概要:
在 積分概念 中,将 積分區間為 數軸上 一個區間的情形,稱為: 積分 ,實體意義為 面積;
在 積分概念中, 将 積分區間 為 平面内 閉區域 的情形,稱為: 二重積分, 實體意義為 體積;
在 積分概念中, 将 積分區間 為 空間内閉區域 的情形, 稱為: 三重積分, 實體意義為 品質;
在 積分概念中, 将 積分區間 為 一段 曲線, 稱為: 曲線積分(線的品質 或 變力沿有向曲線所作的功) ;
對弧長 的曲線積分
1.形式定義:
平面直線:
,其中,s 代表長度; 空間直線:
平滑曲線L = L1+L2:
閉曲線:
2.重要性質:
1.若 f <= g, 則 對曲線L的 f 積分 <= 對曲線L 的 g積分; 即:
2.
3.計算方法:
了解: 将弧線 x,y 用參數方程表示,(與 密度 本來是無關的,但是通過參數方程聯系起來了。 )
此時 線長度 可表示為:
, 趨勢的平方和開方,目的是與 參數的微分 聯系起來考慮問題。
同理, 空間曲線積分計算方法:
對 坐标的 曲線積分:
1.形式定義:
對 平面曲線 坐标x 的 曲線積分:
對 平面曲線 坐标y 的 曲線積分:
對 空間曲線 坐标x,y,z類似于 分别為:P,Q,R , 形如:
合并形式:
平面曲線的 向量形式:
,其中,F(x,y) =P(x,y)i + Q(x,y)j , dr = dx i+ dy j;
空間曲線的 向量形式 類似;
2.重要性質:
光滑有向曲線L= L1+L2:
L- 是 L 的反向 曲線弧,則:
3.計算方法:
空間曲線 同理; 注意,α 不一定小于 β.
了解: 多個變力 在 每個 次元的 偏轉分量和,最終的機關 為 : 功(焦耳)。
兩類曲線之間的聯系:
其中, α,β 代表 有向曲線弧 L 在 點處 的切向量的方向角。
有向曲線弧的切向量: 指向 與 有向曲線弧 的方向一緻 的切向量;
有向曲線元: dr;
格林公式及其應用:
1.概要:
牛頓-萊布尼茲公式,表示 一重積分 F'(x) 在區間 [a,b] 上的積分,可以通過 它的原函數 F(x) 在這個區間上的值 來表達;
格林公式 表示: 二重積分 在 平面閉區域 D 的值,可以通過 沿閉區域 D 的邊界曲線 L 上的曲線積分 來表達;
2. 單連通區域: D為平面區域,在該平面區域内,任一閉曲線所謂的區域都屬于D,稱為單連通區域;(通俗來說,就是該區域不包含洞)。 否則 ,稱為 複連同區域。
邊界曲線L的正向: 當觀察者 沿L 的這個方向行走時,D内 在他近處的那一部分 總在他的左邊。(注意,這裡的他 ,指代觀察者相對于運動方向的定位。 是以,複連通區域中,内環線為順時針,外環線為逆時針。)
3.形式定義:
,其中,D 由分段光滑的曲線L 圍成,L 是 D取正向的邊界曲線;
4.應用: 可考慮構造 P,Q,簡化 二重積分的運算。
平面上曲線積分與路徑無關的條件:
1.概要: 實體力學中,研究 勢場,就是要研究 場力 所作的功 與 路徑無關的情形。 類似的,什麼條件下場力 所作的功 與 路徑無關? 折射到數學上 就是要研究 曲線積分 與路徑無關的條件。
2.形式定義:
平面閉區域G,任意兩點A,B, 從A 到 B 的任意 兩條曲線 L1,L2:
若:
恒成立, 就稱為: 曲線積分
在G内 與路徑無關,否則 稱為 與路徑有關; 等價于:
,描述為: 曲線積分
在 G 内 與 路徑無關,相當于 沿G内 任意閉曲線C 的曲線積分 等于零。
3.充要條件:
曲線積分 在G 内 與路徑無關的充要條件是:
在G内恒成立(G為單連通區域);
4.奇點:
區域内,含有破環函數 : P,Q,P'x,Q'y 函數 連續性條件的點,稱為 奇點。
二進制函數的全微分求積:
1.概要: 讨論,P,Q滿足什麼條件時,表達時 Pdx +Qdy 才是 某個 二進制函數u 的 全微分;
2.充要條件:
滿足上訴概要的充要條件是:
在G内恒成立(G為單連通區域);
3.推論:
單連通區域G 内,在G内的曲線積分與路徑無關的充要條件(2,)是:
在G 内 存在函數 u(x,y) = Pdx + Qdy.
4.全微分方程:
如果一個微分方程寫成: P(x,y)dx +Q(x,y)dy=0的形式後,它的左端恰好 是某一個函數 u(x,y)的全微分,即:
d u(x,y) = P(x,y)dx+ Q(x,y)dy, 稱為 全微分方程。
5.全微分方程的通解:
,其中,C 為常數。
曲線積分的基本定理:
1.概要:若曲線積分
在 區域G 内,與積分路徑無關, 稱 向量場 F 為保守場。
2.形式定義: