Part 7 曲線積分

2022-04-19 19:11:06 字數 4180 閱讀 7648

分割,取近似,作和,取極限。

極限存在,與分割法無關

空間曲線弧長;加權(線密度)的平面(權連續的)曲線。

總結成一般的點函式形式\(\int_}f(p)\,\mathrm ds=\lim\limits_\sum\limits_^nf(p_i)\delta s_i\)

\(\sum\limits_^n|m_-m_k|\)的上確界

分段光滑曲線(可分為有限段光滑曲線)是可求長的。

(可積性)

物質曲線的質量 空間柱面(將質量的值在新一維展開)

連續函式:在某個包含l的區域上連續

這個是定積分的自然延伸。

利用弧微分可以化為一次積分:

以下類似地我們可以給出:

有界分片(有限個數的間斷點)曲面塊上光滑。

由於是等式關係,可以解出第三個元素,化成二重積分

引入:變力沿平面曲線做功。

也可以用一型曲線積分表示

定義(輕概念理論?)

方法的尋找思路:

"功"的對稱性:時常發生力反方向不反或者方向反力不反從而抵消。

\(\overrightharpoon\cdot(\delta x_i, \delta y_i, \delta z_i)\sim \overrightharpoon(x'(t_i), y'(t_i), z'(t_i))\delta _i=(p, q, r)\cdot (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma)\cdot\,\mathrm ds=(p\cos\alpha+q\cos\beta+r\cos\gamma)\sqrt\delta t_i\),其中\(s_i\)是有向線段。

看邊界由幾條曲線構成

規定:路徑在左邊的走法是正向

運用newton-leibniz

\[\iint\limits_\frac\,\mathrm dx\,\mathrm dy=\int_a^b\mathrm dx\int_^\frac\,\mathrm dy=\int_a^b[p(x, y_2(x))-p(x, y_1(x))]\,\mathrm dx

\]對區域邊界的重積分進行線性加和

\[\oint_p\,\mathrm dx=\int_a^bp(x, y_1(x))\,\mathrm dx+\int_b^ap(x,y_2(x))\,\mathrm dx=-\int_a^b[p(x, y_2(x))-p(x, y_1(x))]\,\mathrm dx

\]對比即得。

為什麼\(\frac\)帶符號?因為p是x的對應係數。而x增大的一條邊的y值較小。想要y由小到大,必須這麼幹。

格林公式還給我們指出了提出\(\mathrm dy, \mathrm dx\)後的符號變化原則,即提\(x\)不變號,提\(y\)取負號。

\[\frac=\mathrm d\arctan \big(\frac\big)=\mathrm d\theta

\]經由這個式子的分子我們可以求算封閉曲線圍成的面積,這個式子。但在這個封閉曲線中不包括(0, 0)這個極點(恰巧也是我們這個函式的奇點)的話,由極座標的觀點,我們不難看出,在轉一圈的過程當中,兩次掃過這個封閉曲線圍成的面積。一次極軸長對應正,一次對應負。兩相抵消。

這個結論我們也可以通過格林公式進行驗證。

\[\frac=\frac=\frac\]即

\[\frac-\frac=0

\]若包含了原點的話,繞一圈可以得到\(2\pi\)

關於求面積,只是構造出歸一化結構而已。\(y\,\mathrm dy-y\,\mathrm dx\)

格林公式的切向向量\((\cos\alpha, \cos\beta)\)作變化

\[(\cos\alpha+i\cos\beta)\cdot (-i)=(\cos\beta-i\cos\alpha)

\]得到法向向量\((\cos\beta, -\cos\alpha)\),再做類似的數學推導得到散度公式。

\[\oint_\overrightarrow\cdot \overrightarrow\,\mathrm ds=\iint_d\left(\frac+\frac\right)

\,\mathrm d\sigma\]

由此我們利用方向導數的知識,對\(u(x,y)\in c^2(d)\)有

\[\frac}=\left(\frac,\frac\right)\cdot\overrightarrow

\]還可以得到

\[\oint_l \frac}\,\mathrm ds=\iint_d\delta u\,\mathrm d\sigma

\]

其中的一步變化是利用散度的格林公式,對兩維均取偏導且為正,\(\frac+\frac=\delta u\)

必要性:由於與積分路徑無關,我們構造只關心起終點的輔助函式

\[u(x,y)=\int_^p\,\mathrm dx+q\,\mathrm dy

\]\[u(x_1+\delta x, y_1)-u(x_1, y_1)\\=\int_^p\,\mathrm dx+q\,\mathrm dy=\int_^p(x,y_1)\,\mathrm dx

\]從而我們得到

\[\frac=p

\]同理可得\(\partial y\),隨後發現可湊微分

充分性:先已知可湊微分。

對於\[\int_}p\,\mathrm dx+q\,\mathrm dy=\int_\alpha^\beta\big(p(x(t),y(t))x'(t)+q(x(t), y(t)y'(t)\big)\,\mathrm dt\\=\int_\alpha^\beta\left(\fracx'(t)+\fracy'(t)\right)\,\mathrm dt=u(x(t), y(t))\big|_\alpha^\beta=u(b)-u(a)

\]先說明無關,然後用

偏積分,湊微分

(ljm例1)

求\[\frac

\]求解時可由\(\frac=\,\mathrm d\arctan\left(\frac\right)=\,\mathrm d\theta\).

(北大p77)求曲線積分\(\oint_\frac\),其中\(l^+\)為光滑的閉曲線。

考慮格林公式的奇點,由於原點處無定義,所以若要使用格林公式,區域不應包括原點。分類討論:

若不包含原點,可以用格林公式得出結果為零。

若包含原點,那麼挖去內心後,內外兩環都是包圍的面積,而內層的是易解的,為\(2\pi\)故外層亦得。

通量是很直觀的封閉面的進出

\[\iint\limits_\overrightarrow\cdot \overrightarrow\,\mathrm ds

\]散度進行了數學優化,在一般情況下也可以求解。大致反映了場密度。

\[\begin

}\,\overrightarrow&=\lim\limits_\frac\oiint_\overrightarrow\cdot \overrightarrow\,d s\\

&=\frac+\frac+\frac\end

\]物理意義是封閉曲面的通量對體積的平均(打散了的密度)。

\[\begin&\lim\limits_\frac\oint_\gamma\overrightarrow\cdot\overrightarrow\,\mathrm d\ell\\

=&\iint_\omega\left(\left(\frac-\frac\right)\,\mathrm dy\,\mathrm dz+\left(\frac-\frac\right)\,\mathrm dz\,\mathrm dx+\left(\frac-\frac\right)\,\mathrm dx\,\mathrm dy\right)

\\=&\oint_(p\,\mathrm dx+q\,\mathrm dy+r\,\mathrm dz)\\

\end\]

它的值和

\[\left|\begin

i&j&k\\\\

\frac&\frac&\frac\\\\

p&q&r

\end\right|

\]相同,

這正是乙個上凸曲面的stokes公式的行列式,利用格林公式的思想可以想見,這個積分轉化成邊界的第二型曲線積分。

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