第八章 曲线积分与曲面积分部分考研真题及解答

曲线积分与曲面积分常见题型攻略以心同学整理一、计算第一类曲线积分步骤：（一）平面曲线积分t t g y t x L ,)()(:1.化简（1）代入化简【常用在k t g t f )](),([ （常数）的情形】Lds y x f ),(Lds t g t f )](),([ kskds L其中s 为积分曲线L 的长度。

（2）利用奇偶对称性化简①若积分曲线L 关于坐标轴y 轴对称，则有Lds y x f ),(1),(,),(2),(0L x y x f ds y x f x y x f 的偶函数是的奇函数是，其中1L 为y 轴右边部分。

②若积分曲线段L 关于坐标轴x 轴对称，则有Lds y x f ),(1),(,),(2),(0L y y x f ds y x f y y x f 的偶函数是的奇函数是，其中1L 为x 轴上边部分。

（3）利用轮换对称性化简若积分曲线L 中把x 与y 互换，积分曲线不变，则有Lds y x f ),( Ldsx y f ),(2.确定积分曲线L 的参数式方程t t g y t x L ,)()(:注：积分曲线一般以)(x f y 或)(y g x 的形式出现，此时参数式为：b x a x f y x x L,)(:，dy c y y y g x L,)(:3.套公式（一代二换三定限）化为定积分Lds y x f ),(dtt g t t g t f )()()](),([22注意：上限 大于下限 4.计算定积分例1【2017-2018期末】设L 是直线)40(1243 x y x 的一段，则Lds y x )43(60；解：Lds y x )43( Lds12代入化简6012 s 。

例2【2018-2019期末】计算Lds x y)(2，其中L 为圆周422 y x .解：法一：L 的参数方程为sin 2cos 2y x （ 20 ），d d ds 2)cos 2()sin 2(22 ，于是Lds x y )(22022)cos 2sin 4(d 0sin 8202d822148 .法二：由对称性有Lds y 2 Lds x 2（轮换对称），0 Lxds （奇偶对称）所以Lds x y )(2 Lds y 2L ds y x )(2122 Lds 421（代入化简）8422 Lds .例3【2019-2020期末】计算曲线积分Lds y xy x )(22，其中L 为平面区域}0,1|),{(22 y y x y x D 的边界曲线。

第八章 曲线积分与曲面积分（A ）习题八1、计算下列数量值函数的曲线积分： ⑴22L y ds x y +⎰，其中L 为平面上的上半圆周：221,0x y y +=≥． ⑵⎰+Lds y x )(，其中L 为以(0,0),(2,0),(0,1)为顶点的三角形边界．⑶⎰+Ly x ds e22，其中L 为x 轴，圆周222(0)x y a a +=>，直线y x =在第一象限内所围成扇形的边界．⑷2Ly ds ⎰，其中L 是摆线(sin ),(1cos )x a t t y a t =-=-的一拱(02)t π≤≤．⑸22()Lx y ds -⎰，其中L 为柱面221x y +=与平面0x y z ++=的交线．2、求空间曲线cos ,sin ,(0)tttx e t y e t z e t ---===<<+∞的弧长．3、求均匀摆线弧(sin ),(1cos )(0)x a t t y a t t π=-=-≤≤的重心坐标．4、计算下列数量值函数的曲面积分： ⑴22()xy dS ∑+⎰⎰，其中∑：222()z x y =-+，0z ≥．⑵()x y z dS ∑++⎰⎰，其中∑为平面5y z +=被柱面2225x y +=所截得的部分．⑶22()x y dS ∑+⎰⎰，其中∑是锥面z =及平面1z =所围成的区域的整个边界曲面．⑷2221dS x y z ∑++⎰⎰，其中∑为介于平面0z =和平面(0)z H H =>之间的圆柱面222x y R +=．5、求抛物面22z x y =+被锥面2z =所截下的部分曲面面积．6、计算下列向量值函数在定向曲线上的积分： ⑴22610Lxydx xy dy +⎰，其中L 为曲线2y x =上从点(0,0)到(1,1)的一段弧． ⑵2(sin )Lx y dx +⎰，其中L 为由2,1y x x ==所围区域的边界（逆时针方向）． ⑶2222Ly xdx dy x y x y -+++⎰，其中L 是半径为a ，圆心在原点且方向由(,0)A a 到(,0)B a -的上半圆．⑷(2)La y dx xdy -+⎰，其中L 为摆线(s i n ),(1c o sx a t t y a t =-=-从0t =到2t π=的一段．⑸||||Ldx dyx y ++⎰，其中L 为从点(1,0)A 经点(0,1)B 到点(1,0)C -的折线段． ⑹(1)Lxdx ydy x y dz +++-⎰，其中L 是从点(1,1,1)到点(2,3,4)的一段直线．7、设曲线L 是从点(0,0)O 沿圆弧y =到点(1,0)A 的弧段，计算22()(sin )LI x yx dx y x y dy =-++⎰．8、将(,)(,)LP x y dx Q x y dy +⎰化为数量值函数的曲线积分，其中L 为沿圆周222x y y +=（逆时针）从(0,0)到(1,1)．9、方向沿纵轴方向，大小等于作用点的横坐标平方的力构成一力场，求质量为m 的质点沿半圆周y =(1,0)-移动到(1,0)时，场力所作的功．10、设位于点(0,1)的质点A 对质点M 的引力大小为2kr （0k >为常数，r 为质点A 与M 之间的距离），质点M 沿曲线y =自(2,0)B 运动到(0,0)O ，求在此运动过程中质点A 对质点M 的引力所作的功．11、利用格林公式计算下列曲线积分： ⑴2(1)Ly dx xydy ++⎰，其中L 为曲线sin y x =和2sin (0)y x x π=≤≤所围区域的正向边界． ⑵(sin )(cos )x x Le y y x dx e y x dy +++-⎰，其中L 为从点(0,0)O 经圆周22(1)1x y -+=的下半部分到点(2,0)A 的一段弧．12、计算曲线积分224Cxdy ydxx y-+⎰，其中C 是以(1,0)为中心，(1)R R ≠为半径的圆周，逆时针方向．13、证明曲线积分(3,4)2322(1,2)(6)(63)xy y dx x y xy dy -+-⎰与路径无关，并求积分值．14、验证22(2cos sin )(2cos sin )x y y x dx y x x y dy -+-在整个xOy 平面内为某一函数的全微分，并求一个这样的函数(,)u x y ．15、计算下列向量值函数在定向曲面上的积分： ⑴22()xy zdxdy ∑+⎰⎰，其中∑是球面2221x y z ++=的下半部分的下侧．⑵zdxdy xdydz ydzdx ∑++⎰⎰，其中∑是柱面221x y +=被平面0z =及3z =所截得的在第一卦限内的部分的前侧．⑶2z dxdy ∑⎰⎰，其中∑为平面1x y z ++=在第一卦限部分的上侧． ⑷2x dydz zdxdy ∑+⎰⎰，其中∑为抛物面22(01)z x y z =+≤≤的上侧．16、利用高斯公式计算下列曲面积分： ⑴222x dydz y dzdx z dxdy ∑++⎰⎰，其中∑为平面0x =，0y =，0z =，x y z a ++=(0)a >所围立体的全表面的外侧．⑵32()2xyz dydz x ydzdx zdxdy ∑--+⎰⎰，其中∑为222x y R +=在平面0z =和1z =之间部分圆柱面的外侧．⑶333()()()x yz dydz y xz dzdx z xy dxdy ∑++-++⎰⎰，其中∑为取外侧的球面222x y z z ++=． ⑷222x dydz y dzdx z dxdy ∑++⎰⎰，其中∑为抛物面22(01)z x y z =+≤≤的上侧．17、计算323232()()()xaz dydz y ax dzdx z ay dxdy ∑+++++⎰⎰，其中∑为上半球面z =18、计算xyzA e r =在点()1,1,1P 处的散度，其中r 为矢径：r xi yj zk =++．19、求向量yzi xzj xyk ++穿过圆柱体222,0x y R z H +≤≤≤的全表面∑的外侧的通量．20、利用斯托克斯公式计算曲线积分()()()C z y dx x z dy x y dz -+-+-⎰，其中C 是曲线2212x y x y z ⎧+=⎨-+=⎩从z 轴正向往z 轴负向看C 的方向是顺时针的．（B ）单元自我测试题一、填空题（每题4分，共20分）1、设C 为3y x =上点(0,0)到(1,1)的一段弧，则曲线积分C⎰＝ ．（写出定积分形式，不必计算）2、设L 是圆周：2222,0x y z a x y z ⎧++=⎨++=⎩则曲线积分2Lx ds ⎰的值为 ．3、设C 是逆时针方向的闭曲线，其方程为22(1)1x y -+=，则222()(2)Cx y d x y x y d y-+-⎰＝ ． 4、设∑是抛物面221(23)z x y =-+在xOy 平面上方部分的下侧，则向量值函数在定向曲面上的积分I Pdydz Qdzdx Rdxdy ∑=++⎰⎰化为数量值函数的曲面积分后，I ＝ ．5、向量场()()22,,ln 1z u x y z xy i ye j x z k =+++在点()1,1,0P 的散度divu = ．二、单项选择题（每题3分，共15分） 1、曲线积分22()Lx y ds +⎰，其中L 是圆心在原点，半径为a 的圆周，则曲线积分值为（ ）A ．22a π Ｂ．3a π Ｃ．32a π Ｄ．34a π 2、设∑：2222(0)x y z a z ++=≥，1∑为∑在第一卦限的部分，则有（ ）．A ．14xdS xdS ∑∑=⎰⎰⎰⎰ Ｂ．14ydS ydS ∑∑=⎰⎰⎰⎰Ｃ．14zdS zdS ∑∑=⎰⎰⎰⎰ Ｄ．14xyzdS xyzdS ∑∑=⎰⎰⎰⎰3、设L 是从点()0,0沿折线11y x =--至点()2,0A 的折线段，则曲线积分LI ydx xdy =-+⎰=( )A ．2- Ｂ．1- Ｃ．0 Ｄ．24、设2()()x ay dx ydyx y +++为某函数的全微分，则常数a ＝（ ）．A ．1- Ｂ．0 Ｃ．1 Ｄ．2 5、设∑是柱面221,01x y z +=≤≤外侧，()x y z dydz ∑++=⎰⎰（ ）． A ．0 Ｂ．1π+ Ｃ．1 Ｄ．π三、计算下列曲线积分或曲面积分的值（每题6分，共24分）1、设L 是由直线2y x =，2y =和0x =所围成的三角形区域的边界，求Lxyds ⎰．2、2I z dS ∑=⎰⎰，其中∑是球面2222xy z a ++=．3、计算22C I xy dy x ydx +=-⎰，C 为圆周222x y a +=．4、2()I z x dydz zdxdy ∑=++⎰⎰，其中∑是旋转抛物面221()2z x y =+介于0z =及3z =之间部分的下侧．四、（8分）求面密度为1的均匀半球面2222:x y z a ∑++=，0z ≥对z 轴的转动惯量．五、（８分）设曲线C 为抛物线222x y =-上从点(0,1)A 到点(0,1)B -的一段弧，计算22Cxdy ydxI x y -=+⎰．六、（８分）设函数()f x 可导，且(0)1f =，求()f x 使得曲线积分()xLye dx f x dy +⎰在全平面上与路径无关，并计算(1,1)(0,0)()x I ye dx f x dy =+⎰．七、（8分）设∑是平面1x y z ++=在第一卦限部分的上侧，求曲面积分()I x y dydz ydzdx dxdy ∑=+++⎰⎰．八、（9分）计算曲面积分33311()()()22x x dydz y xz dzdx z z dxdy ∑++-+-⎰⎰，其中∑是球面2222x y z z ++=的内侧．（C ）提高题1、计算曲面积分zdS ∑⎰⎰，其中∑为锥面z =在柱体222x y x +≤内的部分．2、设S 为椭球面222122x y z ++=的上半部分，点(,,)P x y z S ∈，π为S 在点P 处的切平面，(,,)x y z ρ为点(0,0,0)O 到平面π的距离，求(,,)SzdS x y z ρ⎰⎰．3、设函数(,)Q x y 在xOy 平面上具有一阶连续偏导数，曲线积分2(,)Lx y d xQ x y d y +⎰与路径无关，并且对任意t 恒有(,1)(1,)(0,0)(0,0)2(,)2(,)t t xydx Q x y dy xydx Q x y dy +=+⎰⎰，求(,)Q x y ．4、设函数()y ϕ具有连续导数，在围绕原点的任意分段光滑简单闭曲线L 上，曲线积分24()22Ly dx xydyx yϕ++⎰的值恒为同一常数．证明：对右半平面0x >内的任意分段光滑简单闭曲线C ，有24()202Cy dx xydyx y ϕ+=+⎰．5、设函数()f x 在(,)-∞+∞内具有一阶连续导数，L 是上半平面(0)y >内的有向分段光滑曲线，其起点为(,)a b ，终点为(,)c d ，记2221[1()][()1]L xI y f xy dx y f xy dy y y=++-⎰， ⑴ 证明曲线积分I 与路径L 无关； ⑵ 当ab cd =时，求I 的值．6、计算222222()(2)(3)LI y z dx z x dy x y dz=-+-+-⎰，其中L 是平面2x y z ++=与柱面||||1x y +=的交线，从z 轴正向看去，L 为逆时针方向．7、确定常数λ，使向量42(,)2()A x y xy x y i λ=+242()x x y j λ-+在右半平面0x >上的为某二元函数(,)u x y 的梯度，并求(,)u x y ．8、已知平面区域{(,)|0,0}D x y x y ππ=≤≤≤≤，L 为D 的正向边界，试证： ⑴sin sin sin sin y x y x LLxe dy ye dx xe dy ye dx ---=-⎰⎰；⑵sin sin 22y x Lxe dy ye dx π--≥⎰．9、求[sin ()](cos )x xI e y b x y dx e y ax dy =-++-⎰，其中,a b 为正常数，L为从点(2,0)A a 沿曲线y =(0,0)O 的弧．10、计算曲面积分2222xdydz z dxdy x y z ∑+++⎰⎰，其中∑是由曲面222x y R +=及两平面z R =，(0)z R R =->所围成立体表面的外侧．11、计算212222()()axdydz z a dxdy x y z ∑++++⎰⎰，其中∑为下半球面z =上侧，a 为大于零的常数．12、计算曲面积分(2)x z dydz zdxdy ∑++⎰⎰，其中∑为有向曲面22z xy =+(01)z ≤≤，其法向量与z 轴正向的夹角为锐角．13、计算曲面积分332223(1)I x dydz y dzdx z dxdy ∑=++-⎰⎰，其中∑是曲面221(0)z x y z =-≥－的上侧．。

