第二型线面积分

第二型曲线积分

被积函数是形如F(x,y)=P(x,y)i+Q(x,y)jF(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k 的向量函数,定义在曲线L 上,其物理背景是沿着曲线从起点移动到重点所做的功
第二型曲线积分具有如下形式\int_LP(x,y)dx+Q(x,y)dy,\int_LP(x,y,z)dx+Q(x,y,z)dy+R(x,y,z)dz

第二型曲面积分

被积函数是形如F(x,y,z)=P(x,y,z)i+Q(x,y,z)j+R(x,y,z)k 的向量函数,定义在空间曲面\Sigma 上,其物理背景是一个向量函数通过某有向曲面的总通量
第二型曲面积分具有如下形式\iint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

计算

平面上第二型曲线积分的计算

1)化为定积分
\int_LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_\alpha^\beta Px'(t)+Qy'(t)dt
2)化为第一型曲线积分
推导过程:\int_LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=\int_\alpha^\beta Px'(t)+Qy'(t)dt
=\int_\alpha^\beta \left[P\frac{x'(t)}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}}+Q\frac{y'(t)}{\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}}\right]\sqrt{x'(t)^2+y'(t)^2}dt (实际计算步骤,此处为推导的中间步骤)
=\int_L (P,Q)\overline{n}d\sigma (这就化为第一型曲线积分)
3)格林公式(化为二重积分)
条件:有界闭区域,边界是分段光滑的L 围成的,L 的方向是正向的,被积函数的各个分量在区域上有一阶连续偏导数
则有Green公式成立\oint_LPdx+Qdy=\iint_D\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}d\sigma ,将原积分化为二重积分
技巧:若不满足闭曲线的条件,可以补若干段简单的曲线;若不满足分段光滑,则将奇点挖去,算出之后再求极限

空间第二型曲线积分的计算

1)斯托克公式(化为第一型或第二型曲面积分)
\Omega 为空间某区域,\Sigma\Omega 内分片光滑的有向曲面片,L 为逐段光滑的\Sigma 的边界,其方向与\Sigma 的法向成右手系,被积函数的各个分量再区域内都具有连续的一阶偏导数,则有Stroke公式成立\oint_LPdx+Qdy+Rdz=\iint_\Sigma\left|\begin{array}{cccc} \cos\alpha\quad \cos\beta\quad \cos\gamma\\ \frac{\partial}{\partial x}\quad\frac{\partial}{\partial y}\quad \frac{\partial}{\partial z}\\ P\quad Q\quad R\quad \end{array} \right|dS =\iint_\Sigma\left|\begin{array}{cccc} dydz\quad dzdx\quad dxdy\\ \frac{\partial}{\partial x}\quad\frac{\partial}{\partial y}\quad \frac{\partial}{\partial z}\\ P\quad Q\quad R\quad \end{array} \right| ,将原积分化成第一型或第二型曲面积分

第二型曲面积分的计算

1)投影法(化为二重积分)
对于\iint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Rdxdy ,分别计算\iint_\Sigma Pdydz,\iint_\Sigma Qdzdx,\iint_\Sigma Rdxdy ,即可先计算\iint_{yOz} P(x(y,z),y,z)dydz,\iint_{zOx} Q(x,y(z,x),z)dzdx,\iint_{xOy} R(x,y,z(x,y))dxdy ,最后根据原曲面方向各自加上正负号,相加即可
2)高斯公式(化为三重积分)
空间中的区域\Omega 由分片光滑的闭曲面\Sigma 围成,被积函数的各个分量均在区域内由一阶连续偏导数,则Gauss公式成立\oint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=\iiint_\Omega\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}dxdydz
3)化为第一型曲面积分
\iint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Qdxdy=\iint_\Sigma P\cos\alpha+Q\cos\beta+R\cos\gamma dS (可推导出投影法)