数学与应用数学学年论文-曲线积分、曲面积分及其应用Word格式.doc
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1.3第一型曲线积分的定义………………………………………………3
1.4第一型曲线积分的计算………………………………………………3
2关于第二型曲线积分、曲面积分的一些定理及其计算………4
2.1第二型曲线积分的定义………………………………………………4
2.2第二型曲线积分的计算………………………………………………4
2.3第二型曲线积分的定义………………………………………………5
2.4第二型曲线积分的计算…………………………………………………5
3三大公式……………………………………………………………………………6
3.1格林公式…………………………………………………………………………6
3.2高斯公式………………………………………………………7
3.3斯托克斯公式…………………………………………………7
3.4场论初步……………………………………………………………..8
结语………………………………………………………………10
参考文献…………………………………………………………10
曲线、曲面积分相关定理及其应用
学生姓名:
吴倩学号:
数学与信息科学学院专业:
数学与应用数学
指导教师:
黄明湛职称:
讲师
摘要:
本文主要讨论了曲线积分、曲面积分的相关定理,并举例说明其应用
关键词:
曲线积分;
曲面积分;
高斯公式;
格林公式
CurvilinearIntegralandSurfaceIntegralTheoremandItsApplications
Abstract:
Thispapermainlydiscussestherelatedtheoremsofcurvilinearintegralandsurfaceintegral,andillustratesitsapplications.
Keywords:
curvilinearintegral;
surfaceintegral;
gaussformula;
greenformula
前言
我们以前讨论的定积分研究的是定义在直线段上函数的积分,本文将研究在平面或空间曲线段上函数的积分。
设物体的密度函数是定义在上的连续函数
(1)是直线段
(2)是平面有界区域
(3)是空间有界区域
这样,我们就产生了两个问题,
(1)是小曲线段
(2)是小曲面块
做法:
做分割,近似求和,取极限
1关于第一型曲线积分、曲面积分的一些定理及其计算
1.1第一型曲线积分的定义
设为平面上可求线段长度的曲线段,为定义在上的函数。
对曲线做分割,它把分成个可求长度的小曲线段,的弧长记为,分割的细度为,在上任取一点。
若有极限
且的值与分割与点的取法无关,则称此极限为在上的第一型曲线积分,记作
若为空间可求长曲线段,为定义在上的函数,则可类似地定义在空间曲线上的第一型曲线积分,并且记作
1.2第一型曲线积分的计算
定理:
设曲线方程为,为定义在上的连续函数,则
推论:
(1):
(2):
(3):
例:
设是半圆周,试计算第一型曲线积分
解:
1.3第一型曲面积分的定义
设为空间中可求面积的曲面,为定义在上的函数。
对曲线做分割,它把分成个小曲面块,以记小曲面块的面积,分割的细度为,在上任取一点。
存在且与分割与点的取法无关,则称此极限为在上的第一型曲面积分,记作
特别地,当时,曲面积分就是曲面块的面积
1.4第一型曲面积分的计算
设有光滑曲面,为上的连续函数,则
计算,其中是球面被平面所截的顶部。
曲面的方程为,定义域为圆域:
由于,故
2关于第二型曲线积分、曲面积分的一些定理及其计算
2.1第二型曲线积分的定义
设函数与定义在平面有向可求线段长度曲线上,对的任一分割,它把分成个小曲线段,其中,。
记各小曲线段的弧长为,分割的细度为,又设的分点的坐标为,并记。
在每个小曲线段上任取一点。
存在且与分割与点的取法无关,则称此极限为函数,沿有向曲线上的第二型曲线积分,记作或
2.2第二型曲线积分的计算
设平面曲线,其中在上具有一阶连续偏导函数,且点与的坐标分别为与。
又设与为上的连续函数,则沿从到的第二性曲线积分
计算第二型曲线积分,是螺旋线:
从到上的一段
解:
2.3第二型曲面积分的定义
