当前课程知识点:多元微积分(先修课) >  第五章 曲线曲面积分及其应用 >  第一节 第一型曲线积分及其应用 >  空间曲线的弧长与质量

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频课程列表

空间曲线的弧长与质量在线视频

空间曲线的弧长与质量

下一节:第一型曲线积分的定义与性质

返回《多元微积分(先修课)》慕课在线视频列表

空间曲线的弧长与质量课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大

微积分老师 宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲

我们来学习空间曲线的弧长与质量

前面

我们讨论了平面曲线的弧长

得到曲线的弧长等于弧长元的定积分

而曲线的弧长元

在曲线的不同表现形式下

呈现出不同的表达形式

例如

在直角坐标系下的显式曲线和参数曲线

极坐标系下显式曲线等

但是

其核心思想都是

在曲线上每一点处

局部地用微分三角形的斜边长

近似曲线上的弧长

这就体现出

微积分学的核心思想——“以直代曲”

那么

如何定义和计算空间曲线的弧长

以及质量

这是本节的中心任务

我们来考察一个具体的空间曲线运动

设有一个物体作螺旋线运动

运动轨迹可以用一个空间参数方程给出

如何计算从0到2π时间内的运动路程

对运动位置的参数方程

求关于时间的导数

得到运动的速度矢量

速度的大小就是速率

计算可得

螺旋运动的速率是常数

速率乘以时间就是路程

这样

我们就计算出螺旋运动的路程

但是 同学

这个方法具有一般性吗

也就是说

它可以用来计算一般空间曲线运动的路程吗

对于一般空间曲线运动

运动的速率可能不是一个常数

此时 如何计算一般空间曲线运动的路程

为了计算空间曲线运动的路程

也就是空间曲线的弧长

设已知空间曲线的参数方程

分割参数的定义域[α,β]

对应地

得到曲线上的分割点

将曲线分成若干个小的曲线段

再对曲线上相邻两点的弧长作近似

还是“以直代曲”

即用两点的直线距离

代替曲线上的长度

再对每个坐标之差

利用参数方程

以及微分代替差分

这与平面参数方程弧长元推导思想一致

不过

对于空间情形

需要应用空间中两点直线距离的公式

计算两点间的直线距离

考察参数具有一个增量时

空间参数曲线

在三个坐标轴上的增量分别是多少

它们在曲线每一点处

张成一个长方体

这个长方体的对角线长度

就是曲线在该点的弧长元

那么

这个对角线的方向有什么意义

对空间曲线的弧长元作积分

可以得到一个关于参数的定积分

这就是空间曲线的弧长

利用上述思想和方法

我们再来计算一下螺旋线的弧长

利用螺旋线的参数方程

计算可得螺旋线的弧长元

它就是等于该时刻运动速率乘以时间元dt

对弧长元作积分

就得到一个关于时间的定积分

计算积分

即可得到螺旋线的弧长

与前面的物理方法对比一下

这个方法具有一般性吗

同学 动脑想一想

动手画一画

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

上面 对于空间参数曲线

我们推导出曲线的弧长元

如果曲线是一个光滑曲线

并且假设三个坐标函数的导数的平方和

在每一点处都是大于零的

这样随着时间的增加

弧长是单调增的函数

也就是

从时间到弧长的函数

存在反函数

即可以视时间t是弧长s的函数

代入曲线的参数方程

利用复合函数的思想

空间曲线可以视为一个关于弧长的参数方程

此时

称弧长为弧长参数

而曲线方程为自然方程

为什么称曲线的弧长参数方程是自然方程

在弧长参数下

计算参数方程对弧长参数的导数

进而得到曲线的切向量

这个切向量的长度等于多少

利用复合函数求导的链式法则

先对一般参数方程的求导

再乘以参数t对弧长参数s的导数

利用弧长元的定义可知

弧长参数曲线切向量的模等于1

即此时的切向量是单位向量

利用单位向量的方向余弦

可以表达出弧长参数曲线的单位切向量

那么

弧长参数有什么样的缺点呢

那就是

一般无法事先确定一个参数是不是弧长参数

那么

如何验证一个参数是不是弧长参数

同学

动脑想一想

动手算一算

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

前面

我们讨论了空间参数曲线的弧长

那么如何定义和计算空间参数曲线的质量

例如 考察螺旋线的质量问题

对于 均匀情形

也就是线密度是一个常数

那么 质量等于线密度乘以曲线的弧长

那么 如何定义和计算

非均匀情形时曲线的质量

比如 曲线的线密度是函数δ=z

此时 曲线的质量还等于线密度乘以弧长吗

用哪一点的线密度合适

为此 我们还是采用分割 近似 求和

以及取极限这四步

定义和计算非均匀情形时曲线的质量

同学 你能动手写出曲线质量的定义过程吗

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

为了求出上述非均匀情形时

参数曲线的质量

可以对参数的定义域作分割

在曲线上得到一系列依次排列的点

并利用相邻两点的直线距离

近似小曲线段的弧长

进而得到参数曲线的弧长元

将螺旋线的参数方程

代入曲线的弧长元计算公式

可以得到螺旋线的弧长元

进一步地

线密度乘以弧长元

可以得曲线微元的质量

称之为质量元

对质量元作积分

可以得到曲线质量的计算公式

这是一个关于参数的定积分

计算积分

可以得到曲线的质量

同学 这个方法具有一般性吗

本讲

我们利用类似于定积分

和平面曲线弧长的计算思想

分割 近似 求和 以及取极限这四步

得到了空间参数曲线的弧长和质量

如何从这一计算思想中

抽象出一般性的概念

即第一型曲线积分

有关第一型曲线积分

请听下回分解

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

空间曲线的弧长与质量笔记与讨论

也许你还感兴趣的课程:

© 柠檬大学-慕课导航 课程版权归原始院校所有,
本网站仅通过互联网进行慕课课程索引,不提供在线课程学习和视频,请同学们点击报名到课程提供网站进行学习。