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1、高等数学教案 10曲线积分与曲面积分第十章 曲线积分与曲面积分教学目的：1. 理解两类曲线积分的概念，了解两类曲线积分的性质及两类曲线积分的关系。2. 掌握计算两类曲线积分的方法。3. 熟练掌握格林公式并会运用平面曲线积分与路径无关的条件，会求全微分的原函数。4. 了解两类曲面积分的概念、性质及两类曲面积分的关系，掌握计算两类曲面积分的方法，了解高斯公式、斯托克斯公式，会用高斯公式计算曲面积分。5. 知道散度与旋度的概念，并会计算。6 会用曲线积分及曲面积分求一些几何量与物理量。 教学重点:1、 两类曲线积分的计算方法；2、 格林公式及其应用；3、 两类曲面积分的计算方法；4、 高斯公式、斯托
2、克斯公式；5、 两类曲线积分与两类曲面积分的应用。 教学难点：1、 两类曲线积分的关系及两类曲面积分的关系；2、 对坐标的曲线积分与对坐标的曲面积分的计算；3、 应用格林公式计算对坐标的曲线积分；4、 应用高斯公式计算对坐标的曲面积分；5、 应用斯托克斯公式计算对坐标的曲线积分。10.1 对弧长的曲线积分 一、 对弧长的曲线积分的概念与性质 曲线形构件的质量: 设一曲线形构件所占的位置在xOy面内的一段曲线弧L上, 已知曲线形构件在点(x, y)处的线密度为m(x, y). 求曲线形构件的质量. 把曲线分成n小段, Ds1, Ds2, , Dsn(Dsi也表示弧长); 任取(xi , hi)D
3、si, 得第i小段质量的近似值m(xi , hi)Dsi; 整个物质曲线的质量近似为; 令l=maxDs1, Ds2, , Dsn0, 则整个物质曲线的质量为 . 这种和的极限在研究其它问题时也会遇到. 定义 设L为xOy面内的一条光滑曲线弧, 函数f(x, y)在L上有界. 在L上任意插入一点列M1, M2, , Mn-1把L分在n个小段. 设第i个小段的长度为Dsi, 又(xi, hi)为第i个小段上任意取定的一点, 作乘积f(xi, hi)Dsi, (i=1, 2, , n ), 并作和, 如果当各小弧段的长度的最大值l0, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f(x, y)在曲线弧L上
4、对弧长的曲线积分或第一类曲线积分, 记作, 即. 其中f(x, y)叫做被积函数, L 叫做积分弧段. 设函数f(x, y)定义在可求长度的曲线L上, 并且有界. 将L任意分成n个弧段: Ds1, Ds2, , Dsn, 并用Dsi表示第i段的弧长; 在每一弧段Dsi上任取一点(xi, hi), 作和; 令l=maxDs1, Ds2, , Dsn, 如果当l0时, 这和的极限总存在, 则称此极限为函数f(x, y)在曲线弧L上对弧长的曲线积分或第一类曲线积分, 记作, 即 . 其中f(x, y)叫做被积函数, L 叫做积分弧段. 曲线积分的存在性: 当f(x, y)在光滑曲线弧L上连续时, 对
5、弧长的曲线积分是存在的. 以后我们总假定f(x, y)在L上是连续的. 根据对弧长的曲线积分的定义,曲线形构件的质量就是曲线积分的值, 其中m(x, y)为线密度. 对弧长的曲线积分的推广: . 如果L(或G)是分段光滑的, 则规定函数在L(或G)上的曲线积分等于函数在光滑的各段上的曲线积分的和. 例如设L可分成两段光滑曲线弧L1及L2, 则规定 . 闭曲线积分: 如果L是闭曲线, 那么函数f(x, y)在闭曲线L上对弧长的曲线积分记作 . 对弧长的曲线积分的性质: 性质1 设c1、c2为常数, 则 ; 性质2 若积分弧段L可分成两段光滑曲线弧L1和L2, 则 ; 性质3设在L上f(x, y)
6、g(x, y), 则 . 特别地, 有 二、对弧长的曲线积分的计算法 根据对弧长的曲线积分的定义, 如果曲线形构件L的线密度为f(x, y), 则曲线形构件L的质量为 . 另一方面, 若曲线L的参数方程为x=j(t), y=y (t) (atb),则质量元素为 , 曲线的质量为 . 即 . 定理 设f(x, y)在曲线弧L上有定义且连续, L的参数方程为 x=j(t), y=y(t) (atb), 其中j(t)、y(t)在a, b上具有一阶连续导数, 且j2(t)+y2(t)0, 则曲线积分存在, 且 (ab). 证明（略） 应注意的问题: 定积分的下限a一定要小于上限b. 讨论: (1)若曲
