Skip to content

曲线积分、曲面积分

第一类曲线积分(线质量模型)

设空间中有曲线 Γ(t):[α,β]tΓ(t)=[x(t)y(t)z(t)].

f(x,y,z) 为定义在曲线 Γ 上的线密度,现要求曲线的质量。

  • 整体细分

    [α,β] 上引入分割 Pt:α=t0<t1<...<ti1<ti<...<tN=β.

    由此产生物理域上的分割

    P:Γ(α)=Γ(t0)<Γ(t1)<...<Γ(ti1)<Γ(ti)<...<Γ(tN)=Γ(β).
  • 局部近似

    考虑用折线段 Γ(ti)Γ(ti1) 来近似 Γ(ti1)Γ(ti) 之间的曲线段,并取 fΓ(ξi),ξi[ti1,ti] 作为等效线密度。

    则这段曲线段的质量可以近似为:

    fΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3

    因此可有总质量的近似

    i=1NfΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3,ξi[ti1,ti].
  • 引入极限

    曲线的质量为

    m=lim|Pt|0i=1NfΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3,ξi[ti1,ti].
    • 将非标准部分和转化为标准部分和

      先选取 ξi[ti1,ti],然后根据可微性可有

      Γ(ti)=Γ(ξi)+dΓdt(ξi)(tiξi)(1+o(1))Γ(ti1)=Γ(ξi)+dΓdt(ξi)(ti1ξi)(1+o(1)).

      因此考虑切线段近似

      Γ(ti)Γ(ti1)=dΓdt(ξi)(titi1)(1+o(1)),ξi[ti1,ti].

      因此求和形式可以化为

      m=lim|Pt|0i=1NfΓ(ξi)|dΓdt(ξi)|R3Δti,ξi[ti1,ti].

      根据定积分的定义,可有

      m=lim|Pt|0i=1NfΓ(ξi)|dΓdt(ξi)|R3Δti=αβfΓ(t)|dΓdt(t)|R3dt.

第一类曲线积分的极限表示

如有 fΓ(t)[α,β] 并且 dΓdt[α,β],则有

lim|Pt|0i=1NfΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3=αβfΓ(t)|dΓdt(t)|R3dt.

证明

计算

    i=1NfΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3=i=1NfΓ(ξi)[x(ti)x(ti1)]2+[y(ti)y(ti1)]2+[z(ti)z(ti1)]2=i=1NfΓ(ξi)x˙2(αi)+y˙2(βi)+z˙2(ζi)Δti,αi,βi,ζi(ti1,ti)

估计

|i=1NfΓ(ξi)x˙2(αi)+y˙2(βi)+z˙2(ζi)ΔtiαβfΓ(t)|dΓdt|R3dt||i=1NfΓ(ξi)x˙2(αi)+y˙2(βi)+z˙2(ζi)Δtii=1NfΓ(ξi)x˙2(ξi)+y˙2(ξi)+z˙2(ξi)Δti|    +|i=1NfΓ(ξi)x˙2(ξi)+y˙2(ξi)+z˙2(ξi)ΔtiαβfΓ(t)|dΓdt|R3dt|

上式中

RHS2<ϵ,|Pt|<δϵRHS1i=1N|fΓ(ξi)| |x˙2(αi)+y˙2(βi)+z˙2(ζi)x˙2(ξi)+y˙2(ξi)+z˙2(ξi)|Δtii=1N|fΓ(ξi)|[|x˙(αi)x˙(ξi)|+|y˙(βi)y˙(ξi)|+|z˙(ζi)z˙(ξi)|]Δtisupt[α,β]|fΓ(t)|i=1N[|x˙(αi)x˙(ξi)|+|y˙(βi)y˙(ξi)|+|z˙(ζi)z˙(ξi)|]Δti=supt[α,β]|fΓ(t)|[Ω(x;Pt)+Ω(y;Pt)+Ω(z;Pt)]<3supt[α,β]|fΓ(t)|ϵ,|Pt|<min{δϵx,δϵy,δϵz}

因此有

lim|Pt|0i=1NfΓ(ξi)|Γ(ti)Γ(ti1)|R3=αβfΓ(t)|dΓdt(t)|R3dt.

第二类曲线积分(做功模型)

F(x,y,z) 为定义在曲线上的力,现要求力 F 从曲线的一端到另一端所做的功。对局部作 “均匀化” 假设,即

  • 以直线段 Γ(ti)Γ(ti1) 近似局部的路径;
  • FΓ(ξi) 作为整个局部路径的力。

则有

Wi=FΓ(ξi)·