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
场 (Field) 是物理中的重要概念, 简单说如果空间 (如 R 2 或 R 3 ) 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
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 ) , x ∈ R n 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 ) , x ∈ R n 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 ) = 2 i ^ + 3 j ^
例2
F ( x , y ) = x i ^
[补充图]
例3
F ( x , y ) = x i ^ + y j ^
例4
F ( x , y ) = y i ^ + x j ^
[补充图]
Warning
三维向量场 通常是 R 3 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图
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:
∫ L f ( x , y ) d x = lim N → ∞ ∑ i = 1 N f ( x i , y i ) d s i 若曲线 L 的参数方程为 x = x ( t ) , y = y ( t ) ,且 x ( t ) , y ( t ) 在 [ t 0 , t 1 ] 上具有一阶连续导数, x ′ 2 ( t ) + y ′ 2 ( t ) ≠ 0 ,则弧长
此时曲线积分可转换为对参数 t 的定积分:
∫ L f ( x , y ) d s = ∫ t 0 t 1 f ( x ( t ) , y ( t ) ) ⋅ [ x ′ ( t ) ] 2 + [ y ′ ( t ) ] 2 d t 例1
计算曲线积分
其中 L 是抛物线 y = x 2 上点 O ( 0 , 0 ) 与点 B ( 1 , 1 ) 之间的一段弧(如图所示)
解
由于 L 由方程: y = x 2 ( 0 ≤ x ≤ 1 ) 给出,因此
∫ L y d s = ∫ 0 1 x 2 1 + ( d y d x ) 2 d x = ∫ 0 1 x 1 + 4 x 2 d x = [ 1 12 ( 1 + 4 x 2 ) 3 / 2 ] 0 1 = 1 12 ( 5 5 − 1 ) 例2
计算曲线积分 ∫ Γ ( x 2 + y 2 + z 2 ) d s ,其中 Γ 为螺旋线: 、 、 x = a cos t 、 y = a sin t 、 z = k t
上相应于 t 从 0 到 2 π 的一段弧。
解
∫ Γ ( x 2 + y 2 + z 2 ) d s = ∫ 0 2 π [ ( a cos t ) 2 + ( a sin t ) 2 + ( k t ) 2 ] ( − a 2 sin t ) 2 + ( a cos t ) 2 + k 2 d t = ∫ 0 2 π ( a 2 + k 2 t 2 ) a 2 + k 2 d t = a 2 + k 2 [ a 2 t + k 2 3 t 3 ] 0 2 π = 2 3 π a 2 + k 2 ( 3 a 2 + 4 π 2 k 2 ) 12.2.2 第二类曲线积分:二维向量场中的曲线积分 Tip图
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 = ∫ L F → ⋅ d r → = lim N → ∞ ∑ i = 1 N F → i ⋅ Δ r → i , 将点积展开并分离坐标分量:
其中, d r → = ( d x , d y ) T , Δ r → = ( Δ x , Δ y ) T ,从而
W = ∑ i ( P Δ x i + Q Δ y i ) = ∫ L P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y . 若曲线 L 由参数方程 x = x ( t ) , y = y ( t ) 描述,且 x ( t ) , y ( t ) 在 [ t 1 , t 2 ] 上具有一阶连续导数, x ′ 2 ( t ) + y ′ 2 ( t ) ≠ 0 ,则
Δ r → i = [ x ′ ( t ) i ^ + y ′ ( t ) j ^ ] d t . 且
W = ∫ t 1 t 2 [ P ( x , y ) x ′ ( t ) + Q ( x , y ) y ′ ( t ) ] d t = ∫ t 1 t 2 [ P ( x ( t ) , y ( t ) ) x ′ ( t ) + Q ( x ( t ) , y ( t ) ) y ′ ( t ) ] d t . 例1
计算 W = ∫ L F → ⋅ d r →
其中, F = − y i ^ + x j ^ , x = t , y = t 2
解