曲线曲面积分部分难题解答1．（P201,第1题）计算下列标量函数的曲线积分（第一型曲线积分）： （ⅰ）⎰lxyds ，l 为抛物线x y 22=上从原点)0,0(O 到点)2,2(A 的弧⋂OA ；（ⅱ）()⎰+l ds yx 22，l 为联结点)0,0(O 、)0,2(A 和)1,0(B 的三角形围线；（ⅲ）⎰+lsd y x 22，l 为圆周()022>=+a ax y x ；（ⅳ）()⎰++l ds zy x 222，l 为螺线()0,sin ,cos >===b bt z t a y t a x 的 一段弧()π20≤≤t ；（ⅴ）⎰l zds ，l 为曲线()⎩⎨⎧>===0,2222a ax y z y x 上从点)0,0,0(O 到)2,,(a a a A 的一段弧.解：（ⅰ）[]2,0,,21:2∈⎪⎩⎪⎨⎧==y y y y x l ，.1122dy y dy dy dx ds +=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=所以dy y y y xyds l2221..21+=⎰⎰（令t y tan =） tdtt 332arctan 0sec .tan21⎰= ()t td t sec sec .tan21222arctan 0⎰=()()t td t sec sec .1sec21222arctan 0-=⎰()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=315153155121sec 31sec 5121352arctan35|t t.15135515255315521+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=（ⅱ）解：()⎰+l ds yx 22⎰⎰⎰++=OAABOB()()3801.022222222==++=+⎰⎰⎰dx x dx xds y xOA;，其中：.20,,0:≤≤⎩⎨⎧==x xx y OA()()[]()dy y y ds y xAB21222221.22-++-=+⎰⎰().5354855102=+-=⎰dy y y其中：.10,,22,:≤≤⎩⎨⎧-==y y x y y AB()().3101.22212222==++=+⎰⎰⎰dy y dy yds y xBO，其中：.10,,0:≤≤⎩⎨⎧==y y y x BO所以.3535+=++=⎰⎰⎰OAABOBI（ⅲ）解法一：.20,sin 2,cos 22:π≤≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=t t a y t a a x l()().2cos 2sin 22222dt a dt t a t a dt t y t x ds =⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-='+'=所以，()dt at a t a s d y x l2sin 4cos 1420222222⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=+π()dt t a⎰+=π202cos 124dt t a⎰=π20222sin2.24dt t a⎰=π2022sin2.22cos 22sin2202202|a t a t d t a=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰ππ解法二：化l 为极坐标表示：().2,2,cos :⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∈=ππθθθa r l 则()().22,s i n .c o s s i n,c o s c o s :2πθπθθθθθθθ≤≤-⎩⎨⎧====a r y a r x l ()()()().sin cos 2222θθθθθad dt a a dt r r ds =-+='+=所以，()()[]θθθθππad a a s d y x l⎰⎰-+=+2222222sin cos cosθθππd a a ⎰-=2222cos .2sin 2cos 2220222|a a d a===⎰ππθθθ（ⅳ） ()()()()()dt b a dt b t a t a dt t z t y t x ds22222222cos sin +=++-='+'+'=()()()()[]dt b a bt t a t a ds z y x l2220222222.sin cos +++=++⎰⎰π()|203222220222223ππ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=++=⎰t b t a b a dt t b aba[].433222222b a b a++=ππ2．（P201,第2题）设有某种物质分布在椭圆1:2222=+by ax l 上，其密度().,y y x =μ求它的总质量.解：不妨假设.b a >⎰⎰==14l lydsds y M ，其中.2,0,sin ,cos ;1⎥⎦⎤⎢⎣⎡∈⎩⎨⎧==πt t b y t a x l ()()()().cos sincos sin 22222222dt t b t a dt t b t a dt t y t x ds +=+-='+'=所以dt t b t a t b yds M l 222220cos sinsin 441+==⎰⎰π()dt t b a a t b 222220cos sin 4--=⎰π()()t d t b a a b cos cos 4202222⎰---=π()du u b a a b 222214---=⎰()du u b a a b 222214--=⎰duu ba aba b ⎰---=22222224π（公式）|102222222222222arcsin .2.4⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+---=u ba au ba au ba ab a b ()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+---=21arcsin .2.42222222222ba aab a b a a b a b.arcsin..222222⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--=b ab a ba ab 3．（P202,第3题）设曲线l 的长度为L ，而函数f 在包含l 的某个区域内连续.证明：()().max .P f L dsP f lP l∈≤⎰证明：由第一型曲线积分的定义()()ini id ls P f dsP f ∆=∑⎰=→.lim1故()()ini id ls P f dsP f ∆=∑⎰=→.lim1()ini id s P f ∆=∑=→.lim1()ini id sP f ∆≤∑=→.lim1()ini lp d sP f ∆≤∑=∈→.m a x lim1().m a x .P f L lP ∈=4．（P202,第4题）从原点()0,0O 到点()2,1A 沿下列不同路径分别计算第二型曲线积分.⎰⋂-OAydx xdy（1）.⋂OA 为直线段；（2）.⋂OA 为抛物线22x y =上的弧；（3）.⋂OA 为从点()0,0O 经点()0,1B 到点()2,1A 的折线⋂OBA . 解： （1） .1~0:,,2:x xx x y OA ⎩⎨⎧==⋂[].022.1=-=-⎰⎰⋂dxx x ydx xdy OA（2）.1~0:,,2:2x x x x y OA ⎩⎨⎧==⋂[].323224.|10312==-=-⎰⎰⋂xdxx x x ydx xdy OA（3）.220=+=+=+⎰⎰⎰⋂OBBAOAydx xdy其中，.1~0:,.,0:x x x y OB ⎩⎨⎧==();000.1=-=-⎰⎰dxx ydx xdy OB其中，.2~0:,.,1:y y y x BA ⎩⎨⎧== ().20.12=-=-⎰⎰dyy ydx xdy BA5．（P202,第5题）计算曲线积分 .⎰+lxdy ydx（1）.l 为从点()0,a 点()0,a -的上半圆周()022>-=a xa y ；（2）. l 为从点()0,a 点()0,a -的直线段()0>a ； （3）. l 为逆时针方向的圆周.222a y x =+ 解： （1）.~0:,sin ,cos :πt t a y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l⎰⎰+-=+πcos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ22cos 02sin 2|02=πt a.（2）.~:,,0:a a x x x y l -⎩⎨⎧==().00.0=+=+⎰⎰-dxx xdy ydxaal（3）.2~0:,sin ,cos :πt ta y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l⎰⎰+-=+π20cos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ2022cos 02sin 2|202=πt a.6．（P202,第6题）计算沿逆时针方向的圆周()222a y x =+的曲线积分 ()().22⎰+--+lyx dyy x dxy x解：π2~0:,.sin ,cos :t t a y t a x l ⎩⎨⎧==，所以，()()⎰+--+lyx dyy x dxy x 22()()()()dtat a t a t a t a t a t a ⎰---+=π202cos .sin cos sin sin cos.22022ππ-=-=⎰dt aa7．（P202,第7题）计算下列曲线积分，曲线的方向与参数增加方向： （ⅰ）()()dy xy y dx xy x l⎰-+-2222，l 为抛物线()112≤≤-=x x y ；（ⅱ）()()dy y x dx yx l ⎰-++2222，l 为折线()2011≤≤--=x x y ；（ⅲ）()dz x yzdy dx zy l ⎰-+-2222，l 的参数方程为().10,,3,2≤≤⎪⎩⎪⎨⎧===t t z t y t x ；解：（ⅰ）.1~1:,:2-⎩⎨⎧==x xy x x l()()dy xy y dx xy xl⎰-+-2222()()[]d x x x x xxx x⎰--+-=1124222..2.2[].151454324|10531142-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=⎰-x x dx x x （ⅱ）设点().0,1A 则()()dyyx dx y xL2222-++⎰()()dyyx dx y xOA2222-++=⎰()()dyyx dx y xAB2222-+++⎰其中 .1~0:,,:x x x x y OA ⎩⎨⎧==故()()()()[]d x xxxxdy yx dx y xOA⎰⎰-++=-++1022222222.32322|10312===⎰x dx x ;其中.2~1:,,2:x x x x y AB ⎩⎨⎧=-=故()()()()()()()[]d x x xx xdy yx dx y xAB⎰⎰---+-+=-++21222222221.22()().3232222|213212=-=-=⎰x dx x所以原式.343232=+=（ⅲ）()dz x yzdydx zy l ⎰-+-2222()[]d t t t t t ttt⎰-+-=102232643.2 (2)[].351527323|1571046=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=⎰t t dttt8．（P202,第8题）设曲线l 的长度为L ，而函数()P f 在包含l 的某个区域内连续.证明：()).max ...P L d P f lP l∈≤⎰证明：设()()(){}.,21P f P f P f =由第二型曲线积分的定义及柯西不等式()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i iid ly P f xP f rd P f 121..lim.故()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i iid ly P f xP f d P f 121..lim.()()[]∑=→∆+∆≤ni i i iid y P f xP f 121..lim()()()()2212221.limi i ni i i d y x P f P f ∆+∆+≤∑=→)()()221.limi ini id y x P ∆+∆=∑=→)()())⎰∑=→=∆+∆≤li ini d ds P y x P .max .max lim221)P L =m a .9．（P209,第1题）求下列曲面块的面积：（ⅰ）球面2222a z y x =++包含在圆柱面()a b b y x ≤<=+0222内的那部分面积；（ⅱ）圆锥面22yx z +=被圆柱面x y x 222=+截下的那一部分；（ⅲ）圆柱面222a y x =+被圆柱面222a z y =+截下的那一部分.解：（ⅰ）画出示意图222:b y x D xy ≤+. 将曲面方程化为:z ∑=2z zx y∂∂=-=-∂∂，所以，d S d x d d x d y==. 因此d x d yyx a a S S xyD ⎰⎰--==22222上 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-=⎰⎰|022022202.2122bbra a ra a r d r d πθπ极().422b a a a --=π（ⅱ）画出示意图x y x D xy 2:22≤+. 由曲面方程22:yx z +=∑，得,22yx x xz +=∂∂,22yx y yz +=∂∂，所以，,2122d x d y d x d y y z x z dS =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+=.因此().222π===⎰⎰xy D D S dxdy S xy（ⅲ）利用对称性（仅在第一卦限内计算）18S S =，曲面1∑（1∑为∑在第一卦限的那部分，其面积设为1S ）向yoz 面上的投影区域为222:a z y D yz ≤+. 将曲面1∑方程化为22ya x -=，则,22ya y yx --=∂∂,0=∂∂zx ，所以，d y d zya a d y d z z x yx dS 22221-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.因此d y d zya a S S yzD ⎰⎰-==22188 ⎰⎰--=22228ya a dz ya a dy .882a a d z a==⎰10．（P209,第2题）求下列曲面积分：（ⅰ）()⎰⎰++Sy x dS21，式中S 为四面体()1,0,0,0≤++≥≥≥z y x z y x 的表面；（ⅱ）()dS y x S⎰⎰+22，式中S 为圆柱体()h z a y x ≤≤≤+0,222的表面；（ⅲ）()dS z y x S⎰⎰++，式中S 为球面()2222a z y x =++的表面.解：（ⅰ）.4321S S S S S +++= 其中,0:1=z S dxdy dS =1，()()()dy y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++110222111111dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-101010211111|()212ln 211ln 2111|1010-=-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎰x dx x ；,0:2=x S d y d z dS =2，()()()dz y dy dydz y y x dSyD S yz⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++1102221101112()()dy y y dy y y⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=+-=102102111211()2ln 11ln 12||110-=+-+-=y y；,0:3=y Sd z d x dS =3，()()()dzx dx dzdx x y x dSxD S zx⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++1102221101113()()dx x x dx x x⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=+-=10212111211 ()2ln 11ln 12||1010-=+-+-=x x；,1:4y x z S --= d x d ydS 34=，()()()dz y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++101022211311314dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-1011021113113|().212ln 33211ln 321113|110⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+=⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎰x dx x；所以()⎰⎰++Sy x dS21()+++=⎰⎰121S y x dS()+++⎰⎰221S y x dS()⎰⎰++321S y x dS ()⎰⎰++421S y x dS()()().32ln 2213212ln 32ln 12ln 1212ln +-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=（ⅱ）.321S S S S ++=其中,0:1=z S d x d y dS =1，()()r d r r d d x d y y xdS y xaD S xy.420222221⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ24a π=；,:2h z S = d x d y dS =2，()()r d r r d d x d y y xdS y xaD S xy.420222222⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ24a π=；,:2223a yx S =+其向yoz面上的投影区域为⎩⎨⎧≤≤-≤≤.,0:a y a h z D yz . 将曲面3S 方程化为22y a x -±=，则,22ya y yx --=∂∂,0=∂∂zx ，所以，d y d z ya a d y d z z x yx dS 22221-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.因此()()d y d zya a yya dS y xyzD S ⎰⎰⎰⎰-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+222222322.23⎰⎰-=-haadz ya dy a22312..2arcsin433|h a ayh a aπ==或者()..22..32232233h a ah a dS a dS y xS S ππ===+⎰⎰⎰⎰所以()⎰⎰++Sy x dS21()++=⎰⎰122S dSyx()++⎰⎰222S yx()dSy xS ⎰⎰+322().22223344h a ah a a a+=++=ππππ （ⅲ）由积分区域的对称性，及被积函数的奇偶性知，显然()dS z y x S⎰⎰+++=⎰⎰dSx SdS y S⎰⎰().0=+++⎰⎰dS z y x S11．（P210,第3题）证明泊松公式()()d uc b a uf dS cz by ax f S⎰⎰⎰-++=++112222π其中S 为球面0,1222222>++=++c b a z y x ，f 为连续函数.证明：取新的空间直角坐标系Ouvw ，其中原点不变，使坐标平面Ouvw 与平面=++cz by ax 重合，并使Ou 轴垂直于平面0=++cz by ax .则有其实根据坐标系Ouvw 选取方法的描述，我们不难看出Ou 轴上的单位向量就可取作平面0=++cz by ax 的单位法线向量.则 222cb a cz by ax u ++++=（1）（注意到，显然222cb a cz by ax u ++++=为点()z y x P ,,到平面0=++cz by ax 的距离）.则()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222显然在新坐标系下，球面的形状并未改变（仍记为S ），且它的方程应为 1222=++w v u （2） （因为在新的坐标系下，任何一个球面上的点到原点的距离仍然为1.）由（2）式可得： ()22221u w v -=+ （3）当u 固定时，（3）式其实就表示垂直于Ou 轴平面上的一个圆周. 进一步，我们把S 化为参数方程表示：.20,11,sin 1,cos 1,22πθθθ≤≤≤≤-⎪⎩⎪⎨⎧-=-==u u w u v u u,1='uu ,cos 12θuu v u --=';sin 12θuu w u--=',0='θu ,sin 12θθu v --='.cos 12θθu w -='于是，;112222uw v u E u u u-='+'+'=;0...=''+''+''=θθθw w v v u u F u u u.12222u w v u G -='+'+'=θθθ因此， 曲面的元素dS =dudv = （4）故()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222()d u c b a u f d ⎰⎰-++=πθ2011222().211222⎰-++=du cb a u f π12（P210,第4题）设某种物质均匀分布在球面2222a z y x =++上（认为分布密度1=ρ）.求它对于oz 轴的转动惯量. 解：由公式 ()dSy xJ S⎰⎰+=22由对称性()dSy x J S ⎰⎰+=1228其中2221:yx a z S--=，则2z z x y∂∂=-=-∂∂，所以，d S d x d d x d y==. 因此()d x d yy x a a y x S S xyD ⎰⎰--+==222221.88 r d r ra rd a a.8022220⎰⎰-=πθ极()r d r r a aara a.4022222⎰-+-=πr d r r a a a.4022⎰--=πr d rra aa.140223⎰-+π()22022.2ra d r a a a--=⎰π()220223.12ra d ra a a---⎰π()|232232.2araa -=π|2232.2ara a --π434aπ-=44aπ+ .384a π=13（P217,第1题）沿圆锥面()122≤=+z yx S的下侧，求曲面积分S d r S.⎰⎰，其中{}.,,z y x r =解：⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdyydzdx xdydzS d r .化为第一型曲面积分计算.S 的向下的法向量{}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++=-''=1,,1,,2222yx y yx x z z n y x，所以{}.c o s ,c o s ,c o s21,2,22222γβα=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++==yx yyx x n 故⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdyydzdx xdydzSd r . ()⎰⎰++=SdSz y x γβαcos .cos .cos .⎰⎰⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+++=SdSz yx y yx x222222222⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=SdS z y x 2222（根据第一型曲面积分的计算方法） ⎰⎰=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=xy D dxdy y x y x .0222222214（P217,第2题）沿椭球面1222222=++cz by ax 的外侧，求曲面积分.⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Sz dxdy y dzdx xdydz解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，222211:by ax c z S --=（上侧）；222221:by ax c z S ---=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为.1:2222≤+by ax D xy故dxdyby ax c zdxdy xyD S ⎰⎰⎰⎰--=2222111作变量代换： ⎩⎨⎧==.s i n,c o s θθbr y ar x由二重积分的换元法drabrd rc dxdy by ax c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111.其中 ()()abr br b ar a y ry xrx r y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,10:πθr D所以=⎰⎰1S zdxdy drabrd rc dxdy by ax c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111dr r r d cab ⎰⎰-=πθ201211dr r rd cab ⎰⎰-=πθ201211所以，().212111|12212πππcab rcabrd rcab =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=---=⎰（1）同理 dxdy by ax c zdxdy xyD S ⎰⎰⎰⎰----=2222112.2112222πcab dxdy by ax c xyD =--=⎰⎰（2）所以=⎰⎰Szdxdy +⎰⎰1S zdxdy .42πcab zdxdy S =⎰⎰（3）由轮换对称性，知：πa bc x dzdy S4=⎰⎰；.4πbac ydzdx S=⎰⎰故⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Sz dxdy y dzdx xdydz +=⎰⎰Szdxdy +⎰⎰Sxdzdy ⎰⎰Sydzdx+=πc ab4πabc4().44222222ac c b b a abc b ac ++=+ππ15（P217,第3题）沿球面()()()2222R c z b y a x =-+-+-的外侧，求曲面积分.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，()()2221:b y a x R c z S ----+=（上侧）；()()2222:b y a x R c z S -----=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为:xy D ()()222R b y a x ≤-+-故()()dxdy b y a x R c dxdy zxyD S ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+=222221作变量代换：⎩⎨⎧+=+=.s i n ,c o sθθr b y r a x由二重积分的换元法()()[]r d r rR c d x d y b y a x R c D D xy⎰⎰⎰⎰'-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+2222222.其中 ()()r r r y ry xrx r y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,0:πθR r D所以=⎰⎰12S dxdy z[]rdr rR c D 222⎰⎰'-+()drr rR c d R⎰⎰-+=πθ20222()rdr rR c R2222⎰-+=π()r dr r R rR c c R⎰-+-+=02222222πrdr r R c rdr c RR⎰⎰-+=0222222ππ()rdr r RR⎰-+0222π()()|||0222023220222132.222R RR r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=πππ.2344322R cRRc πππ++=（1）同理()()dxdy b y a x R c dxdy z xyD S ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡------=222221[]rdr rR c D 222⎰⎰'---=()dr r rR c d R⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πθ20222()rdr rR c R2222⎰---=π()r dr r R rR c c R⎰-+---=02222222πrdr r R c rdr cR R⎰⎰-+-=0222222ππ()rdr r RR⎰--0222π()()|||0222023220222132.222R RR r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πππ.2344322R cRRc πππ-+-=（2）所以=⎰⎰Sdxdy z 2+⎰⎰12S dxdy z 32382cRdxdy z S π=⎰⎰； （3）由轮换对称性，知：=⎰⎰Sdydz x 2338aRπ；=⎰⎰Sdzdx y 2.383bR π故.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x⎰⎰=Sdydzx2⎰⎰Sdzdxy 2⎰⎰Sdxdyz2().383c b a R ++=π16（P217,第4题）设S 为长方体()c z b y a x ≤≤≤≤≤≤0,0,0的表面.沿外侧求曲面积分⎰⎰Sxyzdxdy解：把S 分割为654321,,,,,S S S S S S 六个部分. 其中()b y a x c z S ≤≤≤≤=0,0:1的上侧； ()b y a x z S ≤≤≤≤=0,00:2的下侧； ()c z b y a x S ≤≤≤≤=0,0:3的前侧； ()c z b y x S ≤≤≤≤=0,00:4的后侧； ()c z a x b y S ≤≤≤≤=0,0:5的右侧； ()c z a x y S ≤≤≤≤=0,00:6的左侧.注意到除21,S S 外，其余四片曲面在xoy 面上的投影为零，因此=⎰⎰Sxyzdxdy+⎰⎰1S xyzdxdy⎰⎰2S xyzdxdy⎰⎰=xyD xycdxdy⎰⎰-xyD dxdyxy 0.c b a yd y x d x c ab.422⎰⎰==17（P225第1题）利用格林公式计算下面的曲线积分（l 的方向为正方向）： （ⅰ）()dy xy dx y x l22+-⎰，l 为圆周()222a y x =+；（ⅱ）()()dy y x dx y x l--+⎰，l 为椭圆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+12222b ya x ； （ⅲ）()xdy dx y l+-⎰，l 为曲线()1=+y x ；（ⅳ）()()dy y y e dx y e x lx sin cos 1---⎰，l 为区域().sin 0,0x y x D <<<<π；18（P225第2题）求()()dy m y e dx my y eI xxL-+-=⎰cos sin ，（m 为常数）其中l 是自点()0,a A 经过圆周()022>=+a ax y x 的上半部分到点O(0,0)的半圆 周.（提示：作辅助线后用格林公式）.解：cos ,cos xxP Q e y m e y yx∂∂=-=∂∂.所以，由格林公式：221...428A OO A D DQ P a dxdy m dxdy m m a x y ππ⋂⎡⎤∂∂+=-===⎢⎥∂∂⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰⎰. 所以，2220.888AOOAma ma ma I πππ⋂==-=-=⎰⎰（因为，⎰⎰==OAadx 0.00）19（P225第5题）设函数()x f 在正半轴()0>x 上有连续导数()x f '且().21=f 若 在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有 ()043=+⎰dy x xf ydx x l求函数().x f解：()y x y x P 34,=，()()x xf y x Q =,都是右半平面上的连续函数，由于在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有 ()043=+⎰dy x xf ydx xl故有xQ yP ∂∂=∂∂即()()x f x x f x '+=34 化简，得()()241xx f xx f =+' （1）（1）为一阶线性微分方程，其通解为()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎰⎰=⎰-c e x e x f dx xdx x 1214[]()cdx xx c e x e x x +=+=⎰⎰-3ln 2ln 414().1134xcx c xx+=+=（2）代入条件()21=f ，得 .1=c故().13x x x f +=20（P226第6题）设D 是以光滑曲线l 为正向边界的有界闭区域，而函数()y x u u ,= 在闭区域D 上具有连续的二阶偏导数且记 2222yu xuu ∂∂+∂∂=∆证明：⎰⎰⎰∆=∂∂Dludxdy ds nu其中()()y n yu x n xu nu ,cos ,cos ∂∂+∂∂=∂∂表示函数()y x u u ,=沿边界曲线l 外法线方向的方向导数.证明：设τ为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos τ、()y ,cos τ，则 有()()y x n ,,τ=，()().,,x y n τπ-= 故()()y x n ,c o s ,c o s τ=，()().,cos ,cos x y n τ-=()()ds x y u y xu ds nul l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系）dx yu dy xul⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u y x u x=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=⎰⎰Ddxdy y u x u 2222.⎰⎰∆Dudxdy21（P226第7题）在第6题的假设和记号下，证明：.22ds nu uudxdy u dxdy y u x u D lD⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂证明：仿上题 ()()ds x y uy xu u ds nu ul l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系） dx yu udy xu ul⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u u y x u u x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=Ddxdy y u u y u y u x u u x u x u 2222....dxdy y ux u u dxdy y u x u DD⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰222222udxdyu dxdy y u x u DD∆+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰22移项，即得 .22ds nu uudxdy u dxdy y u x u D lD⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂22（P227第8题）格林第二公式 若函数()y x u u ,=和()y x v v ,=都满足第6题中的假设，证明： dsvun v n udxdy vuv u lD⎰⎰⎰∂∂∂∂=∆∆证明：我们有 ()()ds x y u y xu v ds nu vl l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ （由两型曲线积分之间的联系）dx yu vdy xu vl⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u v y x u v x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=Ddxdy y u v y u y v x u v x u x v 2222....⎰⎰⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDdxdy y u x u v dxdy y v y u x v x u 22.. ...⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDudxdy v dxdy y v y u x v x u （1）由轮换对称性，知 dsnv ul⎰∂∂ ...⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDvdxdy u dxdy y v y u x v x u （2）于是ds n v u n uv ds vun v n ul l⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂∂∂⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=⎰⎰⎰⎰DDudxdy v dxdy y v y u x v x u ..⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂-⎰⎰⎰⎰DD vdxdy u dxdy y v y u x v x u ..()⎰⎰∆-∆=Ddxdyv u u v .dxdy vuv u D⎰⎰∆∆=23（P227第9题）计算高斯(Gauss)积分 ()(b a I ⎰=,其中l 为简单（光滑）闭合曲线，r 为不在l 上的点()b a ,到l 上动点()y x ,的向量，而n 为l 上动点()y x ,处的法向量.解：设τ为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos τ、()y ,cos τ，则 有()()y x n ,,τ=，()().,,x y n τπ-= 又设()(){}y n x n n ,cos ,,cos 0= ，{}b y a x r --=,，则()()()()()()().,c o s .,c o s .,c o s ,c o s 2200b y a x y n b y x n a x n r n r -+--+-==⎪⎭⎫ ⎝⎛= 故(()()()()()().,cos .,cos .22b y a x y n b y x n a x -+--+-=()()()()()()()[]ds y n b y x n a x b y a x b a I l ,cos ,cos .1,22-+--+-=⎰()()()()()()[]ds x b y y a x b y a x l,cos ,cos .122ττ----+-=⎰()()()().22⎰-+----=l b y a x dx b y dya x记 ()()(),,22b y a x by y x P -+---=()()().,22b y a x ax y x Q -+--=则()()()(),2222b y a x a x b y yP -+-----=∂∂()()()().2222b y a x a x b y x Q -+-----=∂∂它们在xo y 平面内除点 ()b a ,外处处连续，且.0=∂∂-∂∂yP xQ（一）若点()b a ,在l 所包围的区域D 外，原式=0；（二）若点()b a ,在l 所包围的区域D 内，以点()b a ,为中心作一个充分小的圆()()).0(:222>=-+-εεεb y a x l 取逆时针方向，使之完全包含在l 为边界的区域内.记介于εl 和l 之间的区域为'εD . 则在'εD 由格林公式可得：)()()()⎰-+----lb y a x dxb y dy a x 22()()()()⎰-+-----εl b y a x dx b y dy a x 22.0⎰⎰'=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂=εD dxdy y P x Q所以，()()()()⎰-+----=l b y a x dx b y dya x I 22()()⎰---=εεl dxb y dy a x 2()()⎰---=εεl dx b y dy a x 21（格林公式）()()ππεεεεε2.22112222===⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂=⎰⎰⎰⎰DD dxdy dxdy y y b x a x .24（P227第10题）利用斯托克斯公式重新计算积分（例3） ()()(),⎰-+-+-=ldz y x dy z x dx y z I 其中l 是曲线⎩⎨⎧=+-=+.2,122z y x y x方向为从oz 轴正方向往负方向看去是顺时针方向. 解一：由斯托克斯公式d x d y yx zx yz z y x d x d y d z d x d y d z 2=---∂∂∂∂∂∂.取∑为平面2=+-z y x 上由椭圆所围成的那一小块曲面.（取下侧），因此{}1,1,1-=n ,.31,33,33⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=n ） ()()()dSdxdy dz y x dy z x dx y z I l⎰⎰⎰⎰⎰∑∑-=-=-+-+-=3122.2.23.312⎰⎰⎰⎰-=-=-=xyxyD D dxdy dxdy π解二：（直接计算）()()()⎰⎰⎰∑=-+-+-=dxdydz y x dy z x dx y z I l2其中，.1:22≤+y x D xy所以，.22π-=-=⎰⎰dxdy I xyD .25（P238第1题）下面的向量场是否为保守场？若是，并求位势:u(){};sin cos 2,sin cos 2122y x x y x y y x f --=解：（1）这里()x y y x y x P sin cos 2,2-=，().sin cos 2,2y x x y y x Q -=因为xQ x y y x yP ∂∂=--=∂∂sin 2sin 2，()2,R y x ∈所以{}y x x y x y y x f sin cos 2,sin cos 222--=是定义在全平面上的保守场.所以，()+-dx x y y x sin cos22()dyy x x y sin cos 22-是某一个函数()y x u ,的全微分.故可取()()()()()dyy x x y dx x y y x y x u y x sin cos 2sin cos 2,2,0,02-+-=⎰()()dyy xx y dx x x yx⎰⎰-+-=0202sin cos 2sin 00cos 2[]||0222c o s c o s yx yx x y x++=()[]2222c o s c o s xy x x yx -++=.cos cos 22y x x y +=则，所求的位势为().cos cos ,22c y x x y c y x u ++=+(){}.sin ,cos ,222z y ex z xef yy--=--解：这里()()().sin ,,,cos ,,,2,,2z y z y x R e x z z y x Q xez y x P yy-=-==--。

第八章 曲线积分和曲面积分我们前面已学过定积分和重积分，当一个函数定义在空间的曲线或曲面时，则要求我们计算曲线积分或曲面积分。

由于物理背景的不同，我们还须区别曲线或曲面的方向性，因此我们要分别研究两种不同类型的积分。

§1 第一型曲线积分与曲面积分１． 第一型曲线积分我们研究如下的一个理想问题，给定空间的一条曲线物体L ，L 上每点有线密度，现在我们要求它的质量。

我们对此问题作如下限制，设L 是空间的可求长曲线，端点为A 和B ，密度函数(,,)f x y z 在L 上定义。

为了求质量，象定积分一样，我们对L 作一分割，01,,,,(,1,2,,,)n j A A A A B A j n L ===L L 在上，这样我们就将L 分成n 小段，设每段的长度为j s V 。

在每段弧长上任取一点ξηςｊｊｊ（，，），作和式,1(,)nj jj j j f s ξης=∑V以此作为L 质量的近似值。

最后我们令1max{}0j j ns λ≤≤=→V ，即可得到L 质量的精确值M ，即,01lim (,)nj j j j j M f s λξης→==∑V由此我们可得到以下定义 定义设L 是空间可求长曲线，(,,)f x y z 在L 上连续，L 的两个端点为A,B ，依次用分点01,,,n A A A A B ==L 将L 分成n 小段。

每小段弧及弧长均记为j s V ，在j s V 上任取一点(,,)j j j j P ξης=，作和式,1(,)nj jj j j f s ξης=∑V如果当1max{}0j j ns λ≤≤=→V 时，上述和式的极限存在，且不依赖于L 的分法及j P 的选取，则称这一极限值为(,,)f x y z 。

在L 上的第一型曲线积分，记作(,,)Lf x y z ds ∫。

第一型曲线积分也有类似于定积分的一些性质，如关于被积函数的线性及关于曲线的可加性，它与定积分的一个差别是第一型曲线积分与曲线的方向无关。

第八章 曲线积分与曲面积分 8.1对弧长的曲线积分8.2对坐标的曲线积分07.1) 设曲线:(,)1((,)L f x y f x y =具有一阶连续偏导数)，过第II 象限内的点M 和第IV 象限内的点N ，T 为L 上从点M 到点N 的一段弧，则下列小于零的是 （ B ） (A )(,)Tf x y dx ⎰. (B)(,)Tf x y dy ⎰.(C)(,)Tf x y ds ⎰. (D)(,)(,)x y Tf x y dx f x y dy ''+⎰.04.1) 设L 为正向圆周222=+y x 在第一象限中的部分，则曲线积分⎰-Lydx xdy 2的值为π23.（利用极坐标将曲线用参数方程表示） 09.1)已知曲线2:(0L y x x =≤≤，则Lxds ⎰=13610.1)已知曲线L 的方程为1||,y x =-([1,1]),x ∈-起点为(1,0),-终点为(1,0),则曲线积分2Lxydx x dy +=⎰0 （直接算或格林）01.1)计算222222()(2)(3)LI y z dx z x dy x y dz =-+-+-⎰，其中L 是平面2x y z ++=与柱面|x |+|y |=1的交线，从z 轴正向看去，L 为逆时针方向。

解：记S 为平面2x y z ++=上L 所围部分的上侧，D 为S 在xOy 坐标面上的投影。

由斯托克斯公式得(24)(26)(26)SI y z dydz z x dzdx x y dxdy=--+--+--⎰⎰(423)Sx y z dS =++⎰⎰2(6)Dx y dxdy =--+⎰⎰12Ddxdy =-⎰⎰=-2408.1)计算曲线积分2sin 22(1)Lxdx x ydy +-⎰，其中L 是曲线sin y x =上从点(0,0)到点(,0)π的一段.（路径表达式直接代入）8.3格林公式02.1)设函数()f x 在(,)-∞+∞内具有一阶连续导数，L 是上半平面(0)y >内的有向分段光滑曲线，其起点为(,)a b ，终点为(,)c d ，记22211()()1Lx I y f xy dx y f xy dy y y ⎡⎤⎡⎤=++-⎣⎦⎣⎦⎰（1）证明曲线积分I 与路径L 无关；（2）当ab cd =时，求I 的值.03.1) 已知平面区域}0,0),{(ππ≤≤≤≤=y x y x D ，L 为D 的正向边界. 试证： (1)dx ye dy xe dx ye dy xex Ly x Lysin sin sin sin -=-⎰⎰--; (2) .22sin sin π≥--⎰dx ye dy xe x Ly【详解】 方法一： (1) 左边=dx e dy e x y ⎰⎰--0sin 0sin ππππ=⎰-+ππ0sin sin )(dx e e x x ，右边=⎰⎰--ππππ0sin sin dx edy exy=⎰-+ππ0sin sin )(dx e e x x ，所以dx ye dy xe dx ye dy xex Ly x L ysin sin sin sin -=-⎰⎰--.(2) 由于2sin sin ≥+-x xe e，故由（1）得.2)(20sin sin sin sin πππ≥+=-⎰⎰--dx e e dx yedy xex x xLy方法二：（1） 根据格林公式，得⎰⎰⎰--+=-Dx y x Ly dxdy e e dx ye dy xe )(sin sin sin sin ， ⎰⎰⎰+=---Dx y x Ly dxdy e e dx ye dy xe )(sin sin sin sin . 因为D 具有轮换对称性，所以⎰⎰-+Dx y dxdy e e )(sin sin =⎰⎰+-Dxy dxdy e e )(sin sin ， 故dx ye dy xe dx ye dy xex Ly x Lysin sin sin sin -=-⎰⎰--.(2) 由(1)知⎰⎰⎰--+=-Dx y x Ly dxdy e e dx ye dy xe )(sin sin sin sin =dxdy e dxdy e DDx y ⎰⎰⎰⎰-+sin sin =dxdy e dxdy e DDxx ⎰⎰⎰⎰-+sin sin （利用轮换对称性） =.22)(2sin sin π=≥+⎰⎰⎰⎰-dxdy dxdy e eDDx x05.1)设函数)(y ϕ具有连续导数，在围绕原点的任意分段光滑简单闭曲线L 上，曲线积分⎰++Ly x xydydx y 4222)(ϕ的值恒为同一常数.（I ）证明：对右半平面x >0内的任意分段光滑简单闭曲线C ，有022)(42=++⎰Cyx xydydx y ϕ；（II ）求函数)(y ϕ的表达式.【详解】 （I ）Yl 3如图，将C 分解为：21l l C +=，另作一条曲线3l 围绕原点且与C 相接，则=++⎰Cy x xydydx y 4222)(ϕ-++⎰+314222)(l l y x xydydx y ϕ022)(3242=++⎰+l l y x xydydx y ϕ.（II ） 设2424()2,22y xyP Q x yx y ϕ==++，,P Q 在单连通区域0x >内具有一阶连续偏导数，由（Ⅰ）知，曲线积分24()22Ly dx xydyx yϕ++⎰在该区域内与路径无关，故当0x >时，总有Q Px y∂∂=∂∂. 24252422422(2)4242,(2)(2)Q y x y x xy x y y x x y x y ∂+--+==∂++ ① 243243242242()(2)4()2()()4().(2)(2)P y x y y y x y y y y y y x y x y ϕϕϕϕϕ'''∂+-+-==∂++ ② 比较①、②两式的右端，得435()2,()4()2.y y y y y y y ϕϕϕ'=-⎧⎨'-=⎩ 由③得2()y y c ϕ=-+，将()y ϕ代入④得 535242,y cy y -= 所以0c =，从而2().y y ϕ=- 06.1)设在上半平面D=(){},0x y y >内,数(),f x y 是有连续偏导数,且对任意的t >0都有()()2,,f tx ty t f x y =.证明: 对L 内的任意分段光滑的有向简单闭曲线L ,都有()()2,,0yf x y dx xf x y dy -=⎰证：把2(,)(,)f tx ty tf x y t -=两边对求导得：(,)(,)2(,)x y xf tx ty yf tx ty tf x y ''+=-令 1t =，则(,)(,)2(,)x y xf x y yf x y f x y ''+=- 再令 (,),(,)P yf x y Q xf x y ==-③ ④所给曲线积分等于0的充分必要条件为Q Px y ∂∂=∂∂今 (,)(,)x Q f x y xf x y x∂'=--∂(,)(,)y Pf x y yf x y y∂'=+∂ 要求Q Px y∂∂=∂∂成立，只要(,)(,)2(,)x y xf x y yf x y f x y ''+=- 我们已经证明，Q Px y∂∂∴=∂∂，于是结论成立。

一、选择题1. 设有曲线222:r y x C =+，0≥y ，其中0>r 为常数，则对弧长的曲线积分()⎰+Cds y x22的值为（ ）A. 2r π； B. 3r π； C. 4r π； D. 32r π.2. 简单闭曲线L 所围成的区域的面积为S ，L 取逆时针方向，则S 为 （ ） A.⎰-L ydy xdx 21； B. ⎰-L xdx ydy 21； C. ⎰-L xdy ydx 21； D. ⎰-Lydx xdy 21. 3. 设平面曲线C 是从点)1,1(到点)3,2(的直线段，则对坐标的曲线积分()⎰=-+Cdy x y xdx 2（ ）A. 4-；B. 4；C. 2；D. 6.4. 设有平面闭区域},|),{(a y x a x a y x D ≤≤≤≤-=，},0|),{(1a y x a x y x D ≤≤≤≤=，则 =+⎰⎰dxdy y x xy D)sin cos (（ ） A. ydxdy x D sin cos 21⎰⎰； B. xydxdy D 12⎰⎰； C. ydxdy x D sin cos 41⎰⎰；D. 0.5. 设封闭曲线L 由直线0=x ，0=y ，2=x 4=y 所围成，取逆时针方向，则曲线积分()⎰=-+-Ldy xy y dx xy x 2)2(22 （ ）A. 3816+-； B. 31616--； C. 32-； D. 16-. 6. 若L 为由点)0,0(O 到点(,0)B π的曲线弧sin ,y x =则L=ydx xdy +⎰（ ）A. 4ab π；B. 0；C. 3ab π； D. ab π.二、判断题1. 设开区域是D 是一个单连通域，函数),(y x P 及),(y x Q 在D 内具有一阶连续偏导数，则在D内xQ y P ∂∂=∂∂的充要条件是曲线积分⎰+L Qdy Pdx 在D 内与路径相关. （ ）2. 在D 上，1),(=y x f ，S 为D 的面积，则S d y x f D=⎰⎰σ),(. （ ）3. 格林公式是斯托克斯公式的推广.（ ）《 高等数学 》 曲线积分与曲面积分测试题14. 当∑是xOy 面内的一个闭区域时，曲面积分⎰⎰⎰⎰=∑xyD d y x f dS z y x f σ)0,,(),,(.（ ）5. 第一类曲线积分只与曲线的起点和终点有关.（ ）6. 曲线积分cydx xdy -⎰与路径无关。

第十章 曲线积分与曲面积分[教学目标与要求]1.理解两类曲线积分的概念,了解两类曲线积分的性质与两类曲线积分的关系.2.掌握计算两类曲线积分的方法.3.熟练掌握格林公式并会运用平面曲线积分与路径无关的条件,会求全微分的原函数.4.了解第一类曲面积分的概念、性质,掌握计算第一类曲面积分的方法.[教学重点]1.两类曲线积分的计算方法；2.格林公式与其应用；3.第一类曲面积分的计算方法；[教学难点]1.两类曲线积分的关系与第一类曲面积分的关系；2.对坐标的曲线积分与对坐标的曲面积分的计算；3.应用格林公式计算对坐标的曲线积分； 6.两类曲线积分的计算方法；7.格林公式与其应用格林公式计算对坐标的曲线积分；[参考书][1]同济大学数学系.《高等数学〔下〕》,第五版.高等教育.[2] 同济大学数学系.《高等数学学习辅导与习题选解》,第六版.高等教育. [3]同济大学数学系.《高等数学习题全解指南〔下〕》,第六版.高等教育§11.1 对弧长的曲线积分一、 对弧长的曲线积分的概念与性质 曲线形构件的质量:设一曲线形构件所占的位置在xOy 面内的一段曲线弧L 上,已知曲线形构件在点<x ,y >处的线密度为μ<x ,y >. 求曲线形构件的质量.把曲线分成n 小段,∆s 1,∆s 2,⋅⋅⋅,∆s n <∆s i 也表示弧长>; 任取<ξi ,ηi >∈∆s i , 得第i 小段质量的近似值μ<ξi ,ηi >∆s i ; 整个物质曲线的质量近似为i i i ni s M ∆≈=∑),(1ηξμ;令λ=max{∆s 1,∆s 2,⋅⋅⋅,∆s n }→0, 则整个物质曲线的质量为i i i ni s M ∆==→∑),(lim 10ηξμλ.这种和的极限在研究其它问题时也会遇到.定义 设函数f <x ,y >定义在可求长度的曲线L 上,并且有界.,将L 任意分成n 个弧段:∆s 1,∆s 2,⋅⋅⋅,∆s n ,并用∆s i 表示第i 段的弧长;在每一弧段∆s i 上任取一点<ξi ,ηi >,作和i i i ni s f ∆=∑),(1ηξ;令λ=max{∆s 1,∆s 2,⋅⋅⋅,∆s n },如果当λ→0时,这和的极限总存在,则称此极限为函数f <x ,y >在曲线弧L 上对弧长的 曲线积分或第一类曲线积分,记作ds y x f L ),(⎰,即i i i ni L s f ds y x f ∆==→∑⎰),(lim ),(10ηξλ. 其中f <x ,y >叫做被积函数,L 叫做积分弧段.曲线积分的存在性:当f <x ,y >在光滑曲线弧L 上连续时,对弧长的曲线积分ds y x f L ),(⎰是存在的. 以后我们总假定f <x ,y >在L 上是连续的.根据对弧长的曲线积分的定义,曲线形构件的质量就是曲线积分ds y x L ),(⎰μ的值, 其中μ<x ,y >为线密度.对弧长的曲线积分的推广:i i i i ni s f ds z y x f ∆==→Γ∑⎰),,(lim ),,(10ζηξλ. 如果L <或Γ>是分段光滑的, 则规定函数在L <或Γ>上的曲线积分等于函数在光滑的各段上的曲线积分的和. 例如设L 可分成两段光滑曲线弧L 1与L 2,则规定ds y x f ds y x f ds y x f L L LL ),(),(),(2121⎰⎰⎰+=+.闭曲线积分:如果L 是闭曲线,那么函数f <x ,y >在闭曲线L 上对弧长的曲线积分记作ds y x f L ),(⎰.对弧长的曲线积分的性质: 性质1 设c 1、c 2为常数, 则ds y x g c ds y x f c ds y x g c y x f c L L L ),(),()],(),([2121⎰⎰⎰+=+;性质2 若积分弧段L 可分成两段光滑曲线弧L 1和L 2, 则ds y x f ds y x f ds y x f L LL ),(),(),(21⎰⎰⎰+=;性质3设在L 上f <x ,y >≤g <x ,y >, 则⎰⎰≤L L ds y x g ds y x f ),(),(.特别地, 有二、对弧长的曲线积分的计算法根据对弧长的曲线积分的定义, 如果曲线形构件L 的线密度为f <x ,y >, 则曲线形构件L 的质量为⎰L ds y x f ),(.另一方面,若曲线L 的参数方程为 x =ϕ<t >,y =ψ <t > <α≤t ≤β>,则质量元素为dt t t t t f ds y x f )()()]( ),([),(22ψϕψϕ'+'=,曲线的质量为⎰'+'βαψϕψϕdt t t t t f )()()]( ),([22.即⎰⎰'+'=βαψϕψϕdt t t t t f ds y x f L )()()]( ),([),(22.定理设f <x ,y >在曲线弧L 上有定义且连续,L 的参数方程为x =ϕ<t >,y =ψ<t > <α≤t ≤β>, 其中ϕ<t >、ψ<t >在[α,β]上具有一阶连续导数,且ϕ'2<t >+ψ'2<t >≠0,则曲线积分ds y x f L ),(⎰存在,且dt t t t t f ds y x f L )()()](),([),(22ψϕψϕβα'+'=⎰⎰<α<β>.应注意的问题:定积分的下限α一定要小于上限β.讨论:<1>若曲线L 的方程为y =ψ<x ><a ≤x ≤b >,则ds y x f L ),(⎰=?提示:L 的参数方程为x =x ,y =ψ<x ><a ≤x ≤b >,dx x x x f ds y x f baL ⎰⎰'+=)(1)](,[),(2ψψ.<2>若曲线L 的方程为x =ϕ<y ><c ≤y ≤d >,则ds y x f L ),(⎰=?提示:L 的参数方程为x =ϕ<y >,y =y <c ≤y ≤d >,dy y y y f ds y x f dcL ⎰⎰+'=1)(]),([),(2ϕϕ.<3>若曲Γ的方程为x =ϕ<t >,y =ψ<t >,z =ω<t ><α≤t ≤β>,则ds z y x f ),,(⎰Γ=?提示:dt t t t t t t f ds z y x f )()()()](),(),([),,(222ωψϕωψϕβα'+'+'=⎰⎰Γ.例1计算ds y L⎰,其中L 是抛物线y =x 2上点O <0, 0>与点B <1, 1>之间的一段弧.解曲线的方程为y =x 2 <0≤x ≤1>,因此⎰⎰'+=1222)(1dx x x ds y L ⎰+=10241dx x x )155(121-=.例2计算半径为R 、中心角为2α的圆弧L 对于它的对称轴的转动惯量I <设线密度为μ=1>. 解取坐标系如图所示,则⎰=L ds y I 2.曲线L 的参数方程为x =R cos θ,y =R sin θ <-α≤θ<α>. 于是⎰=L ds y I 2⎰-+-=ααθθθθd R R R 2222)cos ()sin (sin⎰-=ααθθd R23sin =R 3<α-sin α cos α>.例3 计算曲线积分ds z y x )(222++⎰Γ,其中Γ为螺旋线x =a cos t 、y =a sin t 、z =kt 上相应于t 从0到达2π的一段弧.解 在曲线Γ上有x 2+y 2+z 2=<a cos t >2+<a sin t >2+<kt >2=a 2+k 2t 2,并且dt k a dt k t a t a ds 22222)cos ()sin (+=++-=,于是ds z y x)(222++⎰Γ⎰++=π2022222)(dt k a t k a)43(3222222k a k a ππ++=.小结用曲线积分解决问题的步骤: <1>建立曲线积分;<2>写出曲线的参数方程< 或直角坐标方程> ,确定参数的变化范围; <3>将曲线积分化为定积分;<4>计算定积分.教学方式与教学过程中应注意的问题在教学过程中要注意曲线积分解决问题的步骤,要结合实例,反复讲解.师生活动设计1.已知椭圆134:22=+y x L 周长为a,求⎰++Lds y x xy )432(22. 2.设C 是由极坐标系下曲线0,==θa r 与4πθ=所围成区域的边界,求ds eI Cy x ⎰+=22讲课提纲、板书设计作业 P 190: 3〔1〕〔3〕〔5〕〔7〕§11. 2 对坐标的曲线积分一、对坐标的曲线积分的概念与性质 变力沿曲线所作的功:设一个质点在xOy 面内在变力F <x ,y >=P <x ,y >i +Q <x ,y >j 的作用下从点A 沿光滑曲线弧L 移动到点B ,试求变力F <x ,y >所作的功.用曲线L 上的点A =A 0,A 1,A 2,⋅⋅⋅,A n -1,A n =B 把L 分成n 个小弧段, 设A k =<x k ,y k >,有向线段→+1k k A A 的长度为∆s k ,它与x 轴的夹角为τk ,则 k k k k k s A A ∆=→+}sin ,{cos 1ττ<k =0, 1, 2,⋅⋅⋅,n -1>.显然,变力F <x ,y >沿有向小弧段1 +k k A A所作的功可以近似为k k k k k k k k k k k s y x Q y x P A A y x ∆+=⋅→+]sin ),(cos ),([),(1ττF ;于是,变力F <x ,y >所作的功→+-=⋅=∑111),(k k k k n k A A y x W F ∑-=∆+≈11]sin ),(cos ),([n k k k k k k k k s y x Q y x P ττ,从而⎰+=L ds y x Q y x P W ]sin ),(cos ),([ττ.这里τ=τ<x ,y >, {cos τ, sin τ}是曲线L 在点<x ,y >处的与曲线方向一致的单位切向量. 把L 分成n 个小弧段:L 1, L 2,⋅⋅⋅, L n ;变力在L i 上所作的功近似为:F <ξi ,ηi >⋅∆s i =P <ξi ,ηi >∆x i +Q <ξi ,ηi >∆y i ; 变力在L 上所作的功近似为:]),(),([1i i i ni i i i y Q x P ∆+∆∑=ηξηξ;变力在L 上所作的功的精确值:]),(),([lim 1i i i ni i i i y Q x P W ∆+∆=∑=→ηξηξλ,其中λ是各小弧段长度的最大值. 提示:用∆s i ={∆x i ,∆y i }表示从L i 的起点到其终点的的向量.用∆s i 表示∆s i 的模. 对坐标的曲线积分的定义:定义 设函数f <x ,y >在有向光滑曲线L 上有界.把L 分成n 个有向小弧段L 1, L 2,⋅⋅⋅, L n ;小弧段L i 的起点为<x i -1,y i -1>,终点为<x i ,y i >,∆x i =x i -x i -1,∆y i =y i -y i -1; <ξi ,η>为L i 上任意一点,λ为各小弧段长度的最大值. 如果极限∑=→∆ni i i i x f 1),(limηξλ总存在,则称此极限为函数f <x ,y >在有向曲线L 上对坐标x 的曲线积分,记作⎰L dx y x f ),(,即∑⎰=→∆=ni i i i L x f dx y x f 1),(lim ),(ηξλ, 设L 为xOy 面上一条光滑有向曲线, {cos τ, sin τ}是与曲线方向一致的单位切向量,函数P <x ,y >、Q <x ,y >在L 上有定义.如果下列二式右端的积分存在,我们就定义⎰⎰=L L ds y x P dx y x P τcos ),(),(, ⎰⎰=L L ds y x Q dy y x Q τsin ),(),(,前者称为函数P <x ,y >在有向曲线L 上对坐标x 的曲线积分,后者称为函数Q <x ,y >在有向曲线L 上对坐标y 的曲线积分,对坐标的曲线积分也叫第二类曲线积分. 定义的推广:设Γ为空间内一条光滑有向曲线, {cos α, cos β, cos γ}是曲线在点<x ,y ,z >处的与曲线方向一致的单位切向量,函数P <x ,y ,z >、Q <x ,y ,z >、R <x ,y ,z >在Γ上有定义.我们定义<假如各式右端的积分存在>ds z y x P dx z y x P αcos ),,(),,(⎰⎰ΓΓ=, ds z y x Q dy z y x Q βcos ),,(),,(⎰⎰ΓΓ=, ds z y x R dz z y x R γcos ),,(),,(⎰⎰ΓΓ=.∑⎰=→∆=ni i i i i L x f dx z y x f 10),,(lim ),,(ζηξλ,∑⎰=→∆=ni i i i i L y f dy z y x f 10),,(lim ),,(ζηξλ, ∑⎰=→∆=n i i i i i L z f dz z y x f 10),,(lim ),,(ζηξλ. 对坐标的曲线积分的简写形式:dy y x Q dx y x P dy y x Q dx y x P L L L ),(),(),(),(+=+⎰⎰⎰;dz z y x R dy z y x Q dx z y x P ),,(),,(),,(++=⎰Γ.对坐标的曲线积分的性质:<1> 如果把L 分成L 1和L 2,则⎰⎰⎰+++=+21L L L Qdy Pdx Qdy Pdx Qdy Pdx .<2> 设L 是有向曲线弧,-L 是与L 方向相反的有向曲线弧,则⎰⎰+-=+-L L dy y x Q dx y x P d y x Q dx y x P ),(),(),(),(.两类曲线积分之间的关系:设{cos τi , sin τi }为与∆s i 同向的单位向量,我们注意到{∆x i ,∆y i }=∆s i , 所以 ∆x i =cos τi ⋅∆s i ,∆y i =sin τi ⋅∆s i ,⎰∑=∆==→Lni i i i i ds y x f s f ττηξλcos ),(cos ),(lim 10,⎰∑=∆==→Lni i i i i ds y x f s f ττηξλsin ),(sin ),(lim 1.即⎰⎰+=+L L ds Q P Qdy Pdx ]sin cos [ττ, 或⎰⎰⋅=⋅LLds d t A r A .其中A ={P ,Q },t ={cos τ, sin τ}为有向曲线弧L 上点<x ,y >处单位切向量,d r =t ds ={dx ,dy }. 类似地有⎰⎰ΓΓ++=++ds R Q P Rdz Qdy Pdx ]cos cos cos [γβα,或⎰⎰⎰ΓΓΓ=⋅=⋅ds A ds d t t A r A .其中A ={P ,Q ,R },T ={cos α, cos β, cos γ}为有向曲线弧Γ上点<x ,y ,z >处单们切向量,d r =T ds ={dx ,dy ,dz },A t 为向量A 在向量t 上的投影. 二、对坐标的曲线积分的计算:定理:设P <x ,y >、Q <x ,y >是定义在光滑有向曲线L :x =ϕ<t >,y =ψ<t >,上的连续函数,当参数t 单调地由α变到β时,点M <x ,y >从L 的起点A 沿L 运动到终点B ,则⎰⎰'=βαϕψϕdt t t t P dx y x P L )()](),([),(,⎰⎰'=βαψψϕdt t t t Q dy y x Q L)()](),([),(.讨论:⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(=？提示:⎰⎰'+'=+βαψψϕϕψϕdt t t t Q t t t P dy y x Q dx y x P L)}()](),([)()](),([{),(),(.定理: 若P <x ,y >是定义在光滑有向曲线L : x =ϕ<t >,y =ψ<t ><α≤t ≤β>上的连续函数,L 的方向与t 的增加方向一致,则⎰⎰'=βαϕψϕdt t t t P dx y x P L )()](),([),(.简要证明: 不妨设α≤β.对应于t 点与曲线L 的方向一致的切向量为{ϕ'<t >,ψ'<t >}, 所以)()()(cos 22t t t ψϕϕτ'+''=,从而⎰⎰=L L ds y x P dx y x P τcos ),(),(⎰'=βαϕψϕdt t t t P )()](),([.应注意的问题:下限a 对应于L 的起点,上限β对应于L 的终点,α不一定小于β. 讨论:若空间曲线Γ由参数方程x =ϕt >,y =ψ <t >,z =ω<t >给出,那么曲线积分⎰Γ++dz z y x R dy z y x Q dx z y x P ),,(),,(),,(=？如何计算？ 提示:⎰Γ++dz z y x R dy z y x Q dx z y x P ),,(),,(),,(⎰'=βαϕωψϕ )()](),(),([{t t t t P dt t t t t R t t t t Q )}()](),(),([)()](),(),([ωωψϕψωψϕ'+'+,其中α对应于Γ的起点,β对应于Γ的终点. 例题: 例1.计算⎰L xydx ,其中L 为抛物线y 2=x 上从点A <1,-1>到点B <1, 1>的一段弧.例2.计算⎰L dx y 2.<1>L 为按逆时针方向绕行的上半圆周x 2+y 2=a 2; <2>从点A <a , 0>沿x 轴到点B <-a , 0>的直线段. 例3 计算⎰+L dy x xydx 22. <1>抛物线y =x 2上从O <0, 0>到B <1, 1>的一段弧; <2>抛物线x =y 2上从O <0, 0>到B <1, 1>的一段弧; <3>从O <0, 0>到A <1, 0>, 再到R <1, 1>的有向折线OAB . 例4.计算ydz x dy zy dx x 2233-+⎰Γ,其中Γ是从点A <3, 2, 1>到点B <0, 0, 0>的直线段AB .例5.设一个质点在M <x ,y >处受到力F 的作用,F 的大小与M 到原点O 的距离成正比,F 的方向恒指向原点.此质点由点A <a , 0>沿椭圆12222=+by a x 按逆时针方向移动到点B <0,b >,求力F所作的功W .小结1.第二类曲线积分的定义；2. 第二类曲线积分的计算方法.教学方式与教学过程中应注意的问题在教学过程中要注意第二类曲线积分的定义和计算方法,要结合实例,反复讲解.师生活动设计1. 已知Γ为折线ABCOA,计算⎰Γ+-=ydz dy dx I讲课提纲、板书设计 作业 P200: 3〔1〕〔3〕〔5〕〔7〕,4§11.3 格林公式与其应用一、格林公式 单连通与复连通区域:设D 为平面区域,如果D 内任一闭曲线所围的部分都属于D ,则称D 为平面单连通区域,否则称为复连通区域.对平面区域D 的边界曲线L , 我们规定L 的正向如下:当观察者沿L 的这个方向行走时,D 内在他近处的那一部分总在他的左边. 区域D 的边界曲线L 的方向:定理1设闭区域D 由分段光滑的曲线L 围成,函数P <x ,y >与Q <x ,y >在D 上具有一阶连续偏导数,则有⎰⎰⎰+=∂∂-∂∂L DQdy Pdx dxdy yPx Q )(,其中L 是D 的取正向的边界曲线.简要证明:仅就D 即是X －型的又是Y －型的区域情形进行证明.设D ={<x ,y >|ϕ1<x >≤y ≤ϕ2<x >,a ≤x ≤b }.因为yP ∂∂连续,所以由二重积分的计算法有dx x x P x x P dx dy y y x P dxdy y P b ax x b a D)]}(,[)](,[{}),({12)()(21ϕϕϕϕ-=∂∂=∂∂⎰⎰⎰⎰⎰.另一方面,由对坐标的曲线积分的性质与计算法有dx x x P x x P ba)]}(,[)](,[{21ϕϕ-=⎰.因此⎰⎰⎰=∂∂-L DPdx dxdy yP .设D ={<x ,y >|ψ1<y >≤x ≤ψ2<y >,c ≤y ≤d }.类似地可证⎰⎰⎰=∂∂L DQdx dxdy x Q.由于D 即是X －型的又是Y －型的,所以以上两式同时成立,两式合并即得⎰⎰⎰+=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂L D Qdy Pdx dxdy y P x Q .应注意的问题:对复连通区域D ,格林公式右端应包括沿区域D 的全部边界的曲线积分,且边界的方向对区域D 来说都是正向.设区域D 的边界曲线为L , 取P =-y ,Q =x ,则由格林公式得⎰⎰⎰-=L Dydx xdy dxdy 2, 或⎰⎰⎰-==LDydx xdy dxdy A 21.例1.椭圆x =a cos θ,y =b sin θ所围成图形的面积A . 分析:只要1=∂∂-∂∂y P x Q , 就有A dxdy dxdy yP x QDD==∂∂-∂∂⎰⎰⎰⎰)(. 例2设L 是任意一条分段光滑的闭曲线,证明⎰=+L dy x xydx 022.例3.计算⎰⎰-Dy dxdy e 2,其中D 是以O <0, 0>,A <1, 1>,B <0, 1>为顶点的三角形闭区域.分析:要使2y e yP x Q -=∂∂-∂∂,只需P =0,2y xe Q -=. 例4计算⎰+-L y x ydxxdy 22,其中L 为一条无重点、分段光滑且不经过原点的连续闭曲线,L 的方向为逆时针方向.解: 令22y x y P +-=,22y x x Q +=.则当x 2+y 2≠0时,有y P y x x y x Q ∂∂=+-=∂∂22222)(. 记L 所围成的闭区域为D .当<0, 0>∉D 时,由格林公式得022=+-⎰L y x ydxxdy ;当<0, 0>∈D 时, 在D 内取一圆周l :x 2+y 2=r 2<r >0>.由L 与l 围成了一个复连通区域D 1,应用格林公式得02222=+--+-⎰⎰l L y x ydx xdy y x ydx xdy ,其中l 的方向取逆时针方向.于是⎰⎰+-=+-l L y x ydxxdy y x ydx xdy 2222⎰+=πθθθ2022222sin cos d r r r =2π.记L 所围成的闭区域为D . 当<0, 0>∉D 时,由格林公式得0)(22=∂∂-∂∂=+-⎰⎰⎰dxdy y Px Q y x ydx xdy DL . 分析:这里22y x y P +-=,22y x x Q +=, 当x 2+y 2≠0时,有y P y x x y x Q ∂∂=+-=∂∂22222)(. 二、平面上曲线积分与路径无关的条件 曲线积分与路径无关:设G 是一个开区域,P <x ,y >、Q <x ,y >在区域G 内具有一阶连续偏导数.如果对于G 内任意指定的两个点A 、B 以与G 内从点A 到点B 的任意两条曲线L 1、L 2,等式 恒成立,就说曲线积分⎰+L Qdy Pdx 在G 内与路径无关,否则说与路径有关.设曲线积分⎰+L Qdy Pdx 在G 内与路径无关,L1和L 2是G 内任意两条从点A 到点B 的曲线,则有⎰⎰+=+21L L Qdy Pdx Qdy Pdx ,因为⎰⎰+=+21L L Qdy Pdx Qdy Pdx ⇔021=+-+⎰⎰L L Qdy Pdx Qdy Pdx⇔021=+++⎰⎰-LL Qdy Pdx Qdy Pdx ⇔0)(21=+⎰-+L L Qdy Pdx ,所以有以下结论: 曲线积分⎰+L Qdy Pdx 在G 内与路径无关相当于沿G 内任意闭曲线C 的曲线积分⎰+L Qdy Pdx 等于零.定理2 设开区域G 是一个单连通域,函数P <x ,y >与Q <x ,y >在G 内具有一阶连续偏导数,则曲线积分⎰+L Qdy Pdx 在G 内与路径无关〔或沿G 内任意闭曲线的曲线积分为零〕的充分必要条件是等式在G 内恒成立. 充分性易证:若x Q y P ∂∂=∂∂,则0=∂∂-∂∂yP x Q ,由格林公式,对任意闭曲线L ,有⎰⎰⎰=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂=+D L dxdy y P x Q Qdy Pdx 0. 必要性:假设存在一点M 0∈G ,使0≠=∂∂-∂∂ηy P x Q ,不妨设η>0,则由yP x Q ∂∂-∂∂的连续性,存在M 0的一个δ邻域U <M 0, δ>,使在此邻域内有2η≥∂∂-∂∂y P x Q . 于是沿邻域U <M 0, δ>边界l 的闭曲线积分02)(2),(0>⋅≥∂∂-∂∂=+⎰⎰⎰πδηδM U ldxdy y P x Q Qdy Pdx , 这与闭曲线积分为零相矛盾, 因此在G 内0=∂∂-∂∂yPx Q . 应注意的问题:定理要求,区域G 是单连通区域,且函数P <x ,y >与Q <x ,y >在G 内具有一阶连续偏导数.如果这两个条件之一不能满足,那么定理的结论不能保证成立. 破坏函数P 、Q 与y P ∂∂、xQ ∂∂连续性的点称为奇点. 例5计算⎰+Ldy x xydx 22, 其中L 为抛物线y =x 2上从O <0, 0>到B <1, 1>的一段弧.解:因为xxQ y P 2=∂∂=∂∂在整个xOy 面内都成立,所以在整个xOy 面内,积分⎰+L dy x xydx 22与路径无关.1112==⎰dy .讨论: 设L 为一条无重点、分段光滑且不经过原点的连续闭曲线,L 的方向为逆时针方向, 问022=+-⎰L y x ydxxdy 是否一定成立？提示:这里22y x y P +-=和22y x x Q +=在点<0, 0>不连续.因为当x 2+y 2≠0时,yP y x x y x Q ∂∂=+-=∂∂22222)(, 所以如果<0, 0>不在L 所围成的区域内,则结论成立,而当<0,0>在L 所围成的区域内时, 结论未必成立. 三、二元函数的全微分求积曲线积分在G 内与路径无关, 表明曲线积分的值只与起点从点<x 0,y 0>与终点<x ,y >有关. 如果⎰+L Qdy Pdx 与路径无关,则把它记为⎰+),(),(00y x y x Qdy Pdx即⎰⎰+=+),(),(0y x y x L Qdy Pdx Qdy Pdx .若起点<x 0,y 0>为G 内的一定点,终点<x ,y >为G 内的动点,则 u <x ,y >⎰+=),(),(0y x y x Qdy Pdx为G 内的的函数.二元函数u <x ,y >的全微分为du <x ,y >=u x <x ,y >dx +u y <x ,y >dy .表达式P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 与函数的全微分有相同的结构, 但它未必就是某个函数的全微分. 那么在什么条件下表达式P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 是某个二元函数u <x ,y >的全微分呢？当这样的二元函数存在时怎样求出这个二元函数呢？定理3 设开区域G 是一个单连通域,函数P <x ,y >与Q <x ,y >在G 内具有一阶连续偏导数,则P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 在G 内为某一函数u <x ,y >的全微分的充分必要条件是等式 在G 内恒成立. 简要证明:必要性:假设存在某一函数u <x ,y >,使得du =P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy ,则有y x u x u y y P ∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂2)(,x y u y u x x Q ∂∂∂=∂∂∂∂=∂∂2)(.因为y P y x u ∂∂=∂∂∂2、xQ x y u ∂∂=∂∂∂2连续, 所以xy u y x u ∂∂∂=∂∂∂22,即x Q y P ∂∂=∂∂.充分性:因为在G 内xQ y P ∂∂=∂∂, 所以积分⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(在G 内与路径无关.在G内从点<x 0,y 0>到点<x ,y >的曲线积分可表示为u <x ,y >⎰+=),(),(0),(),(y x y x dy y x Q dx y x P .因为 u <x ,y >⎰+=),(),(0),(),(y x y x dy y x Q dx y x P⎰⎰+=xx yy dx y x P dy y x Q 0),(),(0,所以 ),(),(),(000y x P dx y x P x dy y x Q x x u x x y y =∂∂+∂∂=∂∂⎰⎰.类似地有),(y x Q yu =∂∂,从而du =P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy .即P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 是某一函数的全微分. 求原函数的公式:⎰+=),(),(00),(),(),(y x y x dy y x Q dx y x P y x u ,⎰⎰+=y y x x dy y x Q dx y x P y x u 00),(),(),(0, ⎰⎰+=xx yy dx y x P dy y x Q y x u 0),(),(),(0.例6 验证:22y x ydxxdy +-在右半平面<x >0>内是某个函数的全微分,并求出一个这样的函数.解: 这里22y x y P +-=,22y x x Q +=.因为P 、Q 在右半平面内具有一阶连续偏导数, 且有yP y x x y x Q ∂∂=+-=∂∂22222)(, 所以在右半平面内,22y x ydxxdy +-是某个函数的全微分.取积分路线为从A <1,0>到B <x ,0>再到C <x ,y >的折线, 则所求函数为⎰+-=),()0 ,1(22),(y x y x ydx xdy y x u ⎰++=y y x xdy 0220x yarctan =. 问:为什么<x 0,y 0>不取<0, 0>?例7验证:在整个xOy 面内,xy 2dx +x 2ydy 是某个函数的全微分,并求出一个这样的函数. 解这里P =xy 2,Q =x 2y .因为P 、Q 在整个xOy 面内具有一阶连续偏导数, 且有yP xy x Q∂∂==∂∂2, 所以在整个xOy 面内,xy 2dx +x 2ydy 是某个函数的全微分.取积分路线为从O <0,0>到A <x ,0>再到B <x ,y >的折线, 则所求函数为⎰+=),()0 ,0(22),(y x ydy x dx xy y x u 2022022y x ydy xydy x yy==+=⎰⎰. 思考与练习:1.在单连通区域G 内,如果P <x ,y >和Q <x ,y >具有一阶连续偏导数,且恒有yP x Q ∂∂=∂∂,那么 <1>在G 内的曲线积分⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(是否与路径无关? <2>在G 内的闭曲线积分⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(是否为零?<3> 在G 内P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 是否是某一函数u <x ,y >的全微分? 2.在区域G 内除M 0点外,如果P <x ,y >和Q <x ,y >具有一阶连续偏导数,且恒有yP x Q ∂∂=∂∂,G 1是G 内不含M 0的单连通区域,那么 <1>在G 1内的曲线积分⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(是否与路径无关? <2>在G 1内的闭曲线积分⎰+L dy y x Q dx y x P ),(),(是否为零?<3> 在G 1内P <x ,y >dx +Q <x ,y >dy 是否是某一函数u <x ,y >的全微分? 3. 在单连通区域G 内,如果P <x ,y >和Q <x ,y >具有一阶连续偏 导数,x Q y P ∂∂≠∂∂,但yP x Q ∂∂-∂∂非常简单,那么<1>如何计算G 内的闭曲线积分? <2>如何计算G 内的非闭曲线积分? <3>计算dy y e dx y y e x x L)2cos ()2sin (-+-⎰,其中L 为逆时针方向的上半圆周<x -a >2+y 2=a 2,y ≥0,小结1.格林公式2. 格林公式中的等价条件.教学方式与教学过程中应注意的问题在教学过程中要注意格林公式和其中的等价条件,要结合实例,反复讲解.师生活动设计讲课提纲、板书设计作业 P214: 2 <1>; 3 ; 4 <3> ;5 <1> , <4> ;6 <2> , <5>§11.4对面积的曲面积分一、对面积的曲面积分的概念与性质物质曲面的质量问题:设∑为面密度非均匀的物质曲面,其面密度为ρ<x ,y ,z >,求其质量:把曲面分成n 个小块:∆S 1,∆S 2 ,⋅⋅⋅,∆S n <∆S i 也代表曲面的面积>;求质量的近似值:ii i i ni S ∆=∑),,(1ζηξρ<<ξi ,ηi ,ζi >是∆S i 上任意一点>;取极限求精确值:i i i i ni S M ∆==→∑),,(lim 10ζηξρλ<λ为各小块曲面直径的最大值>.定义设曲面∑是光滑的,函数f <x ,y ,z >在∑上有界.把∑任意分成n 小块:∆S 1,∆S 2 ,⋅⋅⋅,∆S n <∆S i 也代表曲面的面积>, 在∆S i 上任取一点<ξi ,ηi ,ζi >, 如果当各小块曲面的直径的最大值λ→0时, 极限i i i i ni S f ∆=→∑),,(lim 10ζηξλ总存在, 则称此极限为函数f <x ,y ,z >在曲面∑上对面积的曲面积分或第一类曲面积分, 记作⎰⎰∑dS z y x f ),,(,即i i i i ni S f dS z y x f ∆==→∑∑⎰⎰),,(lim ),,(10ζηξλ. 其中f <x ,y ,z >叫做被积函数,∑叫做积分曲面. 对面积的曲面积分的存在性:⎰+L y Q x P d d yx y P x Q D d d ⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂=我们指出当f <x ,y ,z >在光滑曲面∑上连续时对面积的曲面积分是存在的.今后总假定f <x ,y ,z >在∑上连续.根据上述定义面密度为连续函数ρ<x ,y ,z >的光滑曲面∑的质量M 可表示为ρ<x ,y ,z >在∑上对面积的曲面积分:如果∑是分片光滑的我们规定函数在∑上对面积的曲面积分等于函数在光滑的各片曲面上对面积的曲面积分之和.例如设∑可分成两片光滑曲面∑1与∑2<记作∑=∑1+∑2>就规定⎰⎰⎰⎰⎰⎰∑∑∑+∑+=2121),,(),,(),,(dS z y x f dS z y x f dS z y x f .对面积的曲面积分的性质: <1>设c 1、c 2为常数, 则dS z y x g c dS z y x f c dS z y x g c z y x f c ),,(),,()],,(),,([2121∑∑∑⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=+;<2>若曲面∑可分成两片光滑曲面∑1与∑2, 则dS z y x f dS z y x f dS z y x f ),,(),,(),,(21∑∑∑⎰⎰⎰⎰⎰⎰+=;<3>设在曲面∑上f <x ,y ,z >≤g <x ,y ,z >, 则dS z y x g dS z y x f ),,(),,(∑∑⎰⎰⎰⎰≤;<4>A dS =∑⎰⎰, 其中A 为曲面∑的面积.二、对面积的曲面积分的计算面密度为f <x ,y ,z >的物质曲面的质量为⎰⎰∑=→=∆=∑dS z y x f S f M i i i i ni ),,(),,(lim 10ζηξλ.另一方面,如果∑由方程z =z <x ,y >给出,∑在xOy 面上的投影区域为D , 那么 曲面的面积元素为dxdy y x z y x z dA y x ),(),(122++=,质量元素为dxdy y x z y x z y x z y x f dA y x z y x f y x ),(),(1)],(,,[)],(,,[22++=.根据元素法, 曲面的质量为⎰⎰++=Dy x dxdy y x z y x z y x z y x f M ),(),(1)],(,,[22.因此⎰⎰⎰⎰++=∑Dy x dxdy y x z y x z y x z y x f dS z y x f ),(),(1)],(,,[),,(22. 化曲面积分为二重积分:设曲面∑由方程z =z <x ,y >给出,∑在xOy 面上的投影区域为D xy ,函数z =z <x ,y >在D xy 上具有连续偏导数,被积函数f <x ,y ,z >在∑上连续, 则⎰⎰⎰⎰++=∑xyD y x dxdy y x z y x z y x z y x f dS z y x f ),(),(1)],(,,[),,(22.如果积分曲面∑的方程为y =y <z ,x >,D zx 为∑在zOx 面上的投影区域, 则函数f <x ,y ,z >在∑上对面积的曲面积分为⎰⎰⎰⎰++=∑zxD x z dzdx x z y x z y z x z y x f dS z y x f ),(),(1]),,(,[),,(22.如果积分曲面∑的方程为x =x <y ,z >,D yz 为∑在yOz 面上的投影区域,则函数f <x ,y ,z >在∑上对面积的曲面积分为dydz z y x z y x z y z y x f dS z y x f z y D yz),(),(1],),,([),,(22++=⎰⎰⎰⎰∑.例1计算曲面积分⎰⎰∑dS z 1,其中∑是球面x 2+y 2+z 2=a 2被平面z =h <0<h <a >截出的顶部.解∑的方程为222y x a z --=,D xy :x 2+y 2≤a 2-h 2. 因为 222yx a x z x ---=,222y x a y z y ---=, dxdy yx a a dxdy z z dS y x 222221--=++=,所以⎰⎰⎰⎰--=∑xyD dxdy y x a adS z 2221⎰⎰--=πθ202222h a r a rdr d a 22022)]ln(21[2h a r a a ---=πh a a ln 2π=.提示:222222222222211yx a a y x a y y x a x z z yx --=--+--+=++. 例2 计算⎰⎰∑xyzdS ,其中∑是由平面x =0,y =0,z =0与x +y +z =1所围成的四面体的整个边界曲面.解整个边界曲面∑在平面x =0、y =0、z =0与x +y +z =1上的部分依次记为∑1、∑2、∑3与∑4,于是⎰⎰---=110)1(3xdy y x y xdx ⎰-⋅=1036)1(3dx x x 1203=.提示:∑4:z =1-x -y ,dxdy dxdy z z dS y x 3122='+'+=.小结1. 对面积的曲面积分的定义和计算2. 格林公式中的等价条件.教学方式与教学过程中应注意的问题在教学过程中要注意利用球面坐标、柱面坐标、对称性、重心公式,简化计算的技巧. ,要结合实例,反复讲解.师生活动设计课后习题：1,3,7讲课提纲、板书设计作业 P218: 4<3>; 5<2>;6<1>, <3>, <4>;8。

