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 > 第四节 Gauss公式与Stokes公式 > Stokes公式及其应用
好 我们开始讲Stokes公式
这是场论的最后一个公式
我们讲过Green公式
讲过Gauss公式
这是第三个公式
也是最后一个公式 Stokes公式
那么Stokes公式所关系的是
空间的闭曲线上的第二类积分
以及以闭曲线为边界的曲面上的
第二类曲面积分之间的一个关系
假如说空间有这么一条闭曲线
以及有一个曲面一这条闭曲线为边界线
这样呢 叫做曲面
这个呢 边界线
曲面的边界
那么对于定向 我们有要求
是右手螺旋法则
也就是说 如果说
四个手指头表示曲线的方向
那么曲面的方向是用大拇指来表示
那么在我们图上来讲的话
如果说曲线的方向是这个方向
那么根据右手螺旋法则
曲面的方向呢是这个
是曲面的方向
那么曲线的方向可以确定曲面的方向
反过来来讲
如果曲面的方向确定之后
曲线的方向呢也一点是确定了的
那么Stokes公式公式的定理是这样来描述的
Stokes公式
如果S曲面是包含在Ω区域
这是一个R3中的区域
S是一个逐片光滑可定向的曲面
边界线和S曲面构成右手螺旋法则
如果V作为一个向量值函数
在Ω内是一个连续可微的
也就是C1类的函数
那么我们可以得到如下的Stokes公式
它把一个在S边界上的第二类曲线积分
变成了再S曲面上的第二类曲面积分
其中这个被积函数是一个向量值函数
我们把它集成rot(v)
把它叫做v这个向量值函数的旋度
那么旋度呢可以有这么一个行列式来表示
如果说我们记v这个向量值函数的旋度
把它写成是Z对y的偏导数
减去Y对z的偏导数 第一个分量
第二个分量是X对z的偏导数
前去Z对x变量的偏导数
这是第二个分量
第三个分量是Y对x的偏导数
减去X对y的偏导数
所构成的一个这么也是一个向量值的函数
我们把这个向量值函数的重新
因为这记起来不太好记
我们重新用矩阵的形式来写
这个行列式呢是这么来说的
i j k 第二行呢是
偏偏x偏偏y偏偏z
第三行呢是X Y Z
这个行列式这么来说的
你想 通过这个行列式的计算
我们知道对i
第一分量是i乘上偏偏y Z
也就是Z对y的偏导数作为第一分量
那么j呢是第二分量
是对z的偏导数 谁呢
X X对z的偏导数作为第二分量
k呢是第三分量
谁呢 是这么两个一乘 乘上k
那么Y对x的偏导数作为第三个分量
这个行列式是三个主对角方向的三个正的
同样还有三个负的
你看 k方向也就是第三分量
这是负的 X对y的偏导数
X对y的偏导数
然后呢 第一分量 i分量呢
是Y对z的偏导数
是Y对z的偏导数
最后呢还有呢
j第二分量呢
Z对x的偏导数
这三个相乘
那么这是借助了行列式的记号
我们把旋度呢就写的稍微简单一点点
那么在这个意义下 记号下
我们可以知道
Stokes公式公式我们
在一定的条件下
这个条件分两类
第一类呢是定向有条件
第二类呢对v这个向量值函数的
光滑性我们有条件
在这么一些条件下
那么边界上的第二类曲线积分
可以写成以这个边界线为曲面的
边界的这曲面上的旋度的第二类曲面积分
那么所以说Stokes公式
它联系了第二类曲线积分
和第二类曲面积分
Stokes公式给我们带来的好处有两个
第一个就是计算
我们找一个例子来看一看
要算l这条闭曲线上的第二类曲线积分
其中l这条闭曲线呢是这么构成的
这是一个平面
这个平面过三个点
在x轴上过(a,0,0) a是大于零的
在y轴上呢过那个点(0,a,0)
在z轴上呢过那个d点(0,0,a)
过这三个点的一个平面
从z轴的上方看下去
是逆时针方向
所以呢是这么一个方向
这是l作为一条闭曲线
要求这条闭曲线第二类曲线积分
首先我们想用Stokes公式来算的话
我们首先要找一个曲面
这条曲面呢是以这条曲线为边界线
最简单的一个曲面
那当然是这么一个平面
我们把这个平面叫做S曲面
那么我们对定向就有规定
因为Stokes公式要求这个定向
是右手螺旋法则
所以呢我们看l的边界是沿着这个方向
那么它的曲面的方向应该是
这是曲面的正方向
那么Stokes公式马上就用一下
因为函数的光滑性当然是很好的
所以呢根据Stokes公式我们可以知道
它就等于在S这张曲面它的旋度
哪个旋度呢
第一分量是y
第二分量是z
第三分量是x
旋度的第二类曲面积分
我们可以算一下这个旋度
我们知道旋度
i 三个分量 j k
偏偏x 偏偏y 偏偏z
Y Z X
用一下 行列式的记号
那么我们知道三个正的
这个方向X对y的偏导数等于零
j方向呢是Y对z的偏导数等于零
k方向呢是Z对x的偏导数等于零
所以三个正的都等于零
三个负的呢 你看
第三个分量 Y对y的偏导数等于负一
第二个呢是X对x的偏导数也等于负一
第一个分量呢是Z对z的偏导数等于一
有一个负号
所以呢它的旋度就是等于(-1,-1,-1)
所以Stokes公式告诉我们
原来那个积分实际上就等于
我们S这个曲面上(-1,-1,-1)
这个向量的第二类曲面积分
那么再根据第二类曲面积分的计算
我们知道S这张曲面它的法向量
法向量(1,1,1)单位化的话
单位法向量就是(1,1,1)除以根号三
这是单位正法向量
所以呢它就等于
在S曲面上(-1,-1,-1)
点积单位正法向量(1,1,1)除以根号三dS
这是一个第一类的曲面积分
这是一个数量值函数
这么一点积的话
就等于根号三乘上SdS负的根号三
那么这是什么东西呢
这我们知道啊 这就是
我们这个曲面的它的面积
这就是曲面面积
我们把这曲面 当然从几何上很简单
把这个曲面面积马上就可以算出来
算出来的话正好是等于
负的二分之三的a的平方
所以呢 最后我们根据Stokes公式
我们可以把这个第二类曲线积分
很容易的用 第二类曲面积分来表示
最后呢我们可以很容易的
把这个第二类曲面积分呢算出来
如果不用Stokes公式实际上这个积分也可以算
只是呢这时候这条线
第二类曲线积分是不是用三个积分来做
显然会麻烦一点点
好我们再来看一道例题
xdy减ydx除以x平方加y平方dl
这时候呢l这条线呢分两种情况来讨论
第一种情况呢 我们看看l这条线
是不过z轴也不绕着z轴转
的一条闭曲线
我们画一个图 xyz
l这条线呢是一条闭曲线
这条闭曲线呢既不经过z轴
也不绕着z轴走
那么基本上是这么一条曲线
假如我们随便给一个方向吧
好 那么我们来看一下
l既然是不过z轴也不绕着z轴走
我们以l这条曲线为边界线
可以构造一个曲面叫做S
根据右手螺旋法则
如果L是我们图上这个方向的话
S的方向就应该向上
根据Stokes公式我们可以知道
我们在l这条线上的第二类曲线积分
可以写成S曲面上的旋度的第二类曲面积分
每个行数呢
这个向量值函数的第一个分量
是负y除以x的平方加y平方
第二分量是x除以x平方加y平方
第三个分量dz前面的系数是等于零
所以第三个分量就是零
那我们来算一下旋度
负y x平方加上y平方
x x平方加上y平方和零
实际上我们借助行列式来算
i j k
偏偏x 偏偏y 偏偏z
负y除以x方加上y方
x除以x方加上y方
零
最后你算的结果是等于零
而我们还知道
这个向量值函数无论是在这条曲线
还是曲面上都是属于C1类函数
大家可以注意一下
这么一个向量值函数
出问题的地方就是x平方加y平方等于零
也就是z轴这个向量值函数出问题的
它的光滑性是不够的
因为它连定义都没有
所以呢除了z轴之外都是好的
而这条曲线呢既不过z轴
也不绕着z轴走
所以我们找的曲面呢
当然也不要过z轴
这样的话 我们可以知道
最后我们可以算出来
因为它的旋度既然是等于零
那么这个第二类曲线积分呢
最后就等于零
因为零的第二类曲面积分自然是等于零的
所以我们可以知道对第一种情况
l这条线既不过z轴也不绕着z轴走
那么这么一个第二类曲线积分
永远是等于零的
第二种情况我们再来看看
l是绕着z轴走一周的这么一个曲线
方向呢是从z轴的正方向看去
是逆时针方向
好 我们来看看这条曲线是什么样子的
在三维空间中
这条曲线是绕着z轴转一圈所形成的这曲线
从z轴的正方向看上去呢
是逆时针方向
就这么一条曲线
那么这时候就出问题了
我们同样跟刚才那个办法一样做
以这条曲线为边界线
我们做一个曲面给它包起来
这时候你会发现无论如何
这个曲面跟z轴总是有一个交点的
那么这时候的第二类曲面积分
因为这个函数分母有x平方加y平方
所以呢这个被积函数它的旋度构成的被积函数
在z轴这一交点处呢
分母一定是为零
分母为零那么这函数的Stokes公式光滑性条件就破坏了
所以这个时候呢
直接用曲面给它截住的话
你会发现不能直接用Stokes公式
因为Stokes公式它有一个对被积函数
它有一个光滑性的要求
现在在这一点呢
被积函数连定义都没有
更谈不上光滑
所以呢我们换一个方法
来找一个另外一个曲面给它围起来
这个曲面呢就是这么一个曲面
l这条线朝xy平面做一个投影
它的投影曲线呢
我们把它叫做l1
同样跟l一样 是逆时针是正方向
我们把这个侧面叫做S
这时候又不太好想侧面怎么叫S呢
我们把S这个曲面再给它切开
本身是一刀
但是我们画的好看一点
我们把它切成两刀
实际上两条线是一样的
上面那个点呢叫做A点
下面那个点呢叫做B点
我们假设S这个曲面如果是外侧为正
那么我们来看看S的边界是由什么组成的
S的边界根据外侧为正
那么这时候这个边界方向
