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文檔簡介
第二十一章曲線積分與曲面積§1一型曲線積分與曲面積(線性性)L
f(x,y,z)ds,
g(x,y,z)dsk1k2Lk1f(xyzk2g(xyz)dsLk1f(x,y,z)k2g(x,y,z)dsk1Lf(x,y,z)dsk2Lg(x,y,z)ds 1dsl,其中l(wèi)L的長度L(可加性)LLLLL
f(x,yz)ds存在 12Lf(xyz)ds12
f(x,y,z)ds1Lf(x,y,z)ds1
f(x,y,z)ds+
2f(x,y,z)ds2單調(diào)性
f(xyz)ds
g(x,yz)ds均存在,且在L上的每一點(diǎn)p都有fpgpLfp)dsLgp)ds
fp)ds存在,則
fpdsLf(p)ds
f(p)(中值定理)LfpLp0LLfp)dsfp0)l lL的長度Sfp)dsgp)ds (線性性)設(shè)kk是實(shí)常數(shù),則kfpkgp)ds存在, Sk1f(p)k2g(p)dsk1f(p)dsk2g(p)ds 1dss,sS的面積S(可加性)SS1S2SS1S2S1S2fp)ds存在Sfp)dsfp)ds f(p)ds=f(p)ds+f( (單調(diào)性)Spfpgpf(p)dsg(p)ds 5
fpdsfp)ds
f(p)ds (中值定理)fpSp0S,fp)dsfp0)ssSS
(x2y2ds,L是以(0,02,00,1為頂點(diǎn)的三角形LLL1L2L2:y
0y0xL:y1x
0x所以(x2y2ds
(x2y2)ds(x2y2)ds
(x2y2 1
5 2 x25y2dy
x2dxx21 5353
0 2
x2y2ds,Lx2y2ax
(aL的參數(shù)方程為
xaacos;yasin
0 則xasin,yacos
ds
x'2y'2da x2yx2y
222所 ds 2
d2
2a2
cos
d
d2a2
Lxyzds,其中L為螺線xacostyasintzbt(0ab
0t2解:xasintyacostzds
x'2y'2z'2dt
a2b2所以
xyzds2a2btcostsint0
a2b2aa2ba2b2
a2b2a2b2
(x2y2z2ds,L與(3)相同La2b2解 (x2y2za2b2L
0 0
(xL
y3)ds,Lx3y3a3解:L1的參數(shù)方程為:xacost,yasin 0 x'3acos2tsint,y'3asin2tcosds x'2y'2dt3asintcostdt,4所 (xL
y3)ds=
(x
y373a32(1cos22t)sin2tdt0
L
xa(tsint),ya(1 解:xa(1costyasintds t 所以y2ds2a3(1cost) dt
xyds,Lx2y2z2a2xyz0的交線LLx,yz的對稱性,LL所以 1(xyyz 31(x2y2z2)ds6解(xyyzzx)ds1(xyz2x2y 2aa2dsaL
xyzds,Lxt,y 1
2t3,z1t2(0t12解:x1y16所以ds16
2t2,z'1x'2y'2z'2dt11Lxyzds=01
2t2
1t2(1t)dt2
(10)
2y2z2ds,Lx2y2z2a2xy相交的圓周zz
x
, 2ay 2a2a22yds
x'2y'2z'2dy
ya22a22
所以
2y2z2ds2a 0
=2a
20
(y
2asin)a22ya22y2
(x2y2dsSxx2y
z1的邊界曲面(x2y2ds(x2y2ds(x2y2 其中S1z
x2y2x2y21,而Sz1x2y212 所以SSxoyDx2y22 11z 2對
(x2y2)ds 1z (x21z 所以(x
y
)ds(xD
y2
2dxdy
20d0
3dr21(x2y2)ds(x2y2)dxdy2d1r3dr21
所以(x2y2)ds(1 2) ,Sx2y2R2z0zH所截取的部分;x2yS解:前半柱面S1的方程為x Ry,RyR,0z R2y1x2xyR2y1x2xyzR2yyRS2x
R2y2
Ry
0zR2y1x2xR2y1x2xyzR2yyR x2y
x2y
2+
x2y
1
2H2R2yR2yR2yRR S
x3y2zds,Szx2y2z1割下部分1z2z 11z2z 14(x2y2 所以S
x3y2zdsx3y2(x2y2)D
14(x2y22cos3sin2d1r
14r20 1r15
4r2
z2ds,S是螺旋面的一部分xucosS
yusinv,zv(0ua,0v2 zu cos 解:
zv
usin
ucos 所以Ex2y2z21,Gx2y2z2u2 Fxuxvyuyvzuzv因此z2dsv
EGF2dudv2v2
1u2 43
a2 aa2x2y2ds,Sx2y2z2RSSxRcossinyRsin ,02,0 zR z
Rsinsin
Rcossin
Rcos Rsin
Ex2y2z2Rnsin2,GR2,F(xiàn) 所 (x2y2)dsR2sin2R4sin R42dsin3d8R Lxetcost,yetsint,zet
(0tt0)解(xyzk(x2y2z2,由(1,0,11k2所以(xyz1(x2y2z22
1(
2 21t0(e2te2t)3e2t2 3t0e3tdt3(e3t0 設(shè)有一質(zhì)量分布不均勻的半圓弧xrcos,yrsin
(0a(為常數(shù),求它對原點(diǎn)(0,0)處質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)的引力FxFxyFy.任取弧長微元ds
dFr
ds其中kr0是向經(jīng)的單位矢量cos,sinads代入,得dFx,ydFkard(cos)kacosd r dFkard(sin)kasin r ka F cosd 0 F kasindka F2F2F
2所 F的大小
2,方向?yàn)?
cos4,sin4cos(4sin4)x 求螺線的一支Lxacost
yasint,z
t(0t2)x軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I y2z2ds.設(shè)此螺線的線密度是均勻的L2IL(2
z
)ds
(a
h2a2h4t a2h442( 22
2h24a4a2hz1(x2y20z1z2解:Mdszds1(x2y2
x2y2dxdy12d2r4dr42 D
2
y2z2a2,x0,
y0z0解:由對稱性,設(shè)重心坐標(biāo)為(x,yz)(ttatxds L:x2y2a2,z0;L:y2z2a2,x0;L:xz2
,y xds2acosada xds20ad xds2acosada 所以:y2z2ds2a2L2
t2a
4a,故重心坐標(biāo)為(4
,a,
,a,
a)x2y2z2a2(z0z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1x2y2z2a2(z0zIz(x2y2)ds
d2a2sin2a2sin S4a3a2x2y求均勻球面z (x0,y0,a2x2y解:由對稱性可設(shè)重心坐標(biāo)為(kkla2x2ya2x2y由于xdsa2x2ya2x2y 4
2(1 2a2x2yzds a2x2ya2a2x2ya2x2ya2x2y2ds dxdyaaa2x2ya2x2y2 所 kS
24D4l ds21 所以:重心坐標(biāo)為
24
22若曲線以極坐標(biāo)給出:()(12),試給出計(jì)算Lf(x,y)ds的 L
x2y2dsLa(04xdsLaekv(k0)ra內(nèi)的部分(xcos()所 ysin()sin
1
()cos()(sin)(cos()sin()sin()所以
f(x,y)ds
f(()cos,()sin
2()2((1)L:a,故ds 22dex2y2ds4eaadae (2)Laek(k0)raaekra的交點(diǎn)坐標(biāo)為(0所以dsaek1k20
1k2a1k2a2kk2所 xdsaek
1
4k0xrcosyrsin,zr(02,0bra對位于曲面頂點(diǎn)(0,0,0的單位質(zhì)點(diǎn)的引力〉當(dāng)b0時(shí),結(jié)果如何?解:對應(yīng)于半徑r處取斜交為dsds2rds2它與頂點(diǎn)(0,0,0的單位質(zhì)點(diǎn)的引力在ox軸和oy軸上合力的射影顯見為0而在ozdZ
2rdr0 r2z2
rr2zr2zX
Y
Zbk0drkln 當(dāng)b0時(shí),由于
a,故在Z坐標(biāo)軸上引力的射影趨于b13.F(t)f(xyz)dsSxyztS1x2y2z2 x2y2z2f(x,y,z)xyz
當(dāng)x2y2z2333x2y2z213331x2y2z2
若t
f(x,y,z)
若txyz
x2y2z2 1 1xyxyt(xy)2
,記其圍成區(qū)域?yàn)镕(t)1x2y2t(xy)2
31t22(x2y2)2xy2t(x
xxt,yy32
2
1t2
x
2 3
t2
2
2
f3f
y 2xyF(t)
tt322xxyyxy則(1)222 2 t
y1tt13 1 3 3 記相應(yīng)的區(qū)域?yàn)?/p>
t2131
2
y2)于
t2
2
2F
3
131131t33最后,作廣義極坐標(biāo)變換,即x rcos, t2 1 t2F(t)1
3
31
22tt
d1rr3dr 3 t
3t
3F(t)考慮到函數(shù)u
t3F(t)3
(3t2)2 t3 t3§2第二型曲線積分與曲面積L(2ay)dxdy02aa(1cost)asinta(1cos
2a(a xdxydy,Lx2y2a2 x解L的參數(shù)方程xacosyasin,0xdx
2acos(asin)asinacos x2y a
Lxdxydyzdz,L為從(1,1,1到(2,3,4的直線段解L的參數(shù)方程為x1ty12tz13t,0t所以
xdxydyzdz1(1t)2(12t)3(13t)dt0(x22xy)dxy22xy)dy,Lyx2從(1,1到(1,1的一段L解:(x22xy)dxy22xy)dy1(x22xx2x42x32xdx
ydxxdyx2y2dz,Lxetyetzat從(1,1,0到(ee1aL
ydxxdy(x2y2)dz=1etetet(et)(e2te2t)0012a(e2te2t002a(e2e222asinh
(x2y2dxx2y2dy,LA(1,0B(2,0C(2,1D(1,1L針方向解LABBCCD其 AB:y0,1x2,起點(diǎn)對應(yīng)xBCx2,0y1,起點(diǎn)對應(yīng)yCDy1,1x2,起點(diǎn)對應(yīng)xDAx1,0y1,起點(diǎn)對應(yīng)y(x2y2)dx(x2y2L1021=2x2dx1(4y2)dy1(x21)dx0(1y2)dy1021計(jì)算曲線積分y2z2dxz2x2dyx2y2dzLLx2y2z21x0y0z0Lx2y2z2a2x2y2ax(a0的交線位于oxy平面上方的部分,x軸上(b,0,0)(ba點(diǎn)看去L是順時(shí)針方向.
LL1L2L1:x0,z
1y20y1,yL2:y0,zL3:z0,y
1x20x1x1x20x1x所 (y2z2)dx(z2x2)dy(x2y2L0
2 1
21y2121y21x2
)(y)
dy0(1
)x
10(1x2)(x2)1
2121xLL1L2,L1:y
axx2,z
a2ax,0xaxL2:y
axx2,z
a2ax,0xa起點(diǎn)x所以I (y2z2)dx(z2x2)dy(x2y2L22
=(y2z2)dx(z2x2)dy(x2y2
(y2z2)dx(z2x2)dy(x2y21L102axx2a2(a2axx2)a (2x2ax) axaxx2a2axa
a2axx2a2(a2axx2)2x (2x2ax) axaxx2a2ax0 axx2a(a2axx2)2xaxx20
axax
x0時(shí)
t
xa時(shí)
tx 1t2
dx
dt 03 0 24 24t
1t
33
dt202
dt303
44 2a3(I3II 其中In
1
n
2n
2n
In2(n1)(1t2I3a2
02(n1)In12(n1)
ydxLx2y2Lx2y2a2逆時(shí)針方向2L2a
y
L為以(0,0為中心,邊長為a,對邊平行于坐標(biāo)軸的正方形,順時(shí)針方向,解:(1)L的參數(shù)方程為xa
yasin
02,起點(diǎn)對應(yīng)ydx 所
Lx2y
a2
d(2)Lxa
ybsin
02起點(diǎn)對應(yīng)2.所ydxxdy0bsin(asin)acosbcosLx2y a2cos2b2sin22 0a2b2tan2 40
a2b2tan2
4arctanbtan2
a0 a0LL1L2L3L4,Lxa,aya,起點(diǎn)ya L:ya,axa,起點(diǎn)xa Lxa,aya,起點(diǎn)ya L:ya,axa,起點(diǎn)xa 1234所 ydxxdy 1234Lx
