第12章 曲线积分和曲面积分

Tip

本章我们将综合运用之前所学的多元函数微分和积分工具来解决来源于物理中的核心问题, 如做功和通量等物理量的数学定义和计算, 并揭示曲线和曲面积分之间的重要而深刻的联系.

12.1 场的概念与例子

Important

(Field) 是物理中的重要概念, 简单说如果空间 (如 R2R3) 中的每个点都赋予一个量 (可以是标量, 向量等), 那么我们就得到了一个场. 根据赋予的量分类, 我们有

  • 标量场(scalar field): 空间每个点对应一个标量.

  • 向量场(vector field): 空间每个点对应一个向量.

Note

判断下列场是标量场还是向量场

  • 引力场:向量场

  • 密度场:标量场

  • 温度场:标量场

  • 电磁场:向量场

  • 流场:向量场

Important

标量场可以用一个多元函数 f(x),xRn 表示. 如

  • 二维标量场: f(x,y);

  • 三维标量场: f(x,y,z).

向量场可以用一个多元向量值函数 F(x),xRn 表示, 我们经常也把 F 写成如下的分量形式.

  • 二维向量场: F(x,y)=P(x,y)i^+Q(x,y)j^;

  • 三维向量场: F(x,y,z)=P(x,y,z)i^+Q(x,y,z)j^+R(x,y,z)k^. 其中 P,Q,R 为普通的多元函数, 表示向量在 x,y,z-轴上的分量.

Note

几个二维向量场的例子

例1

F(x,y)=2i^+3j^

向量

例2

F(x,y)=xi^ [补充图]

例3

F(x,y)=xi^+yj^

向量

例4

F(x,y)=yi^+xj^ [补充图]

 

 

Warning

三维向量场通常是 R3 空间中每一点都有一个三维向量, 图像从略.

12.2 曲线积分

12.2.1 第一类曲线积分:标量场中的曲线积分

Tip

Lf(x,y)dx

L为平面曲线,f(x,y)是定义在L上的标量场,则积分可表示为极限形式:

Lf(x,y)dx=limNi=1Nf(xi,yi)dsi

若曲线 L的参数方程为x=x(t), y=y(t),且x(t),y(t)[t0,t1]上具有一阶连续导数,x2(t)+y2(t)0,则弧长

ds=[x(t)]2+[y(t)]2dt

此时曲线积分可转换为对参数 t 的定积分:

Lf(x,y)ds=t0t1f(x(t),y(t))[x(t)]2+[y(t)]2dt

例1 计算曲线积分

Lyds

其中 L 是抛物线 y=x2 上点 O(0,0) 与点 B(1,1) 之间的一段弧(如图所示) 由于 L 由方程:
y=x2(0x1)
给出,因此

Lyds=01x21+(dydx)2dx=01x1+4x2dx=[112(1+4x2)3/2]01=112(551)

例2 计算曲线积分 Γ(x2+y2+z2)ds,其中 Γ 为螺旋线:x=acosty=asintz=kt 上相应于 t02π 的一段弧。

Γ(x2+y2+z2)ds=02π[(acost)2+(asint)2+(kt)2](a2sint)2+(acost)2+k2dt=02π(a2+k2t2)a2+k2dt=a2+k2[a2t+k23t3]02π=23πa2+k2(3a2+4π2k2)

12.2.2 第二类曲线积分:二维向量场中的曲线积分

Tip
设向量场为

F(x,y)=P(x,y)i^+Q(x,y)j^,

力对质点沿曲线 L 所做的功 W 定义为:

W=LFdr=limNi=1NFiΔri,

将点积展开并分离坐标分量:

W=LFdr=i=1FiΔri

其中,dr=(dx,dy)T,Δr=(Δx,Δy)T,从而

W=i(PΔxi+QΔyi)=LP(x,y)dx+Q(x,y)dy.

若曲线 L 由参数方程 x=x(t), y=y(t) 描述,且x(t),y(t)[t1,t2]上具有一阶连续导数,x2(t)+y2(t)0 ,则

Δri=[x(t)i^+y(t)j^]dt.

W=t1t2[P(x,y)x(t)+Q(x,y)y(t)]dt=t1t2[P(x(t),y(t))x(t)+Q(x(t),y(t))y(t)]dt.

例1 计算W=LFdr 其中,F=yi^+xj^,x=t,y=t2

W=LFdr=Lydx+xdy=01ydt+x2tdt=01(t2+2t2)dt=13

Note: (1)与曲线的参数化无关,积分只依赖于曲线L 若改为

{x=sinθy=sin2θ,0θπ2

积分结果不变 (2)依赖曲线L的方向

例2 计算 Lxydx,其中 L 为抛物线 y2=x 上从点 A(1,1) 到点 B(1,1) 的一段弧 解法一
将所给积分转化为对x的定积分来计算:

Lxydx=AOxydx+OBxydx=10x(x)dx+01xxdx=201x32dx=45

解法二
将所给积分化为对 y 的定积分来计算

Lxydx=11y2y(y2)dy=211y4dy=2[y55]11=45

例3 设一个质点在点 M(x,y) 处受到力 F 的作用,F 的大小与点 M 到原点 O 的距离成正比,F 的方向恒指向原点。此质点由点 A(a,0) 沿椭圆 x2a2+y2b2=1 按逆时针方向移动到点 B(0,b),求力 F 所作的功 W 由题意,力的表达式为:

F=k(xi+yj),

其中 k>0 为比例常数。功的表达式为:

W=ABFdr=kAB(xdx+ydy).

利用椭圆的参数方程:

{x=acosθ,y=bsinθ,θ[0,π2],

计算微分:

dx=asinθdθ,dy=bcosθdθ.

代入积分式:

W=k0π2[acosθ(asinθ)+bsinθ(bcosθ)]dθ=k(a2b2)0π2sinθcosθdθ=12k(a2b2)0π2sin2θdθ=12k(a2b2)[cos2θ2]0π2=k2(a2b2).

12.2.2.1 封闭曲线上的第二类曲线积分

Tip

F(x,y)=yi^+xj^
CFdr=C1Fdr+C2Fdr+C3Fdr

其中,C1Fdr=0 对于C2,其参数方程为

{x=acosθy=asinθ,0θπ4

从而

{dx=asinθdθdy=acosθdθ

C2Fdr=0π4(yasinθ+xacosθ)dθ=0π4(a2sin2θ+a2cos2θ)dθ=a20π41+cos2θ1+cos2θ2dθ=a220π4cos2θdθ=a22[sin2θ]0π4=a22

对于C3,其参数方程为

{x=22a22ty=22a22t,0ta

从而

{dx=22dtdy=22dt

C3ydx+xdy=22C3(22a22t)dt+(22a22t)dt=0a(ta)dt=[12t2at]0a=a22

综上,I=0+a22a22=0

12.2.2.2 两类曲线积分之间的关系

Tip

W=LFdr=LFτds

例1 (1)保守场:已知F=xi^+yj^,求W=LFdr,曲线L如下图所示:

W=LFdr=0

(2)非保守场:已知F=yi^+xj^,求W=LFτds,曲线L如下图所示: 解法一

W=LFτds=L|F|ds=R2πR=2πR2

解法二 曲线的参数方程为

{x=Rcosθy=Rsinθ

{dx=Rsinθdθdy=Rcosθdθ
W=02π(yRsinθ+xRcosθ)dθ=02π(R2sin2θ+R2cos2θ)dθ=02πR2dθ=2πR2

例2 计算 Ly2dx,其中 L 为图中所示:
(1) 半径为 a、圆心为原点、按逆时针方向绕行的上半圆周 (2) 从点 A(a,0) 沿 x 轴到点 B(a,0) 的直线段。 (1)参数方程为:

{x=acosθ,y=asinθ,0θπ
Ly2dx=Ly2dx+0dy=0πa2sin2θasinθdθ=a30π(1cos2θ)dcosθ=a3[[cosθ]0π13[cos3θ]0π]=2a3+23a3=43a3.

(2)直线段方程为:

{x=xy=0,axa
Ly2dx=L0dx=0.

Note:路径相关

例3 计算 L2xydx+x2dy,其中 L 为:
(1) 抛物线 y=x2 上从 O(0,0)B(1,1) 的一段弧。
(2) 抛物线 x=y2 上从 O(0,0)B(1,1) 的一段弧。
(3) 有向折线 OABO(0,0), 这里O,A,B依次是点(0,0),(1,0),(1,1) (1)这段弧可以表示为:

{x=xy=x,0x1

从而

{dx=dxdy=121xdx
L2xydx+x2dy=01(2xx+x2121x)dx=01(2x32+12x32)dx=[x52]01=1.

(2)

L2xydx+x2dy=1

(3)
线段L1:OA y=0x[0,1]dy=0

L12xydx+x2dy=010dx=0.

线段L2:AB
x=1y[0,1]dx=0

L22xydx+x2dy=0112dy=[y]01=1.

最终结果:

OAB2xydx+x2dy=L12xydx+x2dy+L22xydx+x2dy=1.

Note:路径无关

12.2.2.3 特殊情况:梯度场

Tip
f(x,y),s.t.

fx=P(x,y)fy=Q(x,y)

df=Pdx+Qdy

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=Ldf=f(x(t2),y(t2))f(x(t1),y(t1))=f()f()

在物理上,

W=f()f()

F=(P,Q)=f=(fx,fy) Ff的梯度场 Note:并不是所有F都是某函数的梯度场

  • Fundamental Thm of Line Integral:

LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=f(x(t2),y(t2))f(x(t1),y(t1))

类似于牛顿-莱布尼茨公式

Tip
假如F是某函数f的梯度场,会有什么结论?以单连通区域为前提

  • 积分与路径无关

  • F是保守场,LFdr=0(对所有封闭曲线L 证明: C1Fdr+C2Fdr=C1FdrC2Fdr=0

Tip
判定向量场 F=(P(x,y),Q(x,y)) 是否为梯度场 若存在函数 f(x,y),使得 F 可以表示为该函数的梯度,即:

f=fxdx+fydy,

F 是梯度场。此时,F 的分量满足:

P=fx,Q=fy.

由于函数 f(x,y) 的二阶混合偏导数必须满足:

2fxy=2fyx.

F的分量代入,可得:

y(fx)=x(fy)Py=Qx.

因此,判定F是梯度场的条件为:

Py=Qx,

例1 判断<y2,0>是否为梯度场

Py=2yQx=0

因此,<y2,0>不是梯度场

例2 判断<2xy,x2>是否为梯度场

Py=2x=Qx=2x

因此,<2xy,x2>是梯度场

例3 判断<y,x>是否为梯度场

Py=1=Qx=1

因此,<y,x>是梯度场

[!TIP]有问题 如何计算f 已知F=(y,x),f(0,0)=c

f(x,y)=C1Pdx+Qdy+C2Pdx+Qdy+f(0,0)=0x0dx+0yxdy+c=xy+c

F(x,y)=[(x2+axy+3),(3y22x2)]
Py=ax=Qx=4x

从而a=4

F(x,y)=[(x24xy+3),(3y22x2)]

Tip
curl 定义:

curlF=QxPy=QxPy
  • curlF=0 描述旋转 (1)F=ai^+bj^,curlF=0

(2)F=xi^+yj^ 此时

xy=0,yx=0

因此,

curlF=yxxy=0

(3)F=yi^+xj^ 此时

curlF=xx(y)y=1+1=2

Tip
(以下文字由AI生成) 我们喜欢梯度场,因为它具有简洁的数学结构与明确的物理意义,其路径积分结果仅取决于起点和终点,这一特性在解决保守场相关问题时带来了极大便利。然而需要注意的是,curlF是关键概念且它并非梯度场——梯度场的旋度恒为零,而curlF的非零性恰恰刻画了向量场F的"旋转"特性。对于一般的向量场F,若想研究其曲线积分,抓住curlF这一核心量是重要突破口:根据斯托克斯定理,向量场沿有向闭曲线的曲线积分等于其旋度通过以该曲线为边界的有向曲面的曲面积分,这一联系使得我们能够通过分析curlF的分布与性质,更高效地求解复杂曲线积分问题,揭示向量场在空间中的动态特征。

Tip
格林公式(Green's theorem)

CFdr=RcurlFdA
CPdx+Qdy=R(QxPy)dA

其中

  • C:闭曲线,逆时针

  • F:连续可微向量场 Note:闭曲线,逆时针,F连续

12.2.2.4 格林公式

Tip
定理:设闭区域D由分段光滑的曲线L围成,若函数P(x,y)Q(x,y)D上具有一阶连续偏导数,则有: CPdx+Qdy=R(QxPy)dxdy 其中LD的取正向的边界曲线. 上述公式称为格林公式. 证明 (1)special case:Q=0

CPdx=RPydA

同理,若P=0,则有

CQdy=RQxdA

(2)简化区域 如图可得:

C1Pdx=R1PydAC2Pdx=R2PydA

由于

CPdx=C1Pdx+C2PdxRPydA=R1PydA+R2PydA

因此,

CPdx=RPydA

(3)主要部分 要证:

CPdx=RPydA

其中: C:simple R:vert simple 由图可得:

CPdx=C1Pdx+C2Pdx+C3Pdx+C4Pdx

其中,

C1Pdx=0,C3Pdx=0C2Pdx=abP(x,f1(x))dxC4Pdx=baP(x,f2(x))dx=abP(x,f2(x))dx

因此,

CPdx=ab[P(x,f2(x))P(x,f1(x))]dx

又因为,

RPydxdy=ab[f1(x)f2(x)Pydy]dx=ab[P(x,f2(x))P(x,f1(x))]dx

得证.

例1

F=yi^+xj^

curlF=1+1=2

因此,

DcurlFdA=D2dA=2Area=Cydx+xdy

例2 计算

Lx2ydxxy2dy

其中 L为正向圆周 x2+y2=a2. P=x2yQ=xy2,则

QxPy==y2x2

由格林公式得:

Lx2ydxxy2dy=D(x2+y2)dxdy=02πdθ0aρ3dρ=π2a4

例3 计算

Lxdyydxx2+y2

其中 L 为一条无重点、分段光滑且不经过原点的连续闭曲线,L 方向为逆时针 P=yx2+y2,Q=xx2+y2,当 x2+y20 时,有

Qx=y2x2(x2+y2)2,Py=y2x2(x2+y2)2

L所围成的闭区域为D. (1)(0,0)D 由格林公式,

Lxdyydxx2+y2=0

(2)(0,0)D 选取半径 r>0的圆周 l:x2+y2=r2(位于 D 内),记 Ll 所围区域为 D1.对 复连通区域D1 应用格林公式,方向均为逆时针:

Lxdyydxx2+y2lxdyydxx2+y2=0

于是

Lxdyydxx2+y2=lxdyydxx2+y2=02πr2(cos2θ+sin2θ)r2dθ=2π

例4

Cxdy=R1dA=Area

12.3 曲面积分

12.3.1 通量与曲面积分

Tip

CFnds=limΔs0iF(xi,yi)niΔsi=limΔs0i[QiΔxi+PiΔyi]
Flux=CQ(x,y)dx+P(x,y)dy

又因为F=(P,Q)T,F=(Q,P)(P,Q)垂直 从而,

Flux=CFdr

格林公式的flux表示

Flux=CQ(x,y)dx+P(x,y)dy

应用格林公式,可得

CQ(x,y)dx+P(x,y)dy=D(Px+Qy)dxdy

由散度定义:

divF=(x,y)(P,Q)=F

最终得到通量形式:

Flux=DFdA

例1

F=xi^+yj^

由于

divF=F=Px+Qy=1+1=2

因此,

CFnds=DdivFdA=2DdA=2Area

例2 不可压流体 divF=0,F是速度场,u=0 Navier-Stokes方程(不可压形式):

ut+uu=1ρp+ν2u+g

其中, v=μρ:粘度 P:压强 g:外力(重力)

3D情形:linesurface 物理学家视角

Flux=SFnds=limΔs0iF(xi,yi,zi)niΔsi

dsdA=dxdy 其中,F(xi,yi,zi)ni是高,Δsi是底面积

数学家视角: 先看一个简单的例子:

F=xi^+yj^+zk^n=1a(x,y,z)T

可得

Fn=|F|=a

因此,

SFndS=aSdS=4πa3

(特殊情形) 再来看一般情形:

F=P(x,y,z)i^+Q(x,y,z)j^+R(x,y,z)k^
SFndS=SR(x,y,z)dxdy+Q(x,y,z)dydz+P(x,y,z)dzdx

其中,

SR(x,y,z)dxdy=DxyR(x,y,z(x,y))dxdySQ(x,y,z)dydz=DxzQ(x,y(x,z),z)dxdzSP(x,y,z)dzdx=DyzP(x(y,z),y,z)dydz
SFndS=S(F1+F2+F3)ndS=SF1ndS+SF2ndS+SF3ndS

F1=(0,0,R(x,y,z))T为例,v1=(Δx,0,zxΔx),v2=(0,Δy,zyΔy)

ndS=v1×v2=|i^j^k^Δx0zxΔx0ΔyzyΔy|=(zx,zy,1)ΔxΔy

从而

S(F1)ndS=SR(x,y,z)dxdy=DxyR(x,y,z)dxdy

F2=(0,Q(x,y,z),0)T同理 要求:S的性质比较好,能同时被(x,y),(y,z),(x,z)参数化

12.3.2 高斯公式

Tip

Flux=ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=D(Px+Qy+Rz)dV=ΣFndS=DdivFdV=DFdV

例1

F=xi^+yj^+zk^

divF=1+1+1=3ΣFndS=D3dV=343πa3=4πa3

例2 利用高斯公式计算曲面积分

Σ(xy)dxdy+(yz)xdydz

其中 Σ 为柱面 x2+y2=1 及平面 z=0,z=3 所围成的空间闭区域 Ω 的整个边界曲面的外侧 因为

P=(yz)x,Q=0,R=xy,
Px=yz,Qy=0,Rz=0,

利用高斯公式把所给曲面积分化为三重积分,再利用柱面坐标计算三重积分,得

Σ(xy)dxdy+(yz)xdydz=Ω(yz)dxdydz=Ω(ρsinθz)ρdρdθdz=02πdθ01ρdρ03(ρsinθz)dz=9π2

例3 利用高斯公式计算曲面积分

Σ(x2cosα+y2cosβ+z2cosγ)dS,

其中 Σ 为锥面 x2+y2=z 介于平面 z=0,z=h (h>0) 之间的部分的下侧曲面,cosα,cosβ,cosγΣ 在点(x,y,z)处的法向量的方向余弦。 因曲面 Σ 不是封闭曲面,故不能直接应用高斯公式。若设 Σ1z=h(x2+y2h2) 的上侧,则与 Σ 一起构成一个封闭曲面,记它们围成的空间闭区域为 Ω,利用高斯公式,得

Σ+Σ1(x2cosα+y2cosβ+z2cosγ)dS=2Ω(x+y+z)dv=2Dxydxdyx2+y2h(x+y+z)dz

其中 Dxy={(x,y)x2+y2h2}。注意到

Dxydxdy0h2x2y2(x+y)dz=0,

Σ+Σ1(x2cosα+y2cosβ+z2cosγ)dS=Dxy(h2x2y2)dxdy=12πh4.

Σ1(x2cosα+y2cosβ+z2cosγ)dS=Σ1z2dS=Dxyh2dxdy=πh4.

因此,

Σ(x2cosα+y2cosβ+z2cosγ)dS=12πh4πh4=12πh4.

例4 设函数 u(x,y,z)v(x,y,z) 在闭区域 Ω 上具有一阶及二阶连续偏导数,证明

ΩuΔvdxdydz=ΣuvndSΩ(uxvx+uyvy+uzvz)dxdydz,

其中 Σ 是闭区域 Ω 的整个边界曲面,vn 为函数 v(x,y,z) 沿 Σ 的外法线方向的方向导数,符号 Δ=2x2+2y2+2z2 称为拉普拉斯 (Laplace) 算子。这个公式叫做格林第二公式。 证明 因为方向导数

vn=vxcosα+vycosβ+vzcosγ,

其中 cosα,cosβcosγΣ 在点 (x,y,z) 处的外法线向量的方向余弦。于是曲面积分

ΣuvndS=Σu(vxcosα+vycosβ+vzcosγ)dS=Σ[(uvx)cosα+(uvy)cosβ+(uvz)cosγ]dS

利用高斯公式,即得

ΣuvndS=Ω[x(uvx)+y(uvy)+z(uvz)]dxdydz=ΩuΔvdxdydz+Ω(uxvx+uyvy+uzvz)dxdydz.

将上式右端第二个积分移至左端便得所要证明的等式.

