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 > 第一型曲线积分的定义与性质
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
我们学习第一型曲线积分的定义和性质
前面 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
得到空间参数曲线的弧长和质量
将上述思想和方法一般化
由此可以抽象出
一般函数在曲线上的积分
即第一型曲线积分
那么如何定义第一型曲线积分
这就是本节的中心任务
对于一条给定的空间曲线C
设它包含在函数f定义域内
如何定义函数f在曲线C上的积分
我们还是采用分割 近似 求和
以及取极限这四步来定义
不过这里 我们直接分割空间曲线
在曲线C上依次选取若干个点
在每一小段小曲线上
选取一个样点
以及函数f在样点处的取值
乘以小曲线段起点和终点间
直线段的长度
近似函数在小曲线段上的作用效果
将函数在小曲线段上的作用效果求和
可以得到函数在曲线C上的
总的作用效果的一个近似值
称为积分和或者黎曼和
为了得到精确值
必须取极限
为了完成最后一步 取极限
需要定量刻画分割粗细程度
以曲线上相邻两个分点间
直线距离的最大值λ
来定量刻画分割的粗细程度
取极限
当λ趋于零正时
如果积分和的极限存在
并且极限值与分割方式
和样点的选取无关
则称函数f在曲线C上可积
函数f在曲线C上的第一型曲线积分
就等于积分和的极限
在第一型曲线积分的表达式中
f为被积函数 C是积分曲线 ds为弧长元
同学 你发现没有
第一型曲线积分的上述定义
并没有出现坐标系的信息
也没有出现曲线是显式曲线 参数曲线
或者隐式曲线等具体信息
因此 这个定义称为内蕴式的定义
从第一型曲线积分的上述定义
可以发现
第一型曲线积分也是通过有限和
加极限来定义的
因此
它具有与定积分 重积分等类似的性质
例如 线性性
如果已知两个函数在同一条曲线上可积
那么
它们的线性组合也在这条曲线上可积吗
如果可积 积分等于多少
从有限和与极限的线性性
可以推导出第一型曲线积分的线性性
即可积函数的线性组合
仍然可积
并且线性组合的积分
等于积分的线性组合
第一型曲线积分
对其积分曲线具有可加性
即空间曲线C
是由两段小的曲线C1 C2 并起来的
并且C1 和C2的交集为一个点
那么
如果函数f在小的曲线C1 C2上都可积
则这个函数在大的曲线C上也是可积的
并且在曲线C上的第一型曲线积分值
就等于在C1 C2上的积分值之和
第一型曲线积分也具有保序性
如果对于空间曲线C上的所有的点
函数f的取值总是小于等于函数g的取值
并且函数f和g在曲线C上都是可积的
那么
取值较小的函数在曲线C上的积分值
一定小于等于取值较大的函数
在曲线C上的积分值
这个性质称为第一型曲线积分的保序性
即第一型曲线积分保持了
函数取值的大小顺序不变
特别地
如果函数f在曲线C上的取值总是非负的
并且函数f在曲线C上可积
那么 f在曲线C上的积分值也是非负的
这个性质称为第一型曲线积分的保号性
即第一型曲线积分
保持了函数取值的符号不变
在应用第一型曲线积分的性质时
首先必须对第一型曲线积分的存在性
作一个判定
类似于定积分
除了有限个点外
处处连续的函数一定可积
那么 第一型曲线积分
这个判定应该怎么提
第一型曲线积分的存在性
与两个因素有关
一是积分曲线的性态
二是被积函数的性态
如果积分曲线是光滑的
也就是具有连续变化的切线
被积函数是连续的
则第一型曲线积分一定存在
更进一步地
因为第一型曲线积分
对积分曲线具有可加性
可以对积分曲线的性态放宽要求
比如 只需要积分曲线是分段光滑的
也就是
积分曲线是由有限条光滑曲线拼接而成的
再加上函数的连续性
就可以保证第一型曲线积分存在了
尽管此时
在连接点处曲线可能没有切线
这样的曲线称之为分段光滑曲线
前面 我们讨论了
第一型曲线积分的定义和性质
下面 我们通过一个具体实例
展示一下
如何计算第一型曲线积分
设空间曲线L是由球面被平面截成的截口
试求函数f=x²
在曲线L上的第一型曲线积分
我们来分析一下
首先是对第一型曲线积分存在性作一个判定
因为平面过球心
因此 平面截球面
所得的截口是一个圆周
圆周具有连续变化的切线
因而 它是光滑的曲线
另一方面 函数f是处处连续的
所以函数f在曲线L上的第一型曲线积分存在
那么 如何计算这个第一型曲线积分
曲线L的方程
是由球面方程和平面方程联立得到的
称之为一般方程
为了计算一般方程给出的曲线上的积分
我们可以写出曲线的参数方程
并计算参数曲线的弧长元
最后将参数曲线的第一型曲线积分
约化为关于参数的定积分
进行计算
同学 自己动手计算一下
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
因为平面x-y=0
过球的球心
所以 截口L为半径为a的圆心为o的圆周
如何写出这个圆周的参数方程
将平面方程代入球面方程
消去y 得到2x²+z²=a²
这个消元法
以及它所得到的方程
具有什么样的几何意义
方程2x²+z²=a²表达的
是一个垂直于坐标平面xoz的柱面
因此 上述消去变量y的过程
就是将曲线L在xoz平面上作投影的过程
柱面方程与方程y=0联立
就得到曲线L在xoz平面上的
投影曲线L1的方程
投影曲线L1是坐标平面xoz上的一个椭圆
进而 可以写出投影曲线L1的参数方程
由投影曲线L1的参数方程
可以写出空间曲线L的参数方程
进而 可以计算出参数曲线L的弧长元
进一步地
函数f在曲线L上的第一型曲线积分
就约化为关于参数的定积分
计算可以得到函数f
在曲线L上的第一型曲线积分
本讲
我们从空间曲线的弧长和质量的定义
和计算公式
抽象出一般函数在曲线上的
第一型曲线积分
它也是通过分割 近似 求和
以及取极限这四步来定义的
第一型曲线积分也具有一些良好的性质
例如 线性性
对区域的可加性
以及保序性等
第一型曲线积分的存在性
是与积分曲线和被积函数的性质有关的
简单地说
如果积分曲线分段光滑
被积函数在积分曲线上连续
则第一型曲线积分存在
第一型曲线积分的性质
可以帮助简化积分的计算
那么 如何灵活运用
第一型曲线积分的性质
快速有效地计算第一型曲线积分
有关第一型曲线积分的计算
请听下回分解
-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
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-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
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-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
-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
-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
-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
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-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
--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
-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
--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
-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
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-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