设为定义在双侧面上的函数,在所指定的一侧做分割,它把分成个小曲面块,分割的细度为,以分别表示在三个坐标面上的投影区域的面积,它们的符号由的方向来确定。
若的法线正向与轴正向成锐角时,在平面的投影区域的面积为正。
反之,若的法线正向与轴正向成钝角时,在平面的投影区域的面积为负。
在各个小曲面上任取一点。
存在且与曲面的分割与点在上的取法无关,则称此极限为函数在曲面上所指定的一侧上的第二型曲面积分,记作或
2.4第二型曲面积分的计算
设是定义在光滑曲面上的连续函数,以的上侧(这时的法线方向与轴正向成锐角),则有
计算,其中是球面在部分并取球面外侧。
曲面在第一第五卦限部分的方程分别为
它们在平面上的投影区域都是单位元在第一象限部分。
以题意,积分是沿的上侧和的下侧进行,所以
3三大公式
3.1格林公式
1、定理:
若函数在闭区域上连续,且有连续的一阶偏导数,则有,这里为区域的边界曲线,并取正向。
计算,其中为任一不包含远点的闭区域的边界线。
因为,在上述区域上连续且相等,于是,所以有格林公式立即可得。
在格林公式中,令,则得到一个计算区域的面积的公式:
2、曲线积分与路径无关性
设是单连通区域,若函数在内连续,且具有一阶连续偏导数,则以下四个条件等价:
(1)沿内任一按段光滑封闭曲线,有
(2)对内任一按段光滑封闭曲线,曲线积分与路径无关,只与的起点及终点有关;
(3)是内某一函数的全微分,即在内有;
(4)在内处处成立
3.2高斯公式
设空间立体由光滑封闭曲线所围成,在上连续,且有连续的一阶偏导数,则,其中取外侧。
计算,其中是边长为的正方体表面并取外侧。
应用高斯公式,所求曲面积分等于
若高斯公式中,则有
于是得到应用第二型曲面积分计算空间区域的体积公式
3.3斯托克斯公式
设光滑曲面的边界曲线是光滑曲线,若在上连续,且有连续的一阶偏导数,则
计算,其中为平面与各坐标面的交线,取逆时针方向为正方向
应用斯托克斯公式推得
设是空间单连通区域,若函数在上连续,且具有一阶连续偏导数,则以下四个条件等价:
(1)对于内任一按段光滑封闭曲线,有
(2)对于内任一按段光滑封闭曲线,曲线积分与路径无关,只与的起点及终点有关;
3.4场论初步
一、数量场(向量场)
1、定义:
若对全空间或其中某一区域中每一点,都有一个数量(或向量)与之对应,则称在上给定了一个数量场(或向量场)。
2、数量场:
温度场,密度场
向量场:
重力场,速度场,电力场,磁力场
3、向量场线:
设为向量场中一条曲线。
若上每点处的切线方向都与向量函数在该点的方向一致,即,则称曲线为向量场的向量场线。
二、梯度场
由数量函数所定义的向量函数
2、基本性质:
(1)若是数量函数,则
(2)若是数量函数,则,特别地有
(3)若,则
(4)若,则
(5)若,则
三、散度场
设为空间区域上的向量函数,对上每一点,定义数量函数,称它为向量函数在处的散度,记作
(2)若是数量函数,是向量函数,则
(3)若是一数量函数,则。
其中,
四、旋度场
设为空间区域上的向量函数,对上每一点,定义数量函数,称它为向量函数在处的旋度,记作
(3)若是数量函数,是向量函数,则
结束语
从高中起我们就接触到了简单的积分,在大学时又进一步加深了学习,通过计算曲线积分和曲面积分相关实例的证明和计算,可充分利用对称性的方法,说明了曲线积分和曲面积分的某些相关联性,从曲线曲面积分的几何意义上考虑,文中给出了曲线积分和曲面积分的公式,在计算中,充分利用这些方法可以提高运算速率。
历史表明,重要数学概念对数学发展的作用是不可估量的,曲线积分和曲面积分概念对数学发展的影响,可以说是作用非凡.曲线积分和曲面积分在很多地方有重要的应用,比如上面例题中所举的在各种求值问题中的应用.
参考文献
[1]华东师范大学数学系.数学分析(第三版)[M].北京:
高等教育出版社,2001.
[2]毛信实,董延新.数学分析(第一版)[M].北京:
北京师范大学出版社,1900.
[3]同济大学数学系.高等数学[M].北京:
高等教育出版社,1997.
[4]周性伟,刘立民.数学分析(第一版)[M].天津:
南开大学出版社,1986.
[5]何琛,史济怀,徐森林.数学分析(第一版)[M].北京:
高等教育出版社,1983.
[6]沐定夷.数学分析(第一版)[M].上海:
上海交通大学出版社,1993.
学年论文成绩评定表
评语
成绩:
指导教师(签名):
年月日
学院意见:
学院院长(签名):
年月日
11