当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第四章 向量分析 > 第二节 Green公式及其应用 > 平面第二类曲线积分:Green公式
好 我们来介绍一个新的内容
就是关于平面第二类曲线积分
就是格林公式
所谓平面第二类曲线积分
指的是 F呢是一个平面的向量值函数
它有两个分量 一个是X(xy)的函数
Y(xy)呢也是xy的函数
其中呢xy呢 是在一个平面区域上
我们先来解释一下 如果说
D呢是平面上一个有界区域
我们解释一下 D的边界的正方向
我们是这么来取的
沿着D的边界正向走
D区域在左侧
我们给一个解释
假如说有这么一条区域
有这么一个区域 这是一个D区域
我们来看一下 你想象一下
一个人沿着这个边界走
什么时候区域在左侧呢
很显然 这个方向走 区域正好在左侧
我们再来看一下
如果D区域我们改变一下
D是哪个区域呢
是这么一个区域
中间呢 挖掉一个洞
这个是不要的
环域才是D区域
那么这时候
这个D区域的边界
实际上有两条边界组成
有内边界和外边界
对于外边界来讲 我们讲
沿着边界的正方向走
区域在左侧是不是就是逆时针的方向
对于内边界来讲
沿着边界的正方向走区域在左侧
反过来来讲 是不是就是一个顺时针方向
所以一条闭曲线
它本身逆时针和顺时针
都是题目说了算
让你逆时针积分你就逆时针积分
让你顺时针积分你就顺时针积分
但是这 一旦这条闭曲线作为区域D的边界
或者边界的一部分的时候
那么这个闭曲线
如果你要下面用格林公式的话
你这个闭曲线的 它的方向
作为边界的方向
也就是沿着这个边界走区域在左侧
下面我们来介绍格林公式 格林公式
D呢 是平面上一个有界区域
D的边界呢 是逐段光滑的正则曲线
它的正方向呢 按照我们的规定
就是区域边界的正方向规定
XY作为二元函数 在D的内部呢
是连续可微的 也就是说X关于xy的偏导数
和Y关于xy的偏导数都是连续函数
在D的闭包上XY都是连续函数
那么就有格林公式
也就是说XY在D的边界上的第二类曲线积分
可以写成或者说等于Y对x偏导数
减去X对y偏导数所构成的新的一个二元函数
在D区域上的二重积分
好 下面我们证明这个定理
我们来看一下
格林公式实际上是这么一个公式
它联系着两类积分
左边呢 是关于边界上的第二类曲线积分
右边呢 是一个二重积分
关于边界呢 它的正方向
我们是有严格的规定
沿着边界正方向走
区域在左侧
在这个意义下来讲
格林公式是成立的
我们要证明这个格林公式呢
我们只对一种情况来证明
我们只证明
在D的正边界上走
X 关于X的第二类曲线积分
可以写成D负的X对y的偏导数二重积分
也就是说格林公式里面
关于X的内容
同理 我们也可以证明
格林公式里面关于Y这方面的等式
两个放在一块的话
就是一个完整的格林公式
我们对D呢做假设
D呢 是这么一个区域
如果我们画一下图的话
D区域呢 就是这么一个区域
这是D区域
x y 这一点呢是A 这一点呢是B
这一条线呢是y=y1(x)
这条线呢是y=y2(x)
这两条呢是垂线
那区域的方向是这么一个方向
朝上走 然后呢 过来 再下来
逆时针为正方向
好 那么我们来看看
一个二重积分在D的-X对y的偏导数dxdy
我们把这么一个二重积分转化成为二次积分
就可以把它写成x呢是从A点到B点 dx
y呢 正好是从y1(x)到y2(x)负的X对y的偏导数dy
那么你可以发现
我们做的第一个积分实际上是可以积出来的
因为X对y偏导数 那么
它的原函数实际上就是X
所以呢就相当于从a点到b点dx
相当于-X(x y) 下限 牛顿莱布尼茨公式
下限是y=y1(x) 上限呢是y=y2(x)
或者是我们把它带进去之后
我们可以发现从a到b的积分
那么这有一个负号
所以说上限是放在下面
下限放在上面
X这个函数X(x y1(x))减去X(x y2(x))的积分
这是我们知道的二重积分的计算
我们现在来看一下
在L的 D的边界上X作为xy的函数dx 第二类曲线积分
D的边界可以分为几段
我们把底下那段叫做L1
这段叫做L2 这段叫做L3 左边那段叫做L4
所以呢 可以写成在L1+上的积分
加上在L2+的积分加上在L3+的积分加上在L4+的积分
方向呢 就是我们图上所规定的那个方向
Xdx
在这四条曲线上的第二类曲线积分
其中有两条是值得注意的
就是L2和L4
在L2和L4的方程里面
L2的方程不就是x=b
所以dx它实际上是等于0的
所以L2上的第二类曲线积分和L4上的
实际上都是等于0的
剩下呢 实际上就是等于L1+上的X(x y)dx
加上L3+上的X(x y)dx
我们把这个用一下第二类曲线积分的计算
我们可以知道在L1这条曲线上
y不就等于y1(x)
而这时候
它的积分L1这条线你看
正好是x从a到b 所以呢
实际上L1这条线就是从a到b
X x,y呢就等于y1(x)dx
L3这条线 我们知道L3呢
它的方程 y是不就是y=y2(x)
我们把方程带进去
L3这条线
实际上它的积分方向对x来讲是从b到a的
所以呢 实际上 减去从a到b的积分
因为它实际上是从b到a
我们上下限颠倒一下
加一个负号就X(x y2x)dx
你会发现 这两条
一定是就是相等的
完全是一样的
既然这两个相等
所以呢 我们就可以知道
我们要证的格林公式里
关于X的等式是成立的
我们现在这种证明方法
只是仅限于这种简单区域上的证明
如果你要问更复杂的区域怎么办呢
就说我们画一个图
假如说一个区域比较复杂
那我们也知道
我们一个复杂的区域
我们是不是可以通过分割把它分割成两块
这一个呢 叫做D1这个区域
这个呢 叫做D2这个区域
而D1和D2这两个区域
都可以看做一个简单区域
这样的话 我们就可以知道
在D的正边界上的积分
Xdx可以写成在D1的正边界上的积分
加上在D2正边界上的积分
这是我们已经讲过的
原来我们讲
这整个一个区域上的第二类曲线积分
可以写成两个小的闭路径上的第二类曲线积分
而我们已经知道
在D1上是一个简单区域
我们用一下定理 我们可以知道
他是可以写成D1上的负的X对y的偏导数dxdy
在D2上呢 我们也可以把它写成
再加上在D2这个区域负的X对y的偏导dxdy
那么我们从二重积分关于区域的可加性
我们可以知道
他就等于在D区域上负的X对y的偏导数dxdy
那么这也就告诉我们
我们现在要证的格林公式关于X的那个等式
不光是对这种简单的区域成立
只要是能分成有限个简单区域那种复杂区域
那么这个公式仍然是成立的
同样 我们对Y
格林公式关于Y 我们有类似的等式
那么这两个等式的和就合并成为一个格林公式
所以对于格林公式来讲
我们最后对区域的要求是什么东西呢
D是一个有界区域
D的边界呢是由逐段光滑正则曲线所构成的
那么这么一个区域里面格林公式通通是对的
格林公式本身的作用
他把一个边界上的第二类曲线积分
变成内部的二重积分
所以呢 格林公式
给我们的计算一定会带来好处的
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题