关于一大类第二型曲线积分问题的教学札记姚磊;姚云飞;王先超【摘要】曲线积分计算往往存在技术性的困难 ,若利用\"正交变换\" (二次型)\"等有关理论去解决这些计算问题 ,则往往有功效.文[1] ,[2]给出了正交变换(二次型)在重积分中应用.现将在多年的教学实践中 ,以\"正交变换\"为工具 ,处理了二元二次型的面积问题 ,简捷的处理了一大类第二型曲线积分的问题的教学方法整理出来.这些方法与结果不但对从事大学数学教学有一定的实用性 ,而且对从事金融数学的教学研究也有着一定参考价值 .%There exists technique difficulties in calculating curve integrals ,but it is often effective by using orthogonal transformation (quadratic form ) theory to solve these problems .References [1] and [2] gave the applications of the orthogonal transformation (quadratic form ) in multiple integral .Through many years' teaching experience ,we treats area problems ofbinary quadratic forms by using orthogonal transformation and successfully resolved many problems of curve integrals .These methods and results are of reference value to the teaching research of finance mathematics .【期刊名称】《大学数学》【年(卷),期】2015(031)005【总页数】7页(P76-82)【关键词】教学实践;问题解决;整体思路;创新能力【作者】姚磊;姚云飞;王先超【作者单位】中央财经大学金融学院,北京 100081;阜阳师范学院经济学院,安徽阜阳 236032;阜阳师范学院数学与统计学院 ,安徽阜阳 236032;阜阳师范学院数学与统计学院 ,安徽阜阳 236032【正文语种】中文【中图分类】O151.2;O172.2大家知道,大学理科、工科、经济学、金融学、金融工程等专业的学生,从大学一年级开始,循序渐进的学习高等数学、解析几何学、线性代数学等数学课程的内容,为学习专业课程打基础.多年教学实践告诉人们各自学习一门课程较为容易接受,但是在实践中、在应用中往往需要将各门课程之间的关系打通,综合应用方能解决实际问题往往感到困难.这是因为正像著名的数学家陈省身先生所说的“就在于科学本身的整体性”.试问在一个具体的问题的教学中,怎样综合应用多科知识来解决问题?本文将以较复杂有一定难度的高等数学(微积分学)中的第二型曲线积分问题为例论之:欲解决第二型曲线积分问题,需解决二次型的几何度量问题,欲解决二次型的几何度量问题,需用正交变换为工具方可.现将我们在多年教学中的做法总结如下,敬请同行斧正.例如求第二型曲线积分在教学中,让学生练习解决问题时,“不能头疼医头,脚疼医脚”,关键是培养学生的“着眼长远,举一反三,触类旁通”的能力,能够批量的解决一大类问题或几大类问题.为此给出了如下的引理,系统的处理了一批问题,获得了很好的结果. 本文约定引理[5] 设aij=aji,i,j=1,2,3.证第一步证明f(x,y)经过平移后成为第二步证明f(x,y)经过正交变换后(平移与旋转)后成为第三步证明{(x,y)|f(x,y)≤0,x∈,y∈}在欧氏平面2中的面积为(i) 第一步之证.因为由B正定知A33≠0,于是由此知下面方程组有唯一解x0,y0.f(x,y) =f(x′+x0,y′+y0)=[x′+x0y′+y01]A[x′+x0y′+y01]T.(ii) 第二步之证. 令,(iii) 第三步之证. 由矩阵正定知|B|=A33>0,于是由第二步之证的结果知于是由{f(x,y)≤0}知注1 此引理即为[5]中P195的问题7,其较[5]中的处理方法简单,由此引理可得下面的特例.特例当AC-B2>0, C>0,ε>0时,则(i)[5] Ax2+2Bxy+Cy2=1所包围平面区域的面积为(ii) Ax2+2Bxy+Cy2=ε2所包围平面区域的面积.注2 此处的(i)较[5]中P194的问题6的处理方法简单,且与[5]中P194的问题6和[5]中P195的问题7的处理方法的思路不同,本文的方法有利于推广,沟通了高等代数的关系,而且数学问题的代数化正是数学发展趋势之一.将数学分析、几何、代数三者融为一体,极大激发了学生学习兴趣和求知欲,革新了名著[5]的方法.特别是由引理,便得到[3]中的P380—381类似之果,而[3]中的P381之d*表达较繁,不清楚,不易操作.而由本引理知.这对于曲线(面)分类的研究,使用起来将更加方便.有了此处的引理,就很顺利的解决本文一开始提出的及其一大批曲线积分问题.为了解决本文一开始提出的问题,关键处理好其分母是二次型的问题及其几何度量的问题,我们已在本文“2”中解决了.于是可以居高临下势如破竹使一大类问题获得解决,培养了学生的创新能力.问题1[4] 若① L为xOy平面上的一条不经过原点分段光滑封闭曲线,方向为逆时针,② A>0, AC-B2>0,(ii) 当L不包围原点时,证由A>0, AC-B2>0知二次型Ax2+2Bxy+Cy2正定.于是综上所述知(i)与(ii)成立.注问题1具有非常好的包容性,好多文献中的问题及其近年来的考研试题与国内外的大学生数学竞赛试题,往往出现其特例问题.利用本问题1可以系统化的解决许多文献中的问题.例如从问题2到问题10:问题2 当A=1,B=0,C=1,L同问题1,则[6-8](i) 当L包围原点时=2π(首都师范大学2002年考研试题,当L为x2+2y2=1时,便是大连理工大学2005年考研试题)(ii) 当L不包围原点时,(ii)合起来是大连理工大学2003年考研试题,且为[5]中P431—432问题4307)(iii) 当L为x2+y2=1或为且方向为逆时针,则问题3 当L为x2+y2=1,A=4,B=0,C=9,且方向为逆时针,则.问题4 当L为x2+y2=1,A=1,B=0,C=9,且方向为逆时针,则π.(1996年、1999年华中科技大学考研试题).问题5 当L为x2+y2=1,A=3,B=0,C=2,且方向为逆时针,则(华中科技大学1991年、2002年、2004年考研试题).问题6 当L是以点(1,0)为中心,R为半径(R≠1)的圆周且方向为逆时针,(A=4,B=0,C=1),则问题7[4] 当L为xOy平面上的一条不经过原点分段光滑封闭曲线,方向为逆时a,b,c,d∈, ad≠bc,则(i) 当L包围原点时,(ii) 当L包围原点时,问题8(厦门大学2005年考研试题、[6]P434问题4321.) 设X=ax+by,Y=cx+dy, ad-bc≠0,且L为包围坐标原点的简单封闭曲线,则问题9[6-7] 可以将问题6,7推广到下面问题之中,若(i) 简单的围线L包围坐标原点,(ii) 曲线φ(x,y)=0和ψ(x,y)=0在围线L内里面有m个单交点, Pi(xi,yi),i=1,2,…,m.φ(x,y)和ψ(x,y)在L围成的区域内有连续的二阶偏导数,且在各点Pi(xi,yi),(i=1,2,…,m),有按逆时针方向,则问题10 Gauss积分[8]设平面向量的模长为,此向量是连接点A(x,y)和简单封闭光滑围线L上的动点M(ξ,η)而得到的.(r,n)为向量r与在曲线L上M点的外法线n所夹的角,则(i) 当点A(x,y)在曲线L内时,u(x,y);(ii) 当点A(x,y)在曲线L外时,u(x,y);(iii) 当点A(x,y)在曲线L上时,u(x,y)π.问题11 利用上述的结果,可知“当L为复平面上的不经过原点的简单封闭曲线,方向为逆时针,则(i)当L包围原点时,=2πi ,其中i2=-1,(ii) 当L不包围原点时,=0.”由此,可通向复变函数中的Cauchy[9]积分公式上述是我们多年来的教学实践中的一些解决批量问题的革新的整体思路的居高临下势如破竹的做法.有效的提高了课程教学的质量,有效的开发了学生的智能,有效的培养了学生的创新的能力.【相关文献】[1] 姚云飞. 正交变换在重积分中某些应用[J].数学的实践与认识,2003, 33(9):139-144.[2] 姚云飞. 论二次型与正交变换在重积分中的某些应用[J].工科数学,2002,18(6):90-102.[3] 北京大学数学系前代数小组编,王萼芳,石生明修订高等代数[M].4版.北京:高等教育出版社,2013:79,206-233,355-394.[4] 胡适耕,姚云飞. 数学分析:定理.问题.方法[M]. 北京:科学出版社,2007:166-167.[5] TM菲赫金哥尔茨.微积分学教程二卷一分册[M]. 北京大学高等数学教研室译.北京:人民教育出版社,1978:194-196,209-210.[6] BII吉米多维奇.数学分析习题集[M]. 李荣冻译.北京:人民教育出版社,1978:219,224,389.[7] 黄定晖,周学圣. B II吉米多维奇数学分析习题集解(六)[M].济南:山东科技出版社,1980:271-275.[8] TM菲赫金哥尔茨著.微积分学教程三卷一分册[M]. 路见可译.北京:人民教育出版社,1978:56-58.[9] 钟玉泉.复变函数论[M]. 北京:高等教育出版社,2010:100,103-110.[10] Polga G, Sego G. Problems and Theorems in Analysis[M]. Berlin:Springer-Verlag, 1972:143-145.。