7、线L的方程为y=y(x)(axb), 则=?提示: L的参数方程为x=x, y=y(x)(axb), . (2)若曲线L的方程为x=j(y)(cyd), 则=?提示: L的参数方程为x=j(y), y=y(cyd), . (3)若曲G的方程为x=j(t), y=y(t), z=w(t)(atb), 则=? 提示: . 例1 计算, 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. 解 曲线的方程为y=x2 (0x1), 因此 . 例2 计算半径为R、中心角为2a的圆弧L对于它的对称轴的转动惯量I(设线密度为m=1). 解 取坐标系如图所示, 则. 曲线L的参数方程为 x
8、=Rcosq, y=Rsinq (-aqa). 于是 =R3(a-sina cosa). 例3 计算曲线积分, 其中G为螺旋线x=acost、y=asint、z=kt上相应于t从0到达2p的一段弧. 解 在曲线G上有x2+y2+z2=(a cos t)2+(a sin t)2+(k t)2=a2+k 2t 2, 并且 , 于是 . 小结: 用曲线积分解决问题的步骤: (1)建立曲线积分; (2)写出曲线的参数方程 ( 或直角坐标方程) , 确定参数的变化范围; (3)将曲线积分化为定积分; (4)计算定积分. 10. 2 对坐标的曲线积分 一、对坐标的曲线积分的概念与性质 变力沿曲线所作的功:
9、 设一个质点在xOy面内在变力F(x, y)=P(x, y)i+Q(x, y)j的作用下从点A沿光滑曲线弧L移动到点B, 试求变力F(x, y)所作的功. 用曲线L上的点A=A0, A1, A2, , An-1, An=B把L分成n个小弧段, 设Ak=(xk , yk), 有向线段的长度为Dsk, 它与x轴的夹角为tk , 则 (k=0, 1, 2, , n-1). 显然, 变力F(x, y)沿有向小弧段所作的功可以近似为 ;于是, 变力F(x, y)所作的功 , 从而 . 这里t=t(x, y), cost, sint是曲线L在点(x, y)处的与曲线方向一致的单位切向量. 把L分成n个小弧
10、段: L1, L2, , Ln; 变力在Li上所作的功近似为: F(xi, hi)Dsi=P(xi, hi)Dxi+Q(xi, hi)Dyi ; 变力在L上所作的功近似为: ; 变力在L上所作的功的精确值: , 其中l是各小弧段长度的最大值. 提示: 用Dsi=Dxi,Dyi表示从Li的起点到其终点的的向量. 用Dsi表示Dsi的模. 对坐标的曲线积分的定义: 定义 设函数f(x, y)在有向光滑曲线L上有界. 把L分成n个有向小弧段L1, L2, , Ln; 小弧段Li的起点为(xi-1, yi-1), 终点为(xi, yi), Dxi=xi-xi-1, Dyi=yi-yi-1; (xi,
11、h)为Li上任意一点, l为各小弧段长度的最大值. 如果极限总存在, 则称此极限为函数 f(x, y)在有向曲线L上对坐标x的曲线积分, 记作, 即, 如果极限总存在, 则称此极限为函数 f(x, y)在有向曲线L上对坐标x的曲线积分, 记作, 即. 设L为xOy面上一条光滑有向曲线, cost, sint是与曲线方向一致的单位切向量, 函数P(x, y)、Q(x, y)在L上有定义. 如果下列二式右端的积分存在, 我们就定义 , , 前者称为函数P(x, y)在有向曲线L上对坐标x的曲线积分, 后者称为函数Q(x, y)在有向曲线L上对坐标y的曲线积分, 对坐标的曲线积分也叫第二类曲线积分.
12、 定义的推广: 设G为空间内一条光滑有向曲线, cosa, cosb, cosg是曲线在点(x, y, z)处的与曲线方向一致的单位切向量, 函数P(x, y, z)、Q(x, y, z)、R(x, y, z)在G上有定义. 我们定义(假如各式右端的积分存在) , , . , , .对坐标的曲线积分的简写形式: ; . 对坐标的曲线积分的性质: (1) 如果把L分成L1和L2, 则 . (2) 设L是有向曲线弧, -L是与L方向相反的有向曲线弧, 则 . 两类曲线积分之间的关系: 设costi, sinti为与Dsi同向的单位向量, 我们注意到Dxi, Dyi=Dsi, 所以Dxi=costiDsi, Dyi=sintiDsi, , . 即 , 或 . 其中A=P, Q, t=cost, sint为有向曲线弧L上点(x, y)处单位切向量, dr=tds=dx, dy. 类似地有 , 或 . 其中A=P, Q, R, T=cosa, cosb, cosg为有向曲线弧G上点(x, y, z)处单们切向量, dr=Tds =dx,