曲线、曲面积分部分难题解答1．（P201,第1题）计算下列标量函数的曲线积分（第一型曲线积分）： （ⅰ）⎰lxyds ，l 为抛物线x y 22=上从原点)0,0(O 到点)2,2(A 的弧⋂OA ；（ⅱ）()⎰+lds y x 22，l 为联结点)0,0(O 、)0,2(A 和)1,0(B 的三角形围线；（ⅲ）⎰+l s d y x 22，l 为圆周()022>=+a ax y x ；（ⅳ）()⎰++lds z y x 222，l 为螺线()0,sin ,cos >===b bt z t a y t a x 的 一段弧()π20≤≤t ；（ⅴ）⎰lzds ，l 为曲线()⎩⎨⎧>===0,2222a ax y z y x 上从点)0,0,0(O 到)2,,(a a a A 的一段弧.解：（ⅰ）[]2,0,,21:2∈⎪⎩⎪⎨⎧==y y y y x l ，.1122dy y dy dy dx ds +=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=dy y y y xyds l 22201..21+=⎰⎰（令t y tan =）()()t td t sec sec .1sec 21222arctan 0-=⎰|2arctan 035sec 31sec 5121⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=t t .151355+=（ⅱ）解：()⎰+lds y x 22⎰⎰⎰++=OAABOB()()3801.022222222==++=+⎰⎰⎰dx x dx x ds y x OA;.20,,0:≤≤⎩⎨⎧==x xx y OA ()()[]()dy y y ds y x AB 210222221.22-++-=+⎰⎰().5354855102=+-=⎰dy y y .10,,22,:≤≤⎩⎨⎧-==y y x y y AB()().3101.02102222=++=+⎰⎰dy y ds y xBO，.10,,0:≤≤⎩⎨⎧==y y y x BO .3535+=++=⎰⎰⎰OA AB OB I （ⅲ）解法一：.20,sin 2,cos 22:π≤≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=t t a y t a a x l()().2cos 2sin 22222dt a dt t a t a dt t y t x ds =⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-='+'=所以，()dt a t a t a s d y x l 2sin 4cos 1420222222⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=+πdt t a ⎰=π20222sin 2.24dt t a ⎰=π2022sin 2.22cos 22sin 2202202|a t a t d t a =⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰ππ解法二：化l 为极坐标表示：().2,2,cos :⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∈=ππθθθa r l ()().22,sin .cos sin ,cos cos :2πθπθθθθθθθ≤≤-⎩⎨⎧====a r y a r x l()()()().sin cos 2222θθθθθad dt a a dt r r ds =-+='+=所以，()()[]θθθθππad a a s d y x l⎰⎰-+=+2222222sin cos cosθθππd a a ⎰-=2222cos .2sin 2cos 2220222|a a d a===⎰ππθθθ（ⅳ） ()()()()()dt b a dt b t a t a dt t z t y t x ds 22222222cos sin +=++-='+'+'=()()()()[]dt b a bt t a t a ds z y x l 2220222222.sin cos +++=++⎰⎰π()|203222220222223ππ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=++=⎰t b t a b a dt t b a b a[].433222222b a b a ++=ππ2．（P201,第2题）设有某种物质分布在椭圆1:2222=+by a x l 上，其密度().,y y x =μ求它的总质量. 解：不妨假设.b a >⎰⎰==14l lyds ds y M ，其中.2,0,sin ,cos ;1⎥⎦⎤⎢⎣⎡∈⎩⎨⎧==πt t b y t a x l()()()().cos sin cos sin 22222222dt t b t a dt t b t a dt t y t x ds +=+-='+'=dt t b t a t b yds M l 222220cos sin sin 441+==⎰⎰π()()t d t b a a b cos cos 4202222⎰---=π()du u b a a b 2222014---=⎰()du u b a a b 222214--=⎰du u ba a ba b ⎰---=202222224π（公式） |102222222222222arcsin .2.4⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+---=u b a a u b a au b a a b a b .arcsin ..222222⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--=b a b a b a a b 3．（P202,第3题）设曲线l 的长度为L ，而函数f 在包含l 的某个区域内连续.证明： ()().max .P f L ds P f lP l ∈≤⎰证明：由第一型曲线积分的定义()()i ni i d l s P f ds P f ∆=∑⎰=→.lim 1故 ()()i n i i d ls P f ds P f ∆=∑⎰=→.lim 1()i ni i d s P f ∆=∑=→.lim 1()i n i i d s P f ∆≤∑=→.lim 1()i ni lp d s P f ∆≤∑=∈→.max lim 1().max .P f L lP ∈=4．（P202,第4题）从原点()0,0O 到点()2,1A 沿下列不同路径分别计算第二型曲线积分 .⎰⋂-OAydx xdy（1）.⋂OA 为直线段；（2）.⋂OA 为抛物线22x y =上的弧； （3）.⋂OA 为从点()0,0O 经点()0,1B 到点()2,1A 的折线⋂OBA . 解：（1） .1~0:,,2:x xx x y OA ⎩⎨⎧==⋂[].022.10=-=-⎰⎰⋂dx x x ydx xdy OA（2）.1~0:,:x xx OA ⎩⎨=[].323224.|10312==-=-⎰⎰⋂x dx x x x ydx xdy OA（3）.220=+=+=+⎰⎰⎰⋂OB BAOAydx xdy.1~0:,.,0:x x x y OB ⎩⎨⎧== ();000.10=-=-⎰⎰dx x ydx xdy OB.2~0:,.,1:y y y x BA ⎩⎨⎧== ().20.120=-=-⎰⎰dy y ydx xdy BA5．（P202,第5题）计算曲线积分 .⎰+lxdy ydx（1）.l 为从点()0,a 点()0,a -的上半圆周()022>-=a x a y ； （2）. l 为从点()0,a 点()0,a -的直线段()0>a ； （3）. l 为逆时针方向的圆周.222a y x =+ 解：（1） .~0:,sin ,cos :πt ta y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l ⎰⎰+-=+π0cos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ22cos 02sin 2|02=πt a .（2）.~:,,0:a a x xx y l -⎩⎨⎧== ().00.0=+=+⎰⎰-dx x xdy ydx a al（3）.2~0:,sin ,cos :πt t a y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l⎰⎰+-=+π20cos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ2022cos 02sin 2|202=πt a .6．（P202,第6题）计算沿逆时针方向的圆周()222a y x =+的曲线积分 ()().22⎰+--+ly x dy y x dx y x解：π2~0:,.sin :t t a y l ⎩⎨=，所以，()()⎰+--+l y x dy y x dx y x 22()()()()dt a t a t a t a t a t a t a ⎰---+=π202cos .sin cos sin sin cos .22022ππ-=-=⎰dt aa 7．（P202,第7题）计算下列曲线积分，曲线的方向与参数增加方向： （ⅰ）()()d y xy y dx xy x l⎰-+-2222，l 为抛物线()112≤≤-=x x y ；（ⅱ）()()d y y x dx y x l ⎰-++2222，l 为折线()2011≤≤--=x x y ；（ⅲ）()dz x yzdy dx z y l⎰-+-2222，l 的参数方程为().10,,3,2≤≤⎪⎩⎪⎨⎧===t t z t y t x ；解：（ⅰ）.1~1:,:2-⎩⎨⎧==x xy x x l ()()d y xy y dx xy x l⎰-+-2222 ()()[]d x x x x x x x x⎰--+-=1124222..2.2 [].151454324|10531142-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=⎰-x x dx x x （ⅱ）设点().0,1A 则()()dy y x dx y xL2222-++⎰()()dy y x dx y xOA2222-++=⎰()()dy y x dx y xAB2222-+++⎰.1~0:,,:x x x x y OA ⎩⎨⎧==()()()()[]321022222222=-++=-++⎰⎰dx x x x x dy y x dx y x OA;.2~1:,,2:x x x x y AB ⎩⎨⎧=-=()()()()()()()[]d xx x x x dy y x dx y xAB⎰⎰---+-+=-++21222222221.22()().3232222|213212=-=-=⎰x dx x 原式.343232=+=（ⅲ）()dz x yzdy dx z y l⎰-+-2222 ()[]d t t t t t t t t ⎰-+-=102232643.2 (2)[].351527323|10571046=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=⎰t t dt t t 8．（P202,第8题）设曲线l 的长度为L ，而函数()P f 在包含l 的某个区域内连续.证明： ())....P L P f lP l ∈≤⎰证明：设()()(){}.,21P f P f P f = 由第二型曲线积分的定义及柯西不等式()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i i i d l y P f x P f d P f 1210..lim .故 ()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i i i d ly P f x P f P f 1210..lim .()()[]∑=→∆+∆≤n i i i i i d y P f x P f 1210..lim ()()()()22122210.lim i i ni i i d y x P f P f ∆+∆+≤∑=→)()()221.lim i i ni i d y x P ∆+∆==→)()())⎰∑=→=∆+∆≤li i ni d ds P y x P ..lim 221)P L =.9．（P209,第1题）求下列曲面块的面积：（ⅰ）球面2222a z y x =++包含在圆柱面()a b b y x ≤<=+0222内的那部分面积；（ⅱ）圆锥面22y x z +=被圆柱面x y x 222=+截下的那一部分； （ⅲ）圆柱面222a y x =+被圆柱面222a z y =+截下的那一部分.解：（ⅰ）画出示意图222:b y x D xy ≤+. 将曲面方程化为:z ∑=则dS dxdy ==.dxdy yx a a S S xyD ⎰⎰--==22222上 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-=⎰⎰|022022202.2122b br a a ra ardrd πθπ极().422b a a a --=π（ⅱ）画出示意图x y x D xy 2:22≤+. 由曲面方程22:y x z +=∑，得,2122dxdy dxdy y z x z dS =⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.().222π===⎰⎰xy D D S dxdy S xy（ⅲ）利用对称性（仅在第一卦限内计算）18S S =，曲面1∑（1∑为∑在第一卦限的那部分，其面积设为1S ）向yoz面上的投影区域为222:a z y D yz ≤+. 将曲面1∑方程化为22y a x -=，则,22y a y yx--=∂∂,0=∂∂zx，所以，dydzya a dydz z x y x dS 22221-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.dydz y a a S S yzD ⎰⎰-==22188 ⎰⎰--=2202208y a a dz y a a dy .8820a adz a==⎰10．（P209,第2题）求下列曲面积分：（ⅰ）()⎰⎰++Sy x dS21，式中S 为四面体()1,0,0,0≤++≥≥≥z y x z y x 的表面； （ⅱ）()d S y x S⎰⎰+22，式中S 为圆柱体()h z a y x ≤≤≤+0,222的表面；（ⅲ）()dS z y x S⎰⎰++，式中S 为球面()2222a z y x =++的表面.解：（ⅰ）.4321S S S S S +++=其中 ,0:1=z S dxdy dS =1， ()()()dy y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++1010222111111dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-101010211111| 212ln -=； ,0:2=x S dydz dS =2，()()()dz y dy dydz y y x dSyD S yz⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++10102221101112()()dy y y dy y y⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=+-=10212111211 ()2ln 11ln 12||1010-=+-+-=y y ； ,0:3=y S dzdx dS =3，()()()dz x dx dzdx x y x dSxD S zx⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++10102221101113()()dx x x dx x x⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=+-=10212111211 ()2ln 11ln 12||101-=+-+-=x x ；,1:4y x z S --= dxdy dS 34=，()()()dz y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++101022211311314dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-10101021113113| ().212ln 33211ln 321113|1010⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+=⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎰x dx x ；()⎰⎰++S y x dS 21()+++=⎰⎰121S y x dS()+++⎰⎰221S y x dS()⎰⎰++321S y x dS ()⎰⎰++421S y x dS()()().32ln 2213212ln 32ln 12ln 1212ln +-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=（ⅱ）.321S S S S ++=其中 ,0:1=z S dxdy dS =1，()()rdr r d dxdy y x dS y x aD S xy.420222221⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ 24a π=；,:2h z S = dxdy dS =2，()()rdr r d dxdy y x dS y x aD S xy.420222222⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ24a π=；,:2223a y x S =+其向yoz 面上的投影区域为⎩⎨⎧≤≤-≤≤.,0:a y a h z D yz . 将曲面3S 方程化为22y a x -±=，则,22y a y yx --=∂∂,0=∂∂zx，所以， dydz ya a dydz z x y x dS 22221-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+= ()()dydz ya a y y a dS y x yz D S ⎰⎰⎰⎰-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+222222322.23⎰⎰-=-haadz y a dy a 022312..2arcsin4303|h a a y h a aπ== 或者()..22..32232233h a ah a dS a dS y x S S ππ===+⎰⎰⎰⎰()⎰⎰++S y x dS21()++=⎰⎰122S dS y x ()++⎰⎰222S y x()d S y xS ⎰⎰+322().22223344h a a h a a a +=++=ππππ（ⅲ）由积分区域的对称性，及被积函数的奇偶性知，显然()dS z y x S⎰⎰+++=⎰⎰dS x SdS y S ⎰⎰().0=+++⎰⎰dS z y x S11．（P210,第3题）证明泊松公式()()d uc b a u f dS cz by ax f S⎰⎰⎰-++=++112222π其中S 为球面0,1222222>++=++c b a z y x ，f 为连续函数.证明：取新的空间直角坐标系Ouvw ，其中原点不变，使坐标平面Ouvw 与平面0=++cz by ax 重合，并使Ou 轴垂直于平面0=++cz by ax .则有 其实根据坐标系Ouvw 选取方法的描述，我们不难看出Ou 轴上的单位向量就可取作平面0=++cz by ax 的单位法线向量.则222cb a cz by ax u ++++=（注意到，显然222cb a cz by ax u ++++=为点()z y x P ,,到平面0=++cz by ax 的距离）.则 ()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222显然在新坐标系下，球面的形状并未改变（仍记为S ），且它的方程应为1222=++w v u（因为在新的坐标系下，任何一个球面上的点到原点的距离仍然为1.）得： ()22221uw v -=+当u 固定时，1222=++w v u 表示垂直于Ou 轴平面上的一个圆周. 进一步，我们把S 化为参数方程表示：.20,11,sin 1,cos 1,22πθθθ≤≤≤≤-⎪⎩⎪⎨⎧-=-==u u w u v u u,1='uu ,cos 12θuu v u --=';sin 12θuu w u--=',0='θu ,sin 12θθu v --='.cos 12θθu w -=' ;112222u w v u E u u u-='+'+'= ;0...=''+''+''=θθθw w v v u u F u u u.12222u w v u G -='+'+'=θθθ因此， 曲面的元素dS =dudv =故()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222()d u c b a u f d ⎰⎰-++=πθ2011222().211222⎰-++=du c b a u f π12（P210,第4题）设某种物质均匀分布在球面2222a z y x =++上（认为分布密度1=ρ）.求它对于oz 轴的转动惯量.解：由公式 ()d Sy x J S⎰⎰+=22由对称性 ()d S y x J S ⎰⎰+=1228其中 2221:y x a z S --=，则z z x y ∂∂==∂∂，所以，dS ==.因此 ()dxdy yx a a y x S S xyD ⎰⎰--+==222221.88rdr ra r d a a.8022220⎰⎰-=πθ极()rdr ra a a ra a .4022222⎰-+-=πrdr r a a a.4022⎰--=πrdr ra a a.140223⎰-+π()22022.2r a d r a a a--=⎰π()220223.12r a d ra a a ---⎰π()|232232.2a r a a -=π|02232.2ar a a --π434a π-=44a π+ .384a π=13（P217,第1题）沿圆锥面()122≤=+z y x S 的下侧，求曲面积分d S.⎰⎰，其中{}.,,z y x =解：⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdy ydzdx xdydz S d r .化为第一型曲面积分计算.S 的向下的法向量{}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++=-''=1,,1,,2222y x y y x x z z yx ，所以{}.cos ,cos ,cos 21,2,222220γβα=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++==y x y y x x n 故⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdy ydzdx xdydz d .()⎰⎰++=SdS z y x γβαcos .cos .cos .⎰⎰⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+++=S dS z y x y yx x 222222222 ⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=S dS z y x 2222（根据第一型曲面积分的计算方法） ⎰⎰=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=xy D dxdy y x y x .02222222 14（P217,第2题）沿椭球面1222222=++cz b y a x 的外侧，求曲面积分.⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛++S z dxdy y dzdx x dydz解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，222211:b y a x c z S --=（上侧）；222221:by a x c z S ---=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为.1:2222≤+by a x D xy故 dxdy b ya x c z dxdyxyD S ⎰⎰⎰⎰--=2222111作变量代换： ⎩⎨⎧==.sin ,cos θθbr y ar x由二重积分的换元法 dr abrd rc dxdy b y a x c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111.其中 ()()abr br b ar a y r yxrxr y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,10:πθr D 所以=⎰⎰1S zdxdy dr abrd rc dxdy b y a x c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111dr r r d c ab ⎰⎰-=πθ2010211dr r rd c ab ⎰⎰-=πθ2010211所以， ().212111|1022102πππcab r c ab r d r c ab =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=---=⎰ 由轮换对称性，知： πa bc x dzdy S4=⎰⎰； .4πb ac y dzdx S=⎰⎰ 故⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛++Sz dxdy y dzdx x dydz +=⎰⎰S z dxdy +⎰⎰S x dzdy⎰⎰Sy dzdx+=πc ab 4πa bc 4().44222222a c c b b a abcb ac ++=+ππ15（P217,第3题）沿球面()()()2222R c z b y a x =-+-+-的外侧，求曲面积分.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，()()2221:b y a x R c z S ----+=（上侧）；()()2222:b y a x R c z S -----=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为:xy D ()()222R b y a x ≤-+-故 ()()dxdy b y a x R c dxdy z xyDS ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+=222221作变量代换： ⎩⎨⎧+=+=.sin ,cos θθr b y r a x由二重积分的换元法()()[]rdr r R c dxdy b y a x R c D D xy⎰⎰⎰⎰'-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+2222222.其中 ()()r r r y r yxrx r y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,0:πθR r D 所以=⎰⎰12S dxdy z[]rdr rR c D 222⎰⎰'-+()dr r rR c d R⎰⎰-+=πθ20222()rdr rR c R2222⎰-+=π()r dr r R r R c c R⎰-+-+=02222222πrdr r R c rdr c R R ⎰⎰-+=02202222ππ()rdr r R R⎰-+0222π()()|||0222023220222132.222RR R r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=πππ.2344322R cR R c πππ++=（1）同理()()dxdy b y a x R c dxdy z xyDS ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡------=222221()dr r r R c d R⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πθ200222()rdr r R c R 20222⎰---=πrdr r R c rdr cRR⎰⎰-+-=0222222ππ()r dr r R R⎰--0222π()()|||0222023220222132.222RR R r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πππ.2344322R cR R c πππ-+-= =⎰⎰Sdxdy z 2+⎰⎰12S dxdy z 32382cR dxdy z S π=⎰⎰ ； 由轮换对称性，知： =⎰⎰Sdydz x 2338aR π； =⎰⎰Sdzdx y 2.383bR π 故.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x ⎰⎰=Sdydz x 2⎰⎰Sdzdxy 2⎰⎰Sdxdy z2().383c b a R ++=π16（P217,第4题）设S 为长方体()c z b y a x ≤≤≤≤≤≤0,0,0的表面.沿外侧求曲面积分 ⎰⎰Sxyzdxdy解：把S 分割为654321,,,,,S S S S S S 六个部分. 其中 ()b y a x c z S ≤≤≤≤=0,0:1的上侧； ()b y a x z S ≤≤≤≤=0,00:2的下侧； ()c z b y a x S ≤≤≤≤=0,0:3的前侧； ()c z b y x S ≤≤≤≤=0,00:4的后侧； ()c z a x b y S ≤≤≤≤=0,0:5的右侧； ()c z a x y S ≤≤≤≤=0,00:6的左侧.注意到除21,S S 外，其余四片曲面在xoy 面上的投影为零，因此 =⎰⎰Sxyzdxdy +⎰⎰1S xyzdxdy ⎰⎰2S xyzdxdy⎰⎰=xyD xycdxdy ⎰⎰-xyD dxdy xy 0.c b a ydy xdx c ab.40022⎰⎰==17（P225第1题）利用格林公式计算下面的曲线积分（l 的方向为正方向）： （ⅰ）()dy xy dx y x l22+-⎰，l 为圆周()222a y x =+；（ⅱ）()()dy y x dx y x l--+⎰，l 为椭圆⎪⎪⎭⎫⎝⎛=+12222b y a x ； （ⅲ）()xdy dx y l+-⎰，l 为曲线()1=+y x ；（ⅳ）()()dy y y e dx y e x lx sin cos 1---⎰，l 为区域().sin 0,0x y x D <<<<π；18（P225第2题）求()()dy m y e dx my y eI x xL-+-=⎰cos sin ，（m 为常数） 其中l 是自点()0,a A 经过圆周()022>=+a ax y x 的上半部分到点O(0,0)的半圆周.（提示：作辅助线后用格林公式）. 解：cos ,cos x x P Qe y m e y y x∂∂=-=∂∂. 所以，由格林公式：221...428AO OA D DQ P a dxdy mdxdy m ma x y ππ⋂⎡⎤∂∂+=-===⎢⎥∂∂⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰⎰.所以，2220.888AO OAma ma ma I πππ⋂==-=-=⎰⎰ （因为，⎰⎰==OAadx 0.00）19（P225第5题）设函数()x f 在正半轴()0>x 上有连续导数()x f '且().21=f 若在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有 ()043=+⎰dy x xf ydx x l求函数().x f解：()y x y x P 34,=，()()x xf y x Q =,都是右半平面上的连续函数，由于在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有()043=+⎰dy x xf ydx x l故有xQ y P ∂∂=∂∂即 ()()x f x x f x '+=34 化简，得 ()()241x x f xx f =+' （1）为一阶线性微分方程，其通解为()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎰⎰=⎰-c e x e x f dx xdx x 1214().1134xc x c x x +=+=代入条件()21=f ，得 .1=c故 ().13xx x f +=20（P226第6题）设D 是以光滑曲线l 为正向边界的有界闭区域，而函数()y x u u ,=在闭区域D 上具有连续的二阶偏导数且记2222yux u u ∂∂+∂∂=∆证明： ⎰⎰⎰∆=∂∂Dl udxdy ds n u其中()()yu x u n u ,cos ,cos ∂∂+∂∂=∂∂ 表示函数()y x u u ,=沿边界曲线l 外法线方向的方向导数.证明：设τ为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos 、()y ,cos ，则有 ()()y x ,,τ=，()().,,x y τπ-=故 ()()y x ,cos ,cos τ=，()().,cos ,cos x y τ-=()()ds x y uy xu ds n u l l ⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系）dx y udy x u l ⎰∂∂-∂∂=（格林公式） ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=D dxdy y u y x u x =⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=⎰⎰D dxdy y u x u 2222.⎰⎰∆Dudxdy21（P226第7题）在第6题的假设和记号下，证明：.22ds n uu udxdy u dxdy y u x u D l D ⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 证明：仿上题 ()()ds xy uy x u u ds n u ul l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系）dx yuu dy x u ul ⎰∂∂-∂∂=（格林公式） ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u u y x u u x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=D dxdy y u u y u y u x u u x u x u 2222....dxdy y u x u u dxdy y u x u D D ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰222222 udxdy u dxdy y u x u D D ∆+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰22 移项，即得 .22ds n uu udxdy u dxdy y u x u D l D ⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂ 22（P227第8题）格林第二公式 若函数()y x u u ,=和()y x v v ,=都满足第6题中的假设，证明： ds vu n v n u dxdy vuv u lD⎰⎰⎰∂∂∂∂=∆∆证明： ()()ds x y u y xu v ds n u vl l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ （由两型曲线积分之间的联系）dx yuv dy x u vl ⎰∂∂-∂∂=（格林公式） ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u v y x u v x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=D dxdy y u v y u y v x u v x u x v 2222....⎰⎰⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=D D dxdy y u x u v dxdy y v y u x v x u 22.....⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DD udxdy v dxdy y v y u x v x u （1）由轮换对称性，知 ds nv ul⎰∂∂...⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DD vdxdy u dxdy y v y u x v x u（2）于是ds n v u n uv ds vun vnul l ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂∂∂ ⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=⎰⎰⎰⎰D D udxdy v dxdy y v y u x v x u ..⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂-⎰⎰⎰⎰D D vdxdy u dxdy y v y u x v x u .. ()⎰⎰∆-∆=Ddxdy v u u v .dxdy vuv u D⎰⎰∆∆=23（P227第9题）计算高斯(Gauss)积分()(b a I =,其中l 为简单（光滑）闭合曲线，为不在l 上的点()b a ,到l 上动点()y x ,的向量，而为l 上动点()y x ,处的法向量.解：设为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos τ、()y ,cos τ，则 有 ()()y x ,,τ=，()().,,x y τπ-= 又设()(){}y x n ,cos ,,cos 0= ，{}b y a x --=,，则()()()()()()().,cos .,cos .,cos ,cos 2200b y a x y b y x a x n r n r -+--+-==⎪⎭⎫ ⎝⎛= 故(()()()()()().,cos .,cos .22b y a x y n b y x n a x -+--+-=()()()()()()()[]d s y b y x a x b y a x b a I l,cos ,cos .1,22-+--+-=⎰()()()()()()[]d s x b y y a x b y a x l,cos ,cos .122----+-=⎰ ()()()().22⎰-+----=lb y a x dx b y dy a x 记 ()()(),,22b y a x b y y x P -+---=()()().,22b y a x ax y x Q -+--=则()()()(),2222b y a x a x b y y P-+-----=∂∂()()()().2222b y a x a x b y x Q -+-----=∂∂它们在xoy 平面内除点 ()b a ,外处处连续，且.0=∂∂-∂∂yP xQ（一）若点()b a ,在l 所包围的区域D 外，原式=0；（二）若点()b a ,在l 所包围的区域D 内，以点()b a ,为中心作一个充分小的圆()()).0(:222>=-+-εεεb y a x l 取逆时针方向，使之完全包含在l 为边界的区域内.记介于εl 和l 之间的区域为'εD .则在'εD 由格林公式可得：()()()()⎰-+----l b y a x dx b y dy a x 22()()()()⎰-+-----εl b y a x dx b y dy a x 22.0⎰⎰'=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂=εD dxdy y P x Q所以，()()()()⎰-+----=l b y a x dx b y dy a x I 22()()⎰---=εεldx b y dy a x 2()()⎰---=εεl dx b y dy a x 21（格林公式）()()ππεεεεε2.22112222===⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂=⎰⎰⎰⎰DD dxdy dxdy y y b x a x . 24（P227第10题）利用斯托克斯公式重新计算积分（例3） ()()(),⎰-+-+-=ldz y x dy z x dx y z I 其中l 是曲线⎩⎨⎧=+-=+.2,122z y x y x方向为从oz 轴正方向往负方向看去是顺时针方向. 解一：由斯托克斯公式dxdy yx zx yz z y x dxdy dzdx dydz2=---∂∂∂∂∂∂.取∑为平面2=+-z y x 上由椭圆所围成的那一小块曲面.（取下侧），因此{}1,1,1-=,.31,33,330⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=n ）()()()dS dxdy dz y x dy z x dx y z I l ⎰⎰⎰⎰⎰∑∑-=-=-+-+-=3122.2.23.312⎰⎰⎰⎰-=-=-=xyxyD D dxdy dxdy π解二：（直接计算）()()()⎰⎰⎰∑=-+-+-=dxdy dz y x dy z x dx y z I l2其中，.1:22≤+y x D xy所以，.22π-=-=⎰⎰dxdy I xyD .25（P238第1题）下面的向量场是否为保守场？若是，并求位势:u (){};sin cos 2,sin cos 2122y x x y x y y x f --=解：（1）这里()x y y x y x P sin cos 2,2-=，().sin cos 2,2y x x y y x Q -= 因为xQx y y x y P ∂∂=--=∂∂sin 2sin 2，()2,R y x ∈ 所以{}y x x y x y y x f sin cos 2,sin cos 222--=是定义在全平面上的保守场.所以，()+-dx x y y x sin cos 22()dy y x x y sin cos 22-是某一个函数()y x u ,的全微分. 故可取()()()()()dyy x x y dx x y y x y x u y x sin cos 2sin cos 2,2,0,02-+-=⎰()()dy y x x y dx x x yx ⎰⎰-+-=0202sin cos 2sin 00cos 2.cos cos 22y x x y +=则，所求的位势为 ().cos cos ,22c y x x y c y x u ++=+(){}.sin ,cos ,222z y e x z xe f y y --=--解：这里()()().sin ,,,cos ,,,2,,2z y z y x R e x z z y x Q xe z y x P y y -=-==--x Q xe y P y ∂∂=-=∂∂-2；y R z z Q ∂∂=-=∂∂sin ；.0zP x R ∂∂==∂∂ ().,,3R z y x ∈ 所以，{}z y e x z xe f y y sin ,cos ,22--=--为定义在全空间上的保守场.所以，+-dx xe y 2()zdz y dy e x z y sin cos 2---是某一个函数()z y x u ,,的全微分.（二）现取()()()()zdz y dy e x z dx xe z y x u y z y x y sin cos 2,,2,,0,0,0--+=--⎰取0M M 如图所示，从()0,0,00M 沿x 轴到点()0,0,1x M 再沿平行于y 轴的直线到点()0,,2y x M 最后沿平行于z 轴的直线到点(),,.M x y z 于是()()⎰⎰⎰-+-+=--z yyxzdz y dy ex dx xe z y x u 00200sin 0cos 2,,[]|||022cos zy yx z y e x y x+++=-()[]()y z y x e x y x y-+-++=-cos 222.cos 2z y e x y +=-则，所求的位势为 ().cos ,,2c z y e x c z y x u y ++=+- 26（P238第2题）证明式（14-31），并由此求下面的曲线积分： ()();).1(2,11,22⎰-xxdyydx ()()⎰++1,1,63,2,1.).2(xydz zxdy yzdx解：（一）要证式（14-31）成立，即要证若平面区域D 内保守力场()(){}y x Q y x P f ,,,=有位势()y x u ,，则对D 内的任意两点()()222111,,,y x M y x M ，有 ()()()()()().,,,.1122,,2211y x u y x u dy y x Q dx y x P y x y x -=+⎰事实上，因为()(){}y x Q y x P f ,,,=为保守力场，故()()dy y x Q dx y x P l ,.+⎰在D 内与路径无关，而只取决于路径的起点、终点.令()()()()()dy y x Q dx y x P y x v y x y x ,.,,,11+=⎰（1）则可证明()y x v ,也是f 在D 内的一个势函数.故 ()()C y x v y x u ≡-,, ，对任意()D y x ∈,成立（2）取()()11,,y x y x =，并注意到()0,11=y x v （因为沿闭合曲线的积分为零），得()()()111111,,,y x u y x v y x u C =-=（2）式中再取()()22,,y x y x =，并注意到(),0,11=y x v 得()()C y x v y x u =-2222,, 即 ()()()()().,,3,,11222222y x u y x u C y x u y x v --============Θ又由（1）式，注意到()y x v ,的记号，得 ()()()()()().,,,.1122,,2211y x u y x u dy y x Q dx y x P y x y x -=+⎰（二）()()⎰-2,11,22).1(x xdyydx 中，()2,x y y x P =，().1,2x xx y x Q -=-= 因为 xQx y P ∂∂==∂∂21，().0,,2≠∈x R y x 所以，2xxdyydx -是某一个函数()y x u ,的全微分. 故可取()()()⎰-=y x x xdy ydx y x u ,0,12,dy x dx y x ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=0110.x y -=所以 ()()()().2321121,22,12,11,22-=⎪⎭⎫ ⎝⎛---=-=-⎰u u x xdyydx()()⎰++1,1,63,2,1.).2(xydz zxdy yzdx 中，()()().,,,,,,,,xy z y x R zx z y x Q yz z y x P ===因为x Q z y P ∂∂==∂∂；y R x z Q ∂∂==∂∂；.zPy x R ∂∂==∂∂ ().,,3R z y x ∈ 所以，+yzdx xydz zxdy +是某一个函数()z y x u ,,的全微分. （二）现取()()()xydz zxdy dx yz z y x u z y x ++=⎰,,0,0,0,,取0M M 如图所示，从()0,0,00M 沿x 轴到点()0,0,1x M 再沿平行于y 轴的直线到点()0,,2y x M 最后沿平行于z 轴的直线到点(),,.M x y z 于是 ()⎰⎰⎰++=zyxxydz dy x dx z y x u 000.00,, .xyz =所以 ()()()().03,2,11,1,61,1,63,2,1=-=++⎰u u xydz zxdy yzdx 27（P238第5题）验证下列方程我全微分方程，并求通解：()();04332).1(=-++dy y x dx y x ()().03223).2(2222=+-++-dy y xy x dx y xy x解：()();04332).1(=-++dy y x dx y x这里，()()y x y x Q y x y x P 43,,32,-=+=.因为，xQy P ∂∂==∂∂3，是全微分方程.故：()()()()()dyy x dx y x y x u y x 4332,,0,0-++=⎰ ()()dy y x dx x yx ⎰⎰-++=004302[]||02223yx y xy x-+=.2322y xy x -+=通解为：c y xy x =-+2223.()().03223).2(2222=+--+-dy y xy x dx y xy x这里，()().32,,23,2222y xy x y x Q y xy x y x P -+-=+-=. 因为，xQ y x y P ∂∂=+-=∂∂22，所以方程是全微分方程. 故：()()()()()dy y xy x dx y xy x y x u y x 22,0,0223223,+--+-=⎰()()dy y xy x dx x yx⎰⎰-+-+=022023203[]||03223yx yxy y xx-+-+=.3223y xy y x x -+-=因此，所求方程的通解为：.3223c y xy y x x =-+-.28（P238第6题）设函数()y x u u ,=在凸区域（即包含区域内任意两点间的连线）2R ⊂Ω内连续可微分且K gradu ≤（常数）.证明：对于Ω内任意两点B A ,，都有 ()()().,.B A d K B u A u ≤- 其中()B A d ,表示点B A ,之间的距离.证明：由于Ω为凸区域，故线段AB 整个属于Ω.设点B 的坐标为()000,,z y x ，点A 的坐标为()111,,z y x ，且令.,,010101z z z y y y x x x -=∆-=∆-=∆ 考虑一元函数()()z t z y t y x t x u t f ∆+∆+∆+=000,, ().10≤≤t （1） 显然，()()()().1,0A u f B u f ==（2）且()t f 在[]1,0上可微，并且 ()()x z t z y t y x t x u t f x ∆∆+∆+∆+'='.,,000 ()y z t z y t y x t x u y ∆∆+∆+∆+'+.,,000()z z t z y t y x t x u z ∆∆+∆+∆+'+.,,000 （3）于是，由微分学中值定理知()()()()()ξf f f B u A u '=-=-01()()=3Θ()x z z y y x x u x ∆∆+∆+∆+'.,,000ξξξ ()y z z y y x x u y ∆∆+∆+∆+'+.,,000ξξξ()z z z y y x x u z ∆∆+∆+∆+'+.,,000ξξξ ()..,,000z z y y x x gradu ∆+∆+∆+=ξξξ （4）由（4）式可知 ()()(z z y y x x gradu B u A u ,,000∆+∆+∆+=-ξξξ()().,..,,000B A d K z z y y x x gradu ≤∆+∆+∆+≤ξξξ29（P238第7题）求向量场⎪⎭⎫ ⎝⎛=x y grad f arctan 沿下列曲线l 的环量： （ⅰ）l 为圆周()()12222=-+-y x ；l 为圆周422=+y x （分为左、右半圆周分别计算）.解： ⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎪⎭⎫ ⎝⎛=x y y x y x x y grad f arctan ,arctan arctan.,2222⎭⎬⎫⎩⎨⎧++-=y x x y x y （ⅰ） 2222.y x xdyy x ydx d f l l +++-=⎰⎰（格林公式）dxdy y x y y y x x x D⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+∂∂=2222()().022********=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--+-=⎰⎰dxdy y x x y y x x y D （ⅱ）⎰⎰+-=ll y x ydx xdy d f 22.[].22.241412ππ==-=⎰l ydx xdy 30（P238第8题）求,f rot 其中().2,3,32x y z x y z f ---= 解：⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-∂∂∂∂-∂∂∂∂-∂∂=y P x Q x R z P z Q y R f rot ,,{}.6,4,2= 31（P238第9题）证明： ()f gradu f urot f u rot ⨯+=. 解：设()()(){}z y x R z y x Q z y x P f ,,,,,,,,=，则()()(){}.,,,,,.,,,z y x uR z y x Q u z y x uP uf =()()()()()()⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-∂∂∂∂-∂∂∂∂-∂∂=y uP x uQ x uR z uP z uQ y uR f rot ,, ,,{⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂=x u R x R u z u P z P u z u Q z Q u y u R y R u },⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂y u P y P u x u Q xQu⎭⎬⎫⎩⎨⎧∂∂-∂∂∂∂-∂∂∂∂-∂∂=y P x Q x R z P z Q y R u ,,⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂+y u P x u Q z u P x u R z u Q y u R ,.f gradu f urot ⨯+= 31（P246第1题）利用奥-高公式计算下列各曲面积分：（ⅰ）⎰⎰++Szdxdy ydzdx xdydz ，沿球面()()()2222R c z b y a x =-+-+-外侧；（ⅱ）⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x 333，沿正方体()10,10,10≤≤≤≤≤≤z y x 外表面；（ⅲ）()()()[]d S z z y y x x S⎰⎰++,cos ,cos ,cos 222，沿锥面()h z y x S ≤=+22的下侧；（ⅳ）,3dxdy z S⎰⎰沿上半球面222y x a z --=的上侧.解：（ⅰ）⎰⎰++Szdxdy ydzdx xdydz （奥-高公式）()()()⎰⎰⎰Ω⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=dv z z y y x x .434.3333R R dv ππ===⎰⎰⎰Ω（ⅱ）⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x 333（奥-高公式）()()()xdydz d z z y y x x ⎰⎰⎰Ω⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=333()⎰⎰⎰Ω++=dxdydz z y x 2223=3（ⅲ）若取h z S =:1（上侧）.则S 与1S 一起构成一个封闭曲面.记它们所围成的空间闭区域为Ω.在Ω上利用奥-高公式，便得：()()()[]d S z n z y n yx n x S S ⎰⎰+++1,cos ,cos ,cos 222dxdy z dzdx y dydz xS S 2221++=⎰⎰+ （奥-高公式）()()()xdydz d z z y y x x ⎰⎰⎰Ω⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂+∂∂+∂∂=222()⎰⎰⎰Ω++=dxdydz z y x 2⎰⎰⎰Ω=zdxdydz 2（=⎰⎰⎰Ωxdxdydz 0=⎰⎰⎰Ωydxdydz ）dz z rdr d h h r⎰⎰⎰=πθ202()dr r h r d h⎰⎰-=πθ20022212 .24πh = 所以 ()()()[]d S z n z y n y x n x S⎰⎰++,cos ,cos ,cos 222dxdy z dzdx y dydz x h S 222212++-=⎰⎰π=-=⎰⎰dxdy h h xyD 222π.2.22222πππh h h h =-=（ⅳ）,3dxdy z S⎰⎰沿上半球面222y x a z --=的上侧.若取0:1=z S （下侧）.则S 与1S 一起构成一个封闭曲面.记它们所围成的空间闭区域为Ω.在Ω上利用奥—高公式，便得：。

