第二型积分
定义
设 Ω 为空间上一有向几何体,即在 Ω 上每一点 P 处都确定了一方向 eP,P∈Ω,A(P) 为 Ω 上一向量值函数。首先,将 Ω 任意分成 n 个有向几何体 ΔΩ1,ΔΩ2,⋯,ΔΩn;然后在每一个有向几何体上做内积 A(P)⋅ΔΩi(i=1,2,⋯,n),Pi∈ΔΩi,ΔΩi 是以 ΔΩi 的几何量为模,以 Pi 点的方向为方向的向量,再将上述内积加起来得 i=1∑nA(Pi)⋅ΔΩi。若无论 Ω 如何分,Pi∈ΔΩi如何取,极限 λ→0limi=1∑nA(Pi)⋅ΔΩi,λ=max{di∣i=1,2,⋯,n},di 是 ΔΩi 的直径,都存在且相等,则称此极限值为 A(Pi) 在 Ω 上给定方向 eP 下的第二型积分,记为
λ→0limi=1∑nA(Pi)⋅ΔΩi≜Ω∫A(P)dΩ
性质
第二型曲线积分
定义
设 C 是空间一有向曲线,其方向为其切线给定方向,引入直角坐标,A(P)={P(x,y,z), Q(x,y,z), R(x,y,z)} 是 C 上连续函数,则
dΩcosαP=dx,dΩcosβP=dy,dΩcosγP=dz
称 C∫A(P)dΩ=C∫Pdx+Qdy+Rdz 为 A(x,y,z) 在 C 上给定方向的第二型曲线积分。
计算方法
参数法
设曲线 C 为 ⎩⎨⎧x=x(t)y=y(t)z=z(t) 始点 t=a,终点 t=b,C 为光滑曲线,则
C∫Pdx+Qdy+Rdz=∫abPdx(t)+Qdy(t)+Rdz(t)=∫ab[Px′(t)+Qy′(t)+Rz′(t)]dt
格林公式
设 D 为单连通区域,C 为 D 的边界闭曲线,其方向为正向。P(x,y),Q(x,y) 是 C+D 上具有连续一阶偏导的函数,则
C∮P(x,y)dx+Q(x,y)dy=D∬(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
推广
设曲线 C 是由 n+1 条简单连续、逐段光滑闭曲线 C0,C1,⋯,Cn 组成,其中 C1,⋯,Cn 互不相交,每条都在其余 n−1 条外部区域内,而它们全体又在 C0 所围区域内部。C0 与 C1,⋯,Cn 所界定区域为 D,C 的方向对 D 而言为左手域方向,而 P(x,y),Q(x,y) 又是 C+D 上具有连续一阶偏导的函数,则
C∮P(x,y)dx+Q(x,y)dy=D∬(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy
斯托克斯公式
设 C 为分段光滑有向闭曲线,S 是以 C 为边界的任一分片光滑的有向曲面,C 与 S 的方向满足右手螺旋方向,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z) 是 S+C 上具有连续偏导的函数,则
C∮Pdx+Qdy+Rdz=S∬(∂y∂R−∂z∂Q)dydz+(∂z∂P−∂x∂R)dzdx+(∂x∂Q−∂y∂P)dxdy=S∬dydz∂x∂Pdzdx∂y∂Qdxdy∂z∂R=S∬cosα∂x∂Pcosβ∂y∂Qcosγ∂z∂RdS
平面曲线积分与路径无关
设 D 为单连通区域,P,Q 为 D 上具有连续一阶偏导的函数,在 D 上下述四结论等价:
- D 上任意闭曲线 C,有 C∮Pdx+Qdy=0
- D 上第二型曲线积分 AB∫Pdx+Qdy 与路径无关
- Pdx+Qdy 是全微分
- ∂y∂P=∂x∂Q
全微分方程
定义
如果一阶微分方程 Pdx+Qdy=0 满足 ∂y∂P=∂x∂Q,则称此方程为全微分方程(恰当方程)。
解法
通解公式 u(x,y)=∫(x0,y0)(x,y)Pdx+Qdy=C∫x0xP(x,y0)dx+∫y0yQ(x,y)dy=C
更一般地,方程两端乘以一个因子 u(x,y) 才可以变成全微分方程。
空间曲线积分与路径无关
设 Ω 为空间二维单连通区域,P,Q,R 为 Ω 上具有连续一阶偏导的函数,在 Ω 上下述四结论等价:
- Ω 上任意闭曲线 C,有 C∮Pdx+Qdy+Rdz=0
- Ω 上第二型曲线积分 ∫ABPdx+Qdy+Rdz 与路径无关
- Pdx+Qdy+Rdz 是全微分
- ∂y∂R=∂z∂Q,∂z∂P=∂x∂R,∂y∂P=∂x∂Q
第二型曲面积分
定义
设 S 是空间一有向曲面,其方向 nP,P∈S 为给定 S 上一法向,A(P)={P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)} 是 S 上连续函数,则
dΩcosαP=dydz,dΩcosβP=dzdx,dΩcosγP=dxdy
称 S∫A(P)dΩ=S∫Pdydz+Qdzdx+Rdxdy 为 A(x,y,z) 在 S 上给定一侧的第二型曲面积分。
计算方法
分面计算法
S∬Rdxdy=⎩⎨⎧Dxy∬R(x,y,g(x,y))dxdy−Dxy∬R(x,y,g(x,y))dxdyS为上侧S为下侧
S∬Pdydz=⎩⎨⎧Dyz∬P(g(y,z),y,z)dydz−Dyz∬R(g(y,z),y,z)dydzS为前侧S为后侧
S∬Qdzdx=⎩⎨⎧Dxz∬Q(x,g(x,z),z)dxdy−Dxz∬Q(x,g(x,z),z)dxdyS为右侧S为左侧
投影法
S∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=S∬[P(−∂x∂z)+Q(−∂y∂z)+R]dxdy=±D∬[P(−∂x∂z)+Q(−∂y∂z)+R]dxdy
高斯公式
设空间二维单连通区域 Ω 的边界 S 是光滑的,其方向为外法方向,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z) 在 Ω 上具有连续一阶偏导数,则有
S∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω∭(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dΩ
推广
设 S 是由两个闭曲面 S1,S2 组成,S1 的方向为外法方向,S2 的方向为内法方向,且 S2 在 S1 所围区域内部,介于 S1,S2 之间区域为 Ω,函数 P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z) 在 Ω 与 S 上具有连续一阶偏导数,则有
S∬Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω∭(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dΩ