y
x
y a
a
aa
aa2
2
2 +
2 aa
a
a
a y4
2x24
y4
2x242a 2y2a4
d2y2
4a
a
21 a(4)LL1L2L3,L1:y
1x
xL2:y2xL3:y2x
1x0x
xx12所 ydxxdy 12Lx
y
3x2y31dx0(2x1)x2dx1(2x1)x1x2 x2(2x x2(2x1 1 15x24x2arctan2
05x24xF對運(yùn)動(dòng)的單位質(zhì)點(diǎn)所作的功,LAB點(diǎn)Fx2xy2y2x2yL為平面曲線yx2,A(0,0FxyxyL為平面曲線y11x,A(0,0
(xy,yz,zx),L的矢量形式為 2
r
t tk
Fy2z2x2LA(,0,0),B(,0,2)LLLL
xcostysintzt(,為正數(shù)
WFds(x2xy2)dx(y2x201(x2x3)(x22x4)01=6
WFLL(xy)dx011(2xx2)dx2[2x(2x)013
(3)WFds[(tt)(tt)2t(tt)
LL(4)WFdsydxzdyxLL2[2sin3ttcost2cos202PQ,RLL為光滑弧段,弧長為lLPdxQdy
MlMmax(x,y,y,z
P2Q2R2sLxy zl
0s所以LPdxQdyRdz0P(x(s),y(sz(s))dx(sQ(x(s),y(sR(x(s),y(s),l0P(x(s),y(s),z(s))dx(s)Q(x(s),y(s),z(s))dy(s)R(x(s),y(s),lP2Q2R dx2P2Q2R dx2dy2dzllLS上,Szf(x,yL在oxy平面上的投影曲線為lP(x,yzLLP(x,yz)dxlP(x,yz(x,證明:x作為參數(shù),則Lxxyy(xzz(xlxxyy(xx1xx2,起點(diǎn)時(shí)應(yīng)x所
P(x,y,z)dxx2P(x,y(x),z(x, P(x,y,z(x,y))dxx2P(x,y(x),z(x, 因 lP(x,y,z(x,y))dxLP(x,y,
I
xyzdzL:x2y2z21yz卦限
x2y2Lx2y2z21yz相交的圓,故方程為
y2xcosy2
1sinz
1sin02,起點(diǎn)對應(yīng)0222xyzdz2cos1sin21cosd12sin2 222 22
y(xz)dydzx2dzdxy2xz)dxdySxyz0Sxyza,六個(gè)平面所圍的正立方體邊界的外側(cè);SS上S下S左S右S前S后 y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdy(y2S y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdyyS y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdyxS y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdyxS y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdyy(aS y(xz)dydzx2dzdx(y2xz)dxdyS 所 y(xz)dydzx2dzdx(y2SS
S
S
S
S
S
dydzx2dzdx(y2 a(xy)dydzyz)dzdxzx)dxdyS是以質(zhì)點(diǎn)為中心,邊長為2S解:同(1)SS上S下S左S右S前S則(xy)dydzyz)dzdxzS S
S
S
S
S
S
(xy)dydz(yz)dzdx(z 243 x yzdxS為S
yb
zc
1解 SS左S右,其S左y
x1 x z1 x za c
zc
1S右y
x1 x z1 x za c
zc
1所以yzdzdxyzdzdx S S1 a c1 a c
11 a c 1 a1 a c
1r002abc22sind1r1r00zdxdyxdydzydzdxSx2y21z0z3S解 由于S在xoy平面上的投影為曲線x2y21,故zdxdyS對 xdydzxdydz S S
1y2dydz
1y2 D11
1y2dy3dz0 ydzd
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