《曲线积分与曲面积分》测试题一、选择题（共15分，每小题3分）1.设L 为抛物线21y x =-上介于0x =与1x =之间的一段弧，则L xds =⎰（ ）( A)33112-；(B) 55112- ； (C) 3316- ； (D)5516-2.均匀曲面222z a x y =--的形心坐标为（ ）( A)1(0,0,)2a ；(B) 1(0,0,)3a ； (C) 1(0,0,)4a ； (D)10,0,5a ⎛⎫ ⎪⎝⎭3.星形线：33cos ,sin (0,02)x a t y a t a t π==>≤≤所围平面图形的面积为（ ）( A)235a π；(B) 253a π ； (C) 238a π ； (D)283a π 4.设[()]sin ()cos x Lf x e ydx f x ydy --⎰与路径无关，且()f x 有一阶连续导数，(0)0f =，则()f x =（ ）( A)2x x e e -- ； (B) 2x x e e -- ；(C) 12x x e e -+- ； (D)12x xe e -+- . 5. 设∑为球面222x y z R ++=的内侧，则曲面积分 333x dydz y dzdx z dxdy ∑++=⎰⎰（ ）( A)54R π-；(B) 54R π ； (C) 5125R π ； (D)5125R π- 二、填空题（共15分，每小题3分）1.设L 为椭圆22143x y +=，其周长为a ，则22(234)L xy x y ds ++=⎰ .2. 设Γ为曲线0cos sin (0)x t t y t t t t z t =⎧⎪=≤≤⎨⎪=⎩，则zds Γ=⎰ .3．设L 为一条不过原点的光滑闭曲线，且原点位于L 内部，其走向为逆时针方向，则曲线积分222L xdy ydx x y -=+⎰__________________. 4.设∑为平面1x y z ++=位于球面2221x y z ++=内的上侧，则曲面积分()()()x y dydz y z dzdx z x dxdy ∑-+-+-=⎰⎰ .5.全微分方程2201xdx ydy xdy ydx x y +++=++的解为 .三、计算积分222dS x y z ∑++⎰⎰，其中∑为界于0z =与(0)z H H =>之间的柱面：222x y R +=。

