B变化,设向量函数()()()()k z y x R j z y x Q i z y x P z y x F ,,,,,,,,++=,则()()()()⎰⎰++=ABABdz z y x R dy z y x Q dx z y x P ds z y x F ,,,,,,,,=()()()[]()()()()[]()()()()[](){}dt t z t z t y t x R t y t z t y t x Q t x t z t y t x P ⎰++βα///,,,,,, (2) 对坐标方程:设光滑曲线L:y=y(x),z=z(x) 且x 从a 到b 变化时L 从点A 到点B 变化,则:()()()⎰++ABdz z y x R dy z y x Q dx z y x P ,,,,,,=()()()()()()()()()()(){}dx x z x z x y x R x y x z x y x Q x z x y x P b a⎰++//,,,,,, 4.第二类曲线积分的应用:(1)若对任意的x ,y 有yPx Q ∂∂≡∂∂,设C 是有向闭曲线,则⎰+C y Q x P d d = .解:由格林公式将y x yPx Q y y x Q x y x P DCd d )(d ),(d ),(∂∂-∂∂=+⎰⎰⎰其中D 为C l 围成的平面区域,及条件yPx Q ∂∂≡∂∂知,应该填写:0 (2)_______d d =+-⎰y x x y l,其中l 是延圆周1)1()1(22=-+-y x 正向一周.解:因为圆周1)1()1(22=-+-y x 所围圆面积D 为:π⋅21,由格林公式得:⎰⎰⎰+=+-Dly x y x x y d d )11(d d =π2,应该填写:π2(3)(物理中的计算)弹性力的方向向着坐标原点,力的大小与质点距坐标原点的距离成比例,设此点反时针方向描绘出椭圆12222=+by a x 的正四分之一,球弹性力所做的功。