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1、南昌工程学院数分选讲课程设计题 目 格林公式及其在曲线积分求解中的应用课 程 名 称 数分选讲系院理学院专业信息与计算科学班级2012 级 1 班学 生 姓 名魏志辉学 号 2012101316指 导 教 师禹海雄设计起止时间： 2015 年 6 月 11 日至 2015 年 6 月 15 日什么是曲线积分？1. 设 L为 xOy平面上的一条光滑的简单曲线弧 ,f(x,y) 在L上有界，在 L上任意 插入一点列 M1,M2,M3,Mn 把 L 分成 n 个小弧段 Li 的长度为 ds，又 Mi(x,y) 是 L 上的任一点，作乘积 f(x,y)i*ds, 并求和即 f(x,y)i*ds ，记
2、=max(ds) ，若 f(x,y)i*ds的极限在当 0 的时候存在，且极限值与L 的分法及 Mi 在 L 的取法无关，则称极限值为 f(x,y) 在 L 上对弧长的曲线积 分，记为： f(x,y)*ds ；其中 f(x,y) 叫做被积函数， L 叫做积分曲线，对 弧长的曲线积分也叫第一类曲线积分。2. 曲线积分的类别 :曲线积分分为：对弧长的曲线积分 (第一类曲线积分) 对坐标轴的曲线积分(第二类曲线积分)两种曲线积分的区别主要在于积分元素的差别；对弧长的曲线积分的 积分元素是弧长元素 ds ；例如：对 L 的曲线积分 f(x,y)*ds 。对坐标轴 的曲线积分的积分元素是坐标元素 dx
3、或 dy，例如：对 L的曲线积分 P ( x,y ) dx+Q(x,y)dy 。但是对弧长的曲线积分由于有物理意义，通常说来 都是正的，而对坐标轴的曲线积分可以根据路径的不同而取得不同的符号 33。3. 两种曲线积分的联系： 对弧长的曲线积分和对坐标轴的曲线积分是可以互相转化的，利用弧微分 公式 ds= 1+(dy/dx)2*dx;或者 ds= 1+(dx/dy)2*dy;这样对弧长的曲线积分都可以转换成对坐标轴的曲线积分了。在数学中， 曲线积分 或路径积分 是积分 的一种。积分函数的取值沿的 不是区间，而是特定的 曲线，称为 积分路径 。曲线积分有很多种类，当积 分路径为闭合曲线时，称为 环
4、路积分 或 围道积分 。在曲线积分中，被积的 函数可以是标量函数或 向量函数。积分的值是 路径各点上的函数值乘上相应的 权重 (一般是弧长，在积分函数是向量函 数时，一般是函数值与曲线微元向量的标量积)后的 黎曼和 。带有权重是曲线积分与一般区间上的积分的主要不同点。 物理 学中的许多简单的公式(比如说)在推广之后都是以曲线积分的形式出现( )。曲线积分在物理学中是很 重要的工具，例如计算 电场 或重力场 中的做功 ，或量子力学 中计算粒子出4. 格林公式 【定理】设闭区域由分段光滑的曲线围成 , 函数及在上具有一阶连续偏导数 则有(1) cP(x,y)dx+Q(x,y)dy= D(dQ/dx
5、-dP/dy)dxdy 其中是的取正向的边界曲线 .公式 (1) 叫做 格林 (green) 公式 .【证明】先证假定区域的形状如下 (用平行于轴的直线穿过区域 , 与区域边界曲线的 交点至多两点 )易见, 图二所表示的区域是图一所表示的区域的一种特殊情况 ,我们仅 对图一所表示的区域给予证明即可 .另一方面 , 据对坐标的曲线积分性质与计算法有 因此 再假定穿过区域内部且平行于轴的直线与的的边界曲线的交点至多是 两点 , 用类似的方法可证综合有当区域的边界曲线与穿过内部且平行于坐标轴 ( 轴或轴 ) 的任何直线 的交点至多是两点时 , 我们有5., 若曲线积分在开区域内与路径无关 , 那它仅
6、与曲线的起点与终点的坐标有关 . 假设曲线的起点为 , 终点为 , 可用记号或来表示 , 而不需要明确地写出积分路径 .显然, 这一积分形式与定积分非常相似 , 事实上 , 我们有下列重要定理【定理一】设是一个单连通的开区域, 函数, 在内具有一阶连续偏导数 ,且 【证明】依条件知 , 对内任意一条以点为起点 , 点为终点的曲线 , 曲线积 分 与路径无关 , 仅与的起点和终点的坐标有关 , 亦即 , 确为点的单值函数 .下面证明由于可以认为是从点沿内任何路径到点的曲线积分 , 取如下路径 , 有 类似地可证明因此【定理二】设是单连通的开区域 , 在上具有一阶连续偏导数 , 则在内为 某一函数
7、全微分的充要条件是在内恒成立 .【证明】显然 , 充分性就是定理一下面证明必要性若存在使得 , 则由于 , 在 内连续 , 则二阶混合偏导数适合等式从而【定理三】 设是一个单连通的开区域 , 函数, 在内具有一阶连续偏导数 , 若存在二元函数使得则其中 , 是内的任意两点 .【证明】由定理 1 知, 函数适合于是 或因此 （ 是某一常数 ）即这是因为由点沿任意内的路径回到点构成一条封闭曲线, 故因此 【确定的全微分函数的方法】因为, 而右端的曲线积分与路径无关 ,为了计算简便 , 可取平行于坐标 轴的直线段所连成的折线作为积分路径( 当然折线应完全属于单连通区域).【证明】先证假定区域的形状如
