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第一型曲线积分的定义与性质

下一节:第一型曲线积分的计算

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第一型曲线积分的定义与性质课程教案、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

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

第一型曲线积分的定义与性质笔记与讨论

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