曲线积分与曲面积分试题及解答B(总4页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--曲线积分与曲面积分 测试题B一、选择（每题6分，共24分） 1、曲线弧上的曲线积分和上的曲线积分有关系( )2、C 为沿以)3,1(),2,2(),1,1(C B A 为顶点的三角形逆时针方向绕一周，则 I=⎰=⋅+++cdy y x dx y x 222)()(2( )（A ）⎰⎰--x xdy y x dx 421)( （B ）⎰⎰--xxdy y x dx 421)(2（C ）[]⎰⎰⎰++-+++1.3212222122)1()4(2)2()2(2dy y dx x x dx x dx x（D ）{}[]⎰⎰⎰+++-+-++1.321222212)1()4()4(28dy y dx x x x x dx x3、C 为沿222R y x =+逆时针方向一周，则I=⎰+⋅-σdy xy dx y x 22用格林公式计算得( )（A ）⎰⎰Rdr r d 0320πθ （B ）⎰⎰Rdr r d 0220πθ（C ）⎰⎰-R dr r d 0320cos sin 4θθπ（D ）⎰⎰Rdr r d 0320cos sin 4θθπ4、 ∑为)(222y x z +-=在xoy 平面上方部分的曲面，则⎰⎰∑dS = ( )(A)rdr r d r ⎰⎰+πθ200241 (B)rdr r d ⎰⎰+πθ2020241(C)rdr r r d ⎰⎰+-πθ20202241)2( (D)rdr r d ⎰⎰+πθ2020241二、填空（每题6分，共24分） 1、设是M (1，3)沿圆(x －2)2+(y －2)2=2到点N (3，1)的半圆，则积分.2、设f (x )有连续导数，L 是单连通域上任意简单闭曲线，且 则f (x )= .3、由物质沿曲线10,3,2,:32≤≤===t t z t y t x C 分布，其密度为y 2=γ，则它的质量=M. (化为定积分形式即可不必积出)4、=++⎰⎰Sdxdy z dzdx y dydz x 333 ，S 为球面2222a z y x =++的外侧.三、（18分）计算曲线积分，式中L为由点O(0，0)沿直线y=x到点A(1，1)再由点A沿曲线到点B(0，2)的路径.四、（18分）设C为由抛物线y=x2的从(0，0)到(1，1)的一段弧和从(1，1)到(0，0)的直线段组成.试求曲线积分.五、（16分）求向量yz i+xz j+xy k穿过圆柱体x2+y2≤R2,0≤z≤H的全表面∑的外侧的通量.参考答案及评分标准(B)一、1、B2、B 解：利用格林公式)(24,21:y x yP x Qxy x x D xy -=∂∂-∂∂-≤≤≤≤.3、A 解：22222,:y x y Px Q R y x D xy +=∂∂-∂∂≤+利用极坐标化二重积分⎰⎰+xyD dxdy y x )(22 为累次积分⎰⎰R dr r d 0320πθ.4、D 解：dxdy y x ds y x D xy 2222441,2:++=≤+.二、1、0 解：由x Q y P ==,知xQ y P ∂∂=∂∂，故03113)1,3()3,1(=+=+=+⎰⎰⎰⎰⋂dx dy xdy ydx xdy ydx MN .2、c x +2 解：由题意知y y xe yPx f e x Q 222)(=∂∂='=∂∂，即x x f 2)(='，故c x x f +=2)(. 3、⎰++10421dt t t t 解：⎰⎰++==14212dt t t t ds y M C.4、5512a π 解：由高斯公式得原式⎰⎰⎰Ω++=dxdydz z y x )(3222 54022051212sin 3a dr r rdr r d d aa ππθϕϕππ==⋅=⎰⎰⎰⎰. 三、解：xQ y y P xy Q y x P ∂∂=-=∂∂-=-=2,2,22，故积分与路径无关……………………………6分 取OB 为从O 到B 的直线段，则⎰--Lxydy dx y x 2)(22……………………………12分 02)(22=--=⎰OBxydy dx y x …………………………………………………………18分四、解：由于y x P 2+=，y x Q 2-=，故由格林公式 …………………………………………6分()⎰⎰⎰⎰⎰⎰-=-=⎪⎭⎫⎝⎛∂∂-∂∂=DDDyx y x y x y P x Q I d d d d 21d d ⎰⎰⎰-=-=1210d )(d d 2x x x y xxx…………12分12323⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=x x 612131-=-= …………………………………………………………18分 五、证明：⎰⎰∑++=Φxydxdy xzdzdx yzdydz ……………………………………………………6分由∑围成立体Ω，用高斯公式得…………………………………………………10分⎰⎰⎰Ω=++=Φ0)000(dv ……………………………………………………………16分。

高数测试题八（曲线积分与曲面积分部分）一、选择题（每小题5分，共25分） 1、对于格林公式()LDQ PPdx Qdy dxdy x y∂∂+=-∂∂⎰⎰⎰Ñ，下述说法正确的是（C ）A L 取逆时针方向，函数P ，Q 在闭区域D 上存在一阶偏导数且Q Px y ∂∂=∂∂ B L 取顺时针方向，函数P ，Q 在闭区域D 上存在一阶偏导数且Q Px y∂∂=∂∂ C L 为D 的正向边界，函数P ，Q 在闭区域D 上存在一阶连续偏导数 D L 取顺时针方向，函数P ，Q 在闭区域D 上存在一阶连续偏导数2、取定闭曲面∑的外侧，如果∑所围成的立体的体积是V ，那么曲面积分=V 的是（ D ） A xdydz ydzdx zdxdy ∑++⎰⎰ÒB ()()()x y dydz y z dzdx z x dxdy ∑+++++⎰⎰ÒC()()x y z dydz dzdx dxdy ∑++++⎰⎰ÒD1()()3x y z dydz dzdx dxdy ∑++++⎰⎰Ò 3、C 为任意一条不通过且不包含原点的正向光滑简单闭曲线，则224C xdy ydxx y -+⎰Ñ=（ B ）A 4πB 0C 2πD π4、设∑为2222x y z a ++=在(0)z h h a ≥<<部分，则zdS ∑⎰⎰=（ B ）A22200a h d πθ-⎰⎰ B20d πθ⎰C20d πθ⎰D20d πθ⎰5、设(,)(,),(,)A P x y i Q x y j x y D =+∈u v v v，其中P ，Q 在区域D 内具有连续的一阶偏导数，又L 是D 中任一曲线，则下列关于曲线积分的论断，其中不正确的是（ C ）A 如果LA dl ⋅⎰u v u u v与路径无关，则在区域D 内，必有Q Px y∂∂≡∂∂ B 如果LA dl ⋅⎰u v u u v与路径无关，则在区域D 内，必存在单值函数(,)u x y ，使得(,)(,)(,)du x y P x y dx Q x y dy =+C 如果在区域D 内，Q Px y ∂∂≡∂∂，则必有LA dl ⋅⎰u v u u v 与路径无关 D 如果对D 中的每一条闭曲线C ，恒有0LA dl ⋅=⎰u v u u v ，则LA dl ⋅⎰u v u u v与路径无关二、填空题（每小题5分，共25分）1、 设C 为依逆时针方向沿椭圆22221x y a b+=一周路径，则()()Cx y dx x y dy +--⎰Ñ= 2ab π-2、 设∑为球心在原点，半径为R 的球面的外侧，在xdydz ydzdx zdxdy ∑++⎰⎰Ò= 34Rπ3、 设C 为圆周cos ,sin (02)x a t y a t t π==≤≤，则22()Cx y ds +⎰Ñ=32a π4、 设Ω是由锥面z =与半球面z =区域，∑是Ω的整个边界的外侧，则xdydz ydzdx zdxdy ∑++⎰⎰Ò=3(2R π5、 设有力场22()()(0)kF x y yi x j y =+->u v v v ，已知质点在此力场内运动时，场力F u v所作的功与路径的选择无关，则k = 1-三、计算题 1、（8分）计算()Lx y ds +⎰Ñ，其中L 是以 (0,0),(1,0),(0,1)O A B 为顶点的三角形的周界。

曲线积分与曲面积分单元练习题一、填空题：1设L为x'+y2=1上点（1,0）到（_1,0）的上半弧段，贝U ]2ds = 2兀;x = 2 cost2.f_ ds = —兀2,其中C是曲线《y = 2sint介于t = 0到t =兀一段；C X + y 8--------- z = t3.L为逆时针方向的圆周：（x -2）2• （y • 3）2=4 ,贝y J ydx_ xdy= _8兀；L4.设C是由x轴、y轴与直线x + y =1围成的区域的正向边界，贝U :，ydx_ xdy =C5.第一类曲面积分dS^的面积；6.设曲面为：x2y2z^a2,则11 （x2y2z2）dS 二4 a4；Z7•设 3 ：x2y2z2= a2.则■j'：i z2dS = - ~ a4；i J—&格林（Green）公式指出了下列两类积分：「平面上第二类曲线积分和二重积分之间关系。

高斯（Gauss）公式指出了下列两类积分：空间上的第二类曲面积分与三重积分—之间关系。

二、计算题：1.计算.yds,其中L是抛物线y =x2上自点（0, 0）到（1, 1）的一段弧。

L1 2 1 2 于 1 5 5「1解x 1 4 x dx （1 4x ）2|0=012 122.计算.xyds,其中L为从（0, 0）到（2, 0）的上半圆弧：x2• y2二2x（ y 一0）。

L解jxyds= （（1 +cost）sintdt = 2L 33 .已知平面曲线弧段L是圆x2y^4上从点2,0到0,2的有向弧段，试计算I = L xydx解 I 22cost2sintd 2cost = -8 ^costsin 2tdt =4•计算|二j (x 2 2xy)dx (x 2 y 4)dy ,其中L 为由点0(0,0)到点A(1,1)的曲线JIy = sin — x .2I = j (x 22xy)dx (x 2y 4)dy1 1 二 0x 2dx0(1 y4)dy解法二：根据第二类曲线积分计算。