8、下 (用平行于轴的直线穿过区域 , 与区域边界曲线的 交点至多两点 )易见, 图二所表示的区域是图一所表示的区域的一种特殊情况 ,我们仅 对图一所表示的区域给予证明即可 .另一方面 , 据对坐标的曲线积分性质与计算法有 因此 再假定穿过区域内部且平行于轴的直线与的的边界曲线的交点至多是 两点 , 用类似的方法可证综合有当区域的边界曲线与穿过内部且平行于坐标轴 ( 轴或轴 ) 的任何直线 的交点至多是两点时 , 我们有同时成立 .将两式合并之后即得格林公式注: 若区域不满足以上条件 , 即穿过区域内部且平行于坐标轴的直线与 边界曲线的交点超过两点时 , 可在区域内引进一条或几条辅助曲线把它分 划
9、成几个部分区域 , 使得每个部分区域适合上述条件 , 仍可证明格林公式成 立.b6. 牛顿莱布尼兹公式 aF(x)dx F(b) F(a)表示：F(x)在区间 a,b 上 的定积分可以通过它的原函数 F ( x)在这个区间端点的值来表达而格林公式表 示：在平面区域 D 上的二重积分可以通过沿闭区域 D 的边界曲线 L 的曲线积分来表达这样，牛顿莱布尼兹公式成为格林公式的特殊情形平面单连通域的概念设 D为平面区域，如果 D 内任一闭曲线所围的部分 都属于 D ，则称 D 为平面单连通区域，否则称为复连通区域 例如：平面上的圆形区域 x,y |x2 y2 1 ，上半平面 x,y |y 0 都是单
10、连通区域，圆环形区域x,y |1 x2 y2 4, x,y |0 x2 y2 1 都是复连通区域 对平面区域 D 的边界曲线 L ，规定 L 的正向如下： 当观察 者沿 L的方向行走时， D总在他的左边例如 D是边界曲线 L 及l所围成的复连通域 (图 8)，作为 D的正向边界， L的正向 是逆时针方向，而 l 的正向是顺时针方向定理 1 设闭区域 D由分段光滑的曲线 L围成，函数 P(x,y)及Q(x,y)在D上 具有一阶连续偏导数，则有QP( )dxdy Pdx QdyD x y L , (1) 其中 L 是 D 的取正向的边界曲线公式 (1) 叫做格林公式证 先假设区域 D既是 X 型又
11、是 Y型的情形，即穿过区域 D 且平行坐标轴的直线与 D 的边界曲线 L 的交点恰好为两点 (图 9)P 设 D x,y | 1(x) y 2 (x),a x b ，因为 y 连 续，所以Pydxdy a 2(x) P(xy, y)dy dx a P(x, 2(x) P(x, 1(x) dx另一方面，对坐标的曲线积分babPdx Pdx Pdx P(x, 1( x) dxP(x, 2 (x)dx P(x, 1(x) P(x, 2 (x) dxabaLL1L2dxdy Pdx因 此 得 D y L .类似地，设 D x, y | 1(y) x 2(y),c y d ，则可证dxdy QdyD x
12、 L . (3)由于 D既是 X 型又是 Y型的区域， (2)(3) 同时成立，二式合并即得公式 (1)区域D既是 X 型又是Y型这样的要求是相当严格的， 但 是对于一般情形， 即区域 D 不满足这个条件时， 我们可在 D 内引进辅助线把 D 分成有限个部分闭区域， 使得每个部分闭 区域都满足这个条件，如图 10，应用公式 (1) 于每个部分区 域，即可得证因此，一般地对于由分段光滑曲线围成的闭 区域公式 (1) 都成立证毕QP注 (1) 格林公式中左端二重积分的被积函数是 x y ，而且在 D 内偏导 连续这是初学者容易记错或者忽略的地方 右端曲线积分中曲线 L 对区域 D 来 说都是正向，
13、这也是需要注意的(2) 对于复连通区域 D ，格林公式右端应包括沿区域 D 的全部边界的曲线 积分例如对图 8 的复连通域 D1 (阴影部分)格林公式应为Q P dxdy Pdx Qdy Pdx QdyD1 x y L l .其中 L 、l 是D 的取正向的闭曲线(3) 格林公式揭示出二重积分与平面曲线积分之间的联系， 同时也给出了通 过二重积分计算曲线积分的一个重要公式 许多情况，曲线积分化为二重积分计 算往往是方便的 当然有些二重积分也可以化为曲线积分来计算， 但是在化为曲xdxdy线积分时，被积表达式并不是唯一的例如， D 化为曲线积分时，即可以1 2 1 1是2Lx dy，也可以是xy dx或者是 21 L21x2dy xydx ，等等格林公式的一个简单应用，在公式(1) 中取 P y， Q x ，即得2 dxdy xdy ydxD L ，上式左端为闭区域 D的面积 A的两倍，因此区域 D 的面 积 A 可以用下面的曲线积分计算