W = ∫ L F → ⋅ d r → = ∫ L − y d x + x d y = ∫ 0 1 − y d t + x ⋅ 2 t d t = ∫ 0 1 ( − t 2 + 2 t 2 ) d t = 1 3 Note :
(1)与曲线的参数化无关,积分只依赖于曲线 L
若改为
积分结果不变
(2)依赖曲线 L 的方向
例2
计算 ∫ L x y d x ,其中 L 为抛物线 y 2 = x 上从点 A ( 1 , − 1 ) 到点 B ( 1 , 1 ) 的一段弧
图
解法一 将所给积分转化为对 x 的定积分来计算:
∫ L x y d x = ∫ A O x y d x + ∫ O B x y d x = ∫ 1 0 x ( − x ) d x + ∫ 0 1 x x d x = 2 ∫ 0 1 x 3 2 d x = 4 5 解法二 将所给积分化为对 y 的定积分来计算
∫ L x y d x = ∫ − 1 1 y 2 y ( y 2 ) ′ d y = 2 ∫ − 1 1 y 4 d y = 2 [ y 5 5 ] − 1 1 = 4 5 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 x 2 a 2 + y 2 b 2 = 1 按逆时针方向移动到点 B ( 0 , b ) ,求力 F 所作的功 W
图
由题意,力的表达式为:
其中 k > 0 为比例常数。功的表达式为:
W = ∫ A B F → ⋅ d r = − k ∫ A B ( x d x + y d y ) . 利用椭圆的参数方程:
{ x = a cos θ , y = b sin θ , θ ∈ [ 0 , π 2 ] , 计算微分:
d x = − a sin θ d θ , d y = b cos θ d θ . 代入积分式:
W = − k ∫ 0 π 2 [ a cos θ ( − a sin θ ) + b sin θ ( b cos θ ) ] d θ = k ( a 2 − b 2 ) ∫ 0 π 2 sin θ cos θ d θ = 1 2 k ( a 2 − b 2 ) ∫ 0 π 2 sin 2 θ d θ = 1 2 k ( a 2 − b 2 ) [ − cos 2 θ 2 ] 0 π 2 = k 2 ( a 2 − b 2 ) . 12.2.2.1 封闭曲线上的第二类曲线积分 Tip图
∮ C F → ⋅ d r → = ∫ C 1 F → ⋅ d r → + ∫ C 2 F → ⋅ d r → + ∫ C 3 F → ⋅ d r → 其中, ∫ C 1 F → ⋅ d r → = 0
对于 C 2 ,其参数方程为
从而
则
∫ C 2 F → ⋅ d r → = ∫ 0 π 4 ( − y a s i n θ + x a c o s θ ) d θ = ∫ 0 π 4 ( − a 2 s i n 2 θ + a 2 c o s 2 θ ) d θ = a 2 ∫ 0 π 4 1 + c o s 2 θ − 1 + c o s 2 θ 2 d θ = a 2 2 ∫ 0 π 4 c o s 2 θ d θ = a 2 2 [ s i n 2 θ ] 0 π 4 = a 2 2 对于 C 3 ,其参数方程为
{ x = 2 2 a − 2 2 t y = 2 2 a − 2 2 t , 0 ≤ t ≤ a 从而
则
∫ C 3 y d x + x d y = − 2 2 ∫ C 3 ( 2 2 a − 2 2 t ) d t + ( 2 2 a − 2 2 t ) d t = ∫ 0 a ( t − a ) d t = [ 1 2 t 2 − a t ] 0 a = − a 2 2 综上, I = 0 + a 2 2 − a 2 2 = 0
12.2.2.2 两类曲线积分之间的关系 Tip图
例1
(1)保守场 :已知 F → = x i ^ + y j ^ ,求 W = ∫ L F → ⋅ d r → ,曲线 L 如下图所示:
图
解 :
(2)非保守场 :已知 F → = − y i ^ + x j ^ ,求 W = ∫ L F → ⋅ τ → d s ,曲线 L 如下图所示:
图
解法一 :
W = ∫ L F → ⋅ τ → d s = ∫ L | F | d s = R ⋅ 2 π R = 2 π R 2 解法二 :
曲线的参数方程为
则
W = ∫ 0 2 π ( − y ⋅ − R s i n θ + x ⋅ R c o s θ ) d θ = ∫ 0 2 π ( R 2 s i n 2 θ + R 2 c o s 2 θ ) d θ = ∫ 0 2 π R 2 d θ = 2 π R 2 例2
计算 ∫ L y 2 d x ,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。
解
(1)参数方程为:
∫ L y 2 d x = ∫ L y 2 d x + 0 d y = ∫ 0 π − a 2 sin 2 θ ⋅ a sin θ d θ = a 3 ∫ 0 π ( 1 − c o s 2 θ ) d c o s θ = a 3 [ [ c o s θ ] 0 π − 1 3 [ c o s 3 θ ] 0 π ] = − 2 a 3 + 2 3 a 3 = − 4 3 a 3 . (2)直线段方程为:
Note:路径相关
例3
计算 ∫ L 2 x y d x + x 2 d y ,其中 L 为: (1) 抛物线 y = x 2 上从 O ( 0 , 0 ) 到 B ( 1 , 1 ) 的一段弧。 (2) 抛物线 x = y 2 上从 O ( 0 , 0 ) 到 B ( 1 , 1 ) 的一段弧。 (3) 有向折线 O A B ( O ( 0 , 0 ) , 这里 O , A , B 依次是点 ( 0 , 0 ) , ( 1 , 0 ) , ( 1 , 1 )
解
(1)这段弧可以表示为:
从而
∫ L 2 x y d x + x 2 d y = ∫ 0 1 ( 2 x ⋅ x + x 2 ⋅ 1 2 1 x ) d x = ∫ 0 1 ( 2 x 3 2 + 1 2 x 3 2 ) d x = [ x 5 2 ] 0 1 = 1. (2)
(3) 线段 L 1 : O A
, , y = 0 , x ∈ [ 0 , 1 ] , d y = 0 :
线段 L 2 : A B , , x = 1 , y ∈ [ 0 , 1 ] , d x = 0 :
∫ L 2 2 x y d x + x 2 d y = ∫ 0 1 1 2 d y = [ y ] 0 1 = 1. 最终结果:
∫ O A B 2 x y d x + x 2 d y = ∫ L 1 2 x y d x + x 2 d y + ∫ L 2 2 x y d x + x 2 d y = 1. Note:路径无关
12.2.2.3 特殊情况:梯度场 Tip若 ∃ f ( x , y ) , s . t .
即
则
终 起 ∫ L P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = ∫ L d f = f ( x ( t 2 ) , y ( t 2 ) ) − f ( x ( t 1 ) , y ( t 1 ) ) = f ( 终 ) − f ( 起 ) 在物理上,
若
F → = ( P , Q ) = ∇ f = ( ∂ f ∂ x , ∂ f ∂ y )
则 F → 是 f 的梯度场
Note:并不是所有 F → 都是某函数的梯度场
∫ L P ( x , y ) d x + Q ( x , y ) d y = f ( x ( t 2 ) , y ( t 2 ) ) − f ( x ( t 1 ) , y ( t 1 ) ) 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
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:
则 F → 是梯度场。此时, F → 的分量满足:
由于函数 f ( x , y ) 的二阶混合偏导数必须满足:
将 F → 的分量代入,可得:
∂ ∂ y ( ∂ f ∂ x ) = ∂ ∂ x ( ∂ f ∂ y ) ⟹ ∂ P ∂ y = ∂ Q ∂ x . 因此, 判定 F → 是梯度场的条件 为:
例1
判断 < y 2 , 0 > 是否为梯度场
解
因此, < y 2 , 0 > 不是梯度场
例2
判断 < 2 x y , x 2 > 是否为梯度场
解
因此, < 2 x y , x 2 > 是梯度场
例3
判断 < y , x > 是否为梯度场
解
因此, < y , x > 是梯度场
[!TIP] 有问题
如何计算 f
图
已知 F → = ( y , x ) , f ( 0 , 0 ) = c
f ( x , y ) = ∫ C 1 P d x + Q d y + ∫ C 2 P d x + Q d y + f ( 0 , 0 ) = ∫ 0 x 0 d x + ∫ 0 y x d y + c = x y + c 若
F → ( x , y ) = [ ( x 2 + a x y + 3 ) , ( 3 y 2 − 2 x 2 ) ] 从而 a = − 4
F → ( x , y ) = [ ( x 2 − 4 x y + 3 ) , ( 3 y 2 − 2 x 2 ) ] Tipc u r l
定义:
(2) F → = x i ^ + y j ^
此时
因此,
图
(3) F → = − y i ^ + x j ^
此时
c u r l F → = ∂ x ∂ x − ∂ ( − 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, c u r l F → 是关键概念且它并非梯度场——梯度场的旋度恒为零,而 c u r l F → 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 c u r l F → 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 c u r l F → 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。
图
Tip格林公式(Green's theorem)
∮ C P d x + Q d y = ∬ R ( ∂ Q ∂ x − ∂ P ∂ y ) d A 其中
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 ) 及 Q ( x , y ) 在 D 上具有一阶连续偏导数,则有:
∮ C P d x + Q d y = ∬ R ( Q x − P y ) d x d y
其中 L 是 D 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
同理,若 P = 0 ,则有
(2)简化区域
图
如图可得:
∫ C 1 P d x = ∬ R 1 − P y d A ∫ C 2 P d x = ∬ R 2 − P y d A 由于
∫ C P d x = ∫ C 1 P d x + ∫ C 2 P d x ∬ R − P y d A = ∬ R 1 − P y d A + ∬ R 2 − P y d A 因此,
(3)主要部分
要证:
其中:
C : s i m p l e
R : v e r t s i m p l e
图
由图可得:
∮ C P d x = ∫ C 1 P d x + ∫ C 2 P d x + ∫ C 3 P d x + ∫ C 4 P d x 其中,
∫ C 1 P d x = 0 , ∫ C 3 P d x = 0 ∫ C 2 P d x = ∫ a b P ( x , f 1 ( x ) ) d x ∫ C 4 P d x = ∫ b a P ( x , f 2 ( x ) ) d x = − ∫ a b P ( x , f 2 ( x ) ) d x 因此,
∮ C P d x = − ∫ a b [ P ( x , f 2 ( x ) ) − P ( x , f 1 ( x ) ) ] d x 又因为,
∬ R − P y d x d y = − ∫ a b [ ∫ f 1 ( x ) f 2 ( x ) ∂ P ∂ y d y ] d x = − ∫ a b [ P ( x , f 2 ( x ) ) − P ( x , f 1 ( x ) ) ] d x 得证.
例1
解
因此,
∬ D c u r l F → d A = ∬ D 2 d A = 2 A r e a = ∮ C − y d x + x d y 例2
计算
其中 L 为正向圆周 x 2 + y 2 = a 2 .
解
令 P = x 2 y , Q = − x y 2 ,则
由格林公式得:
∮ L x 2 y d x − x y 2 d y = − ∬ D ( x 2 + y 2 ) d x d y = − ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 a ρ 3 d ρ = − π 2 a 4 例3
计算
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
解
令 P = − y x 2 + y 2 , Q = x x 2 + y 2 ,当 x 2 + y 2 ≠ 0 时,有
∂ Q ∂ x = y 2 − x 2 ( x 2 + y 2 ) 2 , ∂ P ∂ y = y 2 − x 2 ( x 2 + y 2 ) 2 记 L 所围成的闭区域为 D .
(1) ( 0 , 0 ) ∉ D
由格林公式,
(2) ( 0 , 0 ) ∈ D
选取半径 r > 0 的圆周 l : x 2 + y 2 = r 2 (位于 D 内),记 L 和 l 所围区域为 D 1 .对 复连通区域 D 1 应用格林公式,方向均为逆时针:
∮ L x d y − y d x x 2 + y 2 − ∮ l x d y − y d x x 2 + y 2 = 0 于是
∮ L x d y − y d x x 2 + y 2 = ∮ l x d y − y d x x 2 + y 2 = ∫ 0 2 π r 2 ( cos 2 θ + sin 2 θ ) r 2 d θ = 2 π 例4
12.3 曲面积分 12.3.1 通量与曲面积分 Tip图
∫ C F → ⋅ n → d s = lim Δ s → 0 ∑ i F ( x i , y i ) ⋅ n i → Δ s i = lim Δ s → 0 ∑ i [ − Q i Δ x i + P i Δ y i ] F l u x = ∫ C − Q ( x , y ) d x + P ( x , y ) d y 又因为 F → = ( P , Q ) T , F → ⊥ = ( − Q , P ) 与 ( P , Q ) 垂直
从而,
格林公式的flux表示 :
对
F l u x = ∮ C − Q ( x , y ) d x + P ( x , y ) d y 应用格林公式,可得
∮ C − Q ( x , y ) d x + P ( x , y ) d y = ∬ D ( ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y ) d x d y 由散度定义:
d i v F → = ( ∂ ∂ x , ∂ ∂ y ) ⋅ ( P , Q ) = ∇ ⋅ F → 最终得到通量形式:
例1
图
解
由于
d i v F → = ∇ ⋅ F → = ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y = 1 + 1 = 2 因此,
∫ C F → ⋅ n → d s = ∬ D d i v F → d A = 2 ∬ D d A = 2 A r e a 例2
不可压流体
d i v F → = 0 , F → 是速度场, ∇ ⋅ u → = 0
Navier-Stokes方程(不可压形式):
∂ u → ∂ t + u → ⋅ ∇ u → = − 1 ρ ∇ p + ν ∇ 2 u → + g → 其中,
v = μ ρ :粘度
P :压强
g :外力(重力)
3D情形 : l i n e → s u r f a c e
物理学家视角 :
图
F l u x = ∬ S F → ⋅ n → d s = lim Δ s → 0 ∑ i F → ( x i , y i , z i ) ⋅ n i → Δ s i d s ≠ d A = d x d y
其中, F → ( x i , y i , z i ) ⋅ n i → 是高, Δ s i 是底面积
数学家视角 :
先看一个简单的例子:
图
F → = x i ^ + y j ^ + z k ^ n → = 1 a ( x , y , z ) T 可得
因此,
(特殊情形)
再来看一般情形:
图
F → = P ( x , y , z ) i ^ + Q ( x , y , z ) j ^ + R ( x , y , z ) k ^ ∬ S F → ⋅ n → d S = ∬ S R ( x , y , z ) d x d y + Q ( x , y , z ) d y d z + P ( x , y , z ) d z d x 其中,
∬ S R ( x , y , z ) d x d y = ∬ D x y R ( x , y , z ( x , y ) ) d x d y ∬ S Q ( x , y , z ) d y d z = ∬ D x z Q ( x , y ( x , z ) , z ) d x d z ∬ S P ( x , y , z ) d z d x = ∬ D y z P ( x ( y , z ) , y , z ) d y d z ∬ S F → ⋅ n → d S = ∬ S ( F 1 → + F 2 → + F 3 → ) ⋅ n → d S = ∬ S F 1 → ⋅ n → d S + ∬ S F 2 → ⋅ n → d S + ∬ S F 3 → ⋅ n → d S 以 F 1 → = ( 0 , 0 , R ( x , y , z ) ) T 为例, v 1 → = ( Δ x , 0 , ∂ z ∂ x Δ x ) , v 2 → = ( 0 , Δ y , ∂ z ∂ y Δ y )
则
n → ⋅ d S = v 1 → × v 2 → = | i ^ j ^ k ^ Δ x 0 ∂ z ∂ x Δ x 0 Δ y ∂ z ∂ y Δ y | = ( − ∂ z ∂ x , − ∂ z ∂ y , 1 ) Δ x Δ y 从而
∬ S ( F 1 → ) ⋅ n → d S = ∬ S R ( x , y , z ) d x d y = ∬ D x y R ( x , y , z ) d x d y F 2 → = ( 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 = ∯ Σ P d y d z + Q d z d x + R d x d y = ∭ D ( ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y + ∂ R ∂ z ) d V = ∯ Σ F → ⋅ n → d S = ∭ D d i v F → d V = ∭ D ∇ ⋅ F → d V 例1
解
∯ d i v F → = 1 + 1 + 1 = 3 ∯ Σ F → ⋅ n → d S = ∭ D 3 d V = 3 ⋅ 4 3 π a 3 = 4 π a 3 例2
图
利用高斯公式计算曲面积分
其中 Σ 为柱面 x 2 + y 2 = 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
解
因为
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 ( x − y ) d x d y + ( y − z ) x d y d z = ∭ Ω ( y − z ) d x d y d z = ∭ Ω ( ρ s i n θ − z ) ρ d ρ d θ d z = ∫ 0 2 π d θ ∫ 0 1 ρ d ρ ∫ 0 3 ( ρ s i n θ − z ) d z = − 9 π 2 例3
利用高斯公式计算曲面积分
∬ Σ ( x 2 cos α + y 2 cos β + z 2 cos γ ) d S , 其中 Σ 为锥面 x 2 + y 2 = z 介于平面 z = 0 , z = h ( h > 0 ) 之间的部分的下侧曲面, cos α , cos β , cos γ 是 Σ 在点 ( x , y , z ) 处的法向量的方向余弦。
解
因曲面 Σ 不是封闭曲面,故不能直接应用高斯公式。若设 Σ 1 为 z = h ( x 2 + y 2 ≤ h 2 ) 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 + Σ 1 ( x 2 cos α + y 2 cos β + z 2 cos γ ) d S = 2 ∭ Ω ( x + y + z ) d v = 2 ∬ D x y d x d y ∫ x 2 + y 2 h ( x + y + z ) d z 其中 D x y = { ( x , y ) ∣ x 2 + y 2 ≤ h 2 } 。注意到
∬ D x y d x d y ∫ 0 h 2 − x 2 − y 2 ( x + y ) d z = 0 , 得
∬ Σ + Σ 1 ( x 2 cos α + y 2 cos β + z 2 cos γ ) d S = ∬ D x y ( h 2 − x 2 − y 2 ) d x d y = 1 2 π h 4 . 而
∬ Σ 1 ( x 2 cos α + y 2 cos β + z 2 cos γ ) d S = ∬ Σ 1 z 2 d S = ∬ D x y h 2 d x d y = π h 4 . 因此,
∬ Σ ( x 2 cos α + y 2 cos β + z 2 cos γ ) d S = 1 2 π h 4 − π h 4 = − 1 2 π h 4 . 例4
设函数 u ( x , y , z ) 和 v ( x , y , z ) 在闭区域 Ω 上具有一阶及二阶连续偏导数,证明
∯ ∭ Ω u Δ v d x d y d z = ∯ Σ u ∂ v ∂ n d S − ∭ Ω ( ∂ u ∂ x ∂ v ∂ x + ∂ u ∂ y ∂ v ∂ y + ∂ u ∂ z ∂ v ∂ z ) d x d y d z , 其中 Σ 是闭区域 Ω 的整个边界曲面, ∂ v ∂ n 为函数 v ( x , y , z ) 沿 Σ 的外法线方向的方向导数,符号 Δ = ∂ 2 ∂ x 2 + ∂ 2 ∂ y 2 + ∂ 2 ∂ z 2 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
∂ v ∂ n = ∂ v ∂ x cos α + ∂ v ∂ y cos β + ∂ v ∂ z cos γ , 其中 cos α , cos β 与 cos γ 是 Σ 在点 ( x , y , z ) 处的外法线向量的方向余弦。于是曲面积分
∯ ∯ ∯ ∯ Σ u ∂ v ∂ n d S = ∯ Σ u ( ∂ v ∂ x cos α + ∂ v ∂ y cos β + ∂ v ∂ z cos γ ) d S = ∯ Σ [ ( u ∂ v ∂ x ) cos α + ( u ∂ v ∂ y ) cos β + ( u ∂ v ∂ z ) cos γ ] d S 利用高斯公式,即得
∯ ∯ Σ u ∂ v ∂ n d S = ∭ Ω [ ∂ ∂ x ( u ∂ v ∂ x ) + ∂ ∂ y ( u ∂ v ∂ y ) + ∂ ∂ z ( u ∂ v ∂ z ) ] d x d y d z = ∭ Ω u Δ v d x d y d z + ∭ Ω ( ∂ u ∂ x ∂ v ∂ x + ∂ u ∂ y ∂ v ∂ y + ∂ u ∂ z ∂ v ∂ z ) d x d y d z . 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
F → = P ( x , y , z ) i ^ + Q ( x , y , z ) j ^ + R ( x , y , z ) k ^ Δ r → = Δ x i ^ + Δ y j ^ + Δ z k ^ 从而
F → ⋅ Δ r → = P Δ x + Q Δ y + R Δ z ∫ C F → ⋅ d r → = ∫ C P d x + Q d y + R d z 例1
计算
其中,
F → = ( y z , x z , x y ) C : x = t 3 , y = t 2 , z = t , 0 ≤ t ≤ 1 解
由题可知
从而
∫ C F → ⋅ d r → = ∫ C y z d x + x z d y + x y d z = ∫ 0 1 ( t 3 ⋅ 3 t 3 + t 4 ⋅ 2 t + t 5 ) d t = ∫ 0 1 6 t 5 d t = t 6 | 0 1 = 1 例2 (路径无关)
图
计算
解
∫ C F → ⋅ d r → = ∫ C 1 F → ⋅ d r → + ∫ C 2 F → ⋅ d r → + ∫ C 3 F → ⋅ d r → 其中,
∫ C 1 F → ⋅ d r → = 0 , ∫ C 2 F → ⋅ d r → = 0 , ∫ C 3 F → ⋅ d r → = ∫ 0 1 1 d z = 1 d f = P d x + Q d y + R d z = ∂ f ∂ x d x + ∂ f ∂ y d y + ∂ f ∂ z d z 则
∫ C P d x + Q d y + R d z = ∫ C d f = f ( B ) − f ( A ) 保守场的条件为:
f ( x , y , z ) ⇒ ∂ 2 f ∂ x ∂ y = ∂ 2 f ∂ y ∂ x ⇒ ∂ ∂ x Q = ∂ ∂ y P ⇒ Q x = P y ∂ 2 f ∂ y ∂ z = ∂ 2 f ∂ z ∂ y ⇒ ∂ ∂ y R = ∂ ∂ z Q ⇒ R y = Q z ∂ 2 f ∂ x ∂ z = ∂ 2 f ∂ z ∂ x ⇒ ∂ ∂ x R = ∂ ∂ z P ⇒ R x = P z ( ∗ ) f ( x , y , z ) 的梯度是 F → = ∇ f
∇ × F → = | i ^ j ^ k ^ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z P Q R | = ( R y − Q z ) i ^ + ( P z − R x ) j ^ + ( Q x − P y ) k ^ 以下条件等价
例1
解
Q x = z , P y = z R y = x , Q z = x R x = y , P z = y 故
c u r l F → = 0
c u r l F → 的意义
图
c u r l F → = ∇ × F → = | i ^ j ^ k ^ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z − y x 0 | = 0 ⋅ i ^ + 0 ⋅ j ^ + 2 ⋅ k ^ 12.4 总结与联系 Tip∇ : ( d e l , n a b l a ) = ( ∂ ∂ x , ∂ ∂ y , ∂ ∂ z ) T
3D 2D grad ∇ f = ( f x , f y , f z ) T ∇ f = ( f x , f y , ) T div ∇ ⋅ F → = ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y + ∂ R ∂ z ∇ ⋅ F → = ∂ P ∂ x + ∂ Q ∂ y curl ∇ × F → = i ^ j ^ k ^ ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z P Q R ∇ × F → = ∂ ∂ x ∂ ∂ y P Q ∭ D f ( x , y , z ) d v ∬ S F → ⋅ n → d S ∫ C F → ⋅ d r → 体积 flux work 多重积分 ∬ S P d x d y + Q d y d z + R d y d x ∫ C P d x + Q d y + R d z
∯ ∭ D d i v F → d v = ∯ S F → c d o t n → d S w o r k = ∮ C P d x + Q d y + R d z = ∮ C F → ⋅ d r → = ∬ S ( c u r l F → ) n → d S = ∬ S ∇ × F → ⋅ n → d S 例1
利用斯托克斯公式计算曲线积分 ∮ Γ z d x + x d y + y d z ,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.
解
根据斯托克斯公式,有
∮ Γ z d x + x d y + y d z = ∬ Σ d y d z + d z d x + d x d y . 分别计算各投影积分:
其中 D y z 、 D z x 和 D x y 分别为 Σ 在 y O z 、 z O x 和 x O y 坐标面上的投影区域。 因此,曲线积分的值为:
例2
利用斯托克斯公式计算曲线积分
I = ∮ Γ ( y 2 − z 2 ) d x + ( z 2 − x 2 ) d y + ( x 2 − y 2 ) d z , 其中 Γ 是平面 x + y + z = 3 2 截立方体 { ( x , y , z ) ∣ 0 ≤ x , y , z ≤ 1 } 表面所得的截痕,方向为从 O x 轴正向看去的逆时针方向。
解
选取曲面 Σ 为平面 x + y + z = 3 2 的上侧被 Γ 围成的部分,其单位法向量为
即 cos α = cos β = cos γ = 1 3 .根据斯托克斯公式,有
I = ∬ Σ | 1 3 1 3 1 3 ∂ ∂ x ∂ ∂ y ∂ ∂ z y 2 − z 2 z 2 − x 2 x 2 − y 2 | d S = − 4 3 ∬ Σ ( x + y + z ) d S 在 Σ 上, x + y + z = 3 2 ,因此:
I = − 4 3 ⋅ 3 2 ∬ Σ d S = − 2 3 ∬ D x y 3 d x d y = − 6 σ x y . 将曲面 Σ 投影到 x O y 平面,投影区域 D x y 的面积为:
故