12.3.3 Stokes 公式

Tip

  • 三维空间中的曲线积分

F=P(x,y,z)i^+Q(x,y,z)j^+R(x,y,z)k^Δr=Δxi^+Δyj^+Δzk^

从而

FΔr=PΔx+QΔy+RΔzCFdr=CPdx+Qdy+Rdz

例1 计算

CFdr

其中,

F=(yz,xz,xy)C:x=t3,y=t2,z=t,0t1

由题可知

dx=3t2dt,dy=2tdt,dz=dt

从而

CFdr=Cyzdx+xzdy+xydz=01(t33t3+t42t+t5)dt=016t5dt=t6|01=1

例2(路径无关) 计算

CFdr

CFdr=C1Fdr+C2Fdr+C3Fdr

其中,

C1Fdr=0,C2Fdr=0,C3Fdr=011dz=1
  • 曲线积分基本定理 如果f(x,y,z)满足

df=Pdx+Qdy+Rdz=fxdx+fydy+fzdz

CPdx+Qdy+Rdz=Cdf=f(B)f(A)

保守场的条件为:

f(x,y,z)2fxy=2fyxxQ=yPQx=Py2fyz=2fzyyR=zQRy=Qz2fxz=2fzxxR=zPRx=Pz()

f(x,y,z)的梯度是F=f

  • 定义(3D):curlF=(RyQz)i^+(PzRx)j^+(QxPy)k^

×F=|i^j^k^xyzPQR|=(RyQz)i^+(PzRx)j^+(QxPy)k^

以下条件等价

  • curlF=0

  • 梯度场

  • 条件(*)

  • 路径无关

  • 环路为零

例1

P=yz,Q=xz,R=xy

Qx=z,Py=zRy=x,Qz=xRx=y,Pz=y

curlF=0

curlF的意义

F=(y,x,0)
curlF=×F=|i^j^k^xyzyx0|=0i^+0j^+2k^

12.4 总结与联系

Tip
:(del,nabla)=(x,y,z)T

 3D2D
gradf=(fx,fy,fz)Tf=(fx,fy,)T
divF=Px+Qy+RzF=Px+Qy
curl×F=i^j^k^xyzPQR×F=xyPQ
Df(x,y,z)dvSFndSCFdr
体积fluxwork
多重积分SPdxdy+Qdydz+RdydxCPdx+Qdy+Rdz
  • 3D:Gauss公式

DdivFdv=SF cdotndS
  • 3D:Green公式

DcurlFdA=CFdr
  • 3D:Stokes公式

work=CPdx+Qdy+Rdz=CFdr=S(curlF)ndS=S×FndS

例1 利用斯托克斯公式计算曲线积分 Γzdx+xdy+ydz,其中 Γ 为平面 x+y+z=1 被三个坐标面所截成的三角形的整个边界,其正向与平面三角形 Σ 上侧的法向量符合右手规则. 根据斯托克斯公式,有

Γzdx+xdy+ydz=Σdydz+dzdx+dxdy.

分别计算各投影积分:

Σdydz=Dyzdσ=12,
Σdzdx=Dzxdσ=12
Σdxdy=Dxydσ=12,

其中 DyzDzxDxy 分别为 ΣyOzzOxxOy 坐标面上的投影区域。
因此,曲线积分的值为:

Γzdx+xdy+ydz=32.

例2 利用斯托克斯公式计算曲线积分

I=Γ(y2z2)dx+(z2x2)dy+(x2y2)dz,

其中 Γ 是平面 x+y+z=32 截立方体 {(x,y,z)0x,y,z1} 表面所得的截痕,方向为从 Ox 轴正向看去的逆时针方向。 选取曲面 Σ 为平面 x+y+z=32 的上侧被 Γ 围成的部分,其单位法向量为

n=13(1,1,1),

cosα=cosβ=cosγ=13.根据斯托克斯公式,有

I=Σ|131313xyzy2z2z2x2x2y2|dS=43Σ(x+y+z)dS

Σ 上,x+y+z=32,因此:

I=4332ΣdS=23Dxy3dxdy=6σxy.

将曲面 Σ 投影到 xOy 平面,投影区域 Dxy 的面积为:

σxy=12×18=34,

I=92.