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曲线曲面积分总结

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曲线曲面积分总结课程教案、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

我们来对曲线曲面积分做一个总结

前面

我们从一般曲线弧长和质量的计算过程

抽象出了第一型曲线积分

它可以视为平直线段上的定积分的推广

从一般曲面面积和质量的计算过程

抽象出第一型曲面积分

它可以视为平面区域上二重积分的推广

这些积分的定义方式是相似的

即都是通过分割 近似 求和

与取极限这四步完成的

进一步地

它们背后的核心思想也是一致的

第一型曲线积分的核心思想

就是对曲线微元弧长的近似

也就是曲线弧长元的表达

对于平面显式曲线

利用显式函数和自变量的微分

可以表示出显式曲线的弧长元

它是显式曲线上任意一点处

微分三角形的斜边长度

对于参数曲线

利用参数方程和参数的微分

可以表示出参数曲线的弧长元

它也是参数曲线上任意一点处

微分三角形的斜边长度

而对于极坐标系下的显式曲线

利用极坐标系下的

显式函数和自变量的微分

可以表示出曲线的弧长元

因为极坐标系下的半径方向

和角度变化方向是相互垂直的

因此

曲线的弧长元

也是通过勾股定理计算得到的

综上所述

曲线的弧长元

就是在曲线任意一点处

利用切线上的长度

近似曲线上长度

也就是“以直代曲”思想的具体体现

第一型曲面积分的核心思想

就是对曲面微元面积的近似

也就是曲面面积元的表达

对于显式曲面

利用显式函数和自变量的微分

可以表示出显式曲面的面积元

它是显式曲面上任意一点处

切平面平面片的面积

对于参数曲面

利用参数方程对参数的微分

可以计算出参数曲面的面积元

它也是参数曲面上任意一点处

切平面平面片上的面积

综上所述

曲面的面积元

就是在曲面任意一点处

利用切平面上平面片的面积

近似曲面片的面积

还是“以直代曲”思想的具体体现

与定积分 重积分一样

曲线曲面积分也是通过

有限和加极限来定义的

因此

曲线曲面积分具有与定积分 重积分

类似的性质

例如 线性性

简单地说

就是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

对积分区域的可加性

综合起来

就是对分段曲线或者分片曲面上的积分

可以逐段或者逐片计算

保序性和保号性

可以给出积分值得估计

对于曲线积分

利用曲线的方程

计算曲线的弧长元

代入积分表达式

将第一型曲线积分约化为一个定积分进行计算

特别地 对于平面显式曲线

第一型曲线积分就可以约化为

关于自变量x的定积分

对于空间参数曲线

第一型曲线积分可以约化为

关于参数的定积分

对于曲面积分

依据曲面的不同表现形式

例如

显式曲面 参数曲面

以及隐式曲面

计算曲面的面积元

进而将第一型曲面积分

约化为二重积分进行计算

特别地 对于显式曲面

第一型曲面积分

就可以约化为关于自变量x y的二重积分

对于参数曲面

第一型曲线积分可以约化为

关于两个参数的二重积分

同学

这些基本计算方法

你get了几条

自己动手总结一下吧

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

除了基本计算方法之外

与定积分 重积分计算类似

曲线曲面积分还有一些高级的计算方法

比如

充分利用曲线曲面的对称性

和被积函数的奇偶性

可以化简曲线的曲面积分的计算

具体地 如果平面曲线关于y轴对称

那么关于x为奇函数的积分就为零

而x为偶函数的积分

就是右半平面曲线积分上的两倍

特别地 如果曲线还关于x轴对称

函数关于x y都是偶的

则整条曲线上的积分

等于第一象限内积分的四倍

对于曲面积分

如果曲面具有平面对称性

奇函数的积分为零

偶函数的积分等于第一卦限的八倍

这个性质称为“奇零偶倍”

曲线曲面积分具有广泛的应用

典型的应用包括几何和物理两个方面

几何上的应用主要包括

曲线的弧长与曲面的面积

物理上的应用主要包括

曲线曲面的质量和质心 转动惯量等等

在学习这些应用时

更重要的是理解它们的思想和方法

以后再面对全新的问题时

主动运用数学建模的思想

将一些物理 工程

和经济等领域的具体问题

约化为数学问题

再运用已经学习的数学知识

进行适当的数学求解

得到数学解

最后再将数学解代回具体问题

解释和理解具体过程

作为定积分和重积分的推广

第一型曲线曲面积分

能不能进一步的推广

例如 第一型曲线积分推广为

第二型曲线积分

第一型曲面积分

推广为第二型曲面积分

如何推广

注意到定积分 重积分

以及第一型曲线曲面积分

它们的被积函数都是数量函数

那么如何定义向量值函数的积分

向量值函数就是描述

物理上的场

例如

引力场 速度场

以及电磁场等

如何定义和计算

向量场沿曲线的环量

以及沿曲面的通量

这就需要引入第二型曲线曲面积分

有关第二型曲线曲面积分的

定义 性质 计算以及应用

将在大学的多元微积分中

作进一步的研究

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

曲线曲面积分总结笔记与讨论

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