正边界方向根据外侧为正
所以呢从A到B
A到B我们写一个有方向的
A到B
然后呢根据外侧为正的话
再沿着l1的方向走到B点
走到B点之后呢
从B点呢又回去 BA
B点到A点之后呢 接着呢
在外头再绕一圈
而这个方向呢正好l的负方向
所以呢我们可以发现
以外侧为正的这么一个S的正边界的话
是AB加上l1正加上BA加上l1负
这时候你会发现
这个积分除以x平方加上y平方
这时候又可以写成在S正上的旋度
的第二类曲面积分
而这个曲面没有过z轴
既然没有过z轴
在这个曲面上
v的函数是一个很好的函数
C1类函数
所以它的旋度完全是很好的
我们刚才也算了
这个旋度是恒等于零函数的
所以呢这个积分一定是等于零
那么S的边界线有这几条线组成
所以呢AB上的积分加上
l1正上的积分加上BA上的积分
加上l负上的积分
应该是等于在边界上的积分
应该是等于零的
而我们也知道
AB和BA是同一条曲线不同的方向
所以第一类曲线积分正好是抵消的
那么我们也可以知道
l1正上的积分减去l正上的积分
等于零
因为l负的积分等于负的l正的积分
也就是说l正上的积分
也就等于l1正上的积分
那么我们现在就要来算一算
l1的它的第二类曲线积分
xdy减去ydx x平方加上y平方
这时候我们又用到了所谓的Green公式
而且这个Green公式不能马上就用
原因很简单 因为我们知道
l1正的话是这么一条曲线
这是x方向这是y方向
l1呢大概是这么一个方向
是逆时针方向
如果说你直接用Green公式的话
Green公式要求被积函数仍然是要求C1类的函数
而这时候你会发现
这条曲线如果再用曲线二重积分来算的话
一定要包含原点
原点是x方加y方是等于零的
又是有问题的
那么在l正上的积分呢
我再可以找另外一条线
叫做l2正上的积分
l2是什么东西呢
就是xy平面上的单位圆周
l2呢是x方加y方等于一
逆时针方向
问题又来了
为什么说l1正上的积分
等于l2正上的积分
原因很简单
因为我们来看看
l1和l2中间的那个区域
在这个区域上
环域上 Y对x的偏导数
也就是说偏偏x
x除以x平方加上y平方就等于
X对y的偏导数
偏偏y负的y
除以x平方加上y平方
可以算一下
既然这两个相等
所以呢 曲线积分用一下Green公式
我们就可以知道
这个曲线积分不会因为你这个
曲线的它的伸缩而改变曲线积分的积分值
那么在l2正上呢 我们知道它是一个单位圆
既然是一个单位圆
所以呢x平方加y平方等于1
所以呢l2正上 xdy减去ydx
现在我们才可以直接用Green公式
因为这个函数的奇点已经消掉了
x平方加y平方的等于一么
我们把方面消掉了之后
可以直接用Green公式
就等于在D2
D2就是x方加y方小于等于1
这么一个单位圆盘里面
Y对x的偏导数等于一
减去X对y的偏导数减去负一加上一dxdy
也就等于二倍的π
所以我们最后发现
在l2正上的第二类曲线积分
等于二倍的π
最后用Green公式
因为都是平面问题
我们知道在l1正上的积分呢
就等于二倍的π
再用一下Stokes公式我们可以知道
原来在l上的积分呢
就等于l1上的积分
就等于二倍的π
但这道题是一个相对来讲
是我们看见的比较复杂的一道题
那么这道题告诉我们这么几件事情
第一件事情
无论是用我们原来讲过的Green公式
Gauss公式和我们现在讲的Stokes公式
对函数的光滑性都是有要求的
只有当C1类的函数才可以直接来用
如果不是C1类的函数
实际上不能直接来用的
那么这个
第一个呢
在S这个曲面上是C1类的函数
所以呢可以直接用Stokes公式
最后我们发现这个积分等于零
对第二问来讲的话
就不允许直接用Stokes公式
因为这个光滑性不够
要过z轴之后分母就有原点了
所以我们用一个侧面的曲面来
做一个曲面
然后呢 我们来把这么一个l上的
第二类曲线积分变成
底面l1上的第二类曲面积分
然后对l1上的问题呢
就是一个平面上的第二类曲线积问题
我们可以用Green公式
而这时候又可以发现有问题了
不能直接用Green公式
因为直接用Green公式你会发现
这时候它一定包含了原点
D区域一定包含原点
l1的内部肯定有原点
既然是有原点
那么这个分母一定是有零点
分母有零点光滑性又不够
所以我们用Green公式呢
给它伸缩一下
把这个曲线呢
变成一个单位曲线
那么单位曲线呢
我们用了x平方加y平方等于一
把这个分母消掉之后
最后我们可以发现
这时候我们直接可以用Green公式
来最后算得这结果
等于二倍的π
这绕了好几个弯
是一个比较综合性的这么一道题目
-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