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高等數學-曲線積分

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:  

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,其中,s 代表長度;              空間直線: 

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              平滑曲線L = L1+L2:

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               閉曲線: 

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     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: 

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               2. 

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    3.計算方法:

高等數學-曲線積分

               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:  

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   , 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:

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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: 

高等數學-曲線積分

          對 平面曲線 坐标y 的 曲線積分: 

高等數學-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: 

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          合并形式: 

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          平面曲線的 向量形式: 

高等數學-曲線積分

,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: 

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          L- 是 L 的反向 曲線弧,則: 

高等數學-曲線積分

3.計算方法:

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         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:

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      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:

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  ,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: 

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恒成立, 就稱為: 曲線積分 

高等數學-曲線積分

 在G内 與路徑無關,否則 稱為 與路徑有關;                  等價于: 

高等數學-曲線積分

,描述為:  曲線積分

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 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:  

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 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: 

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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:

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,其中,C 為常數。 

曲線積分的基本定理:

   1.概要:若曲線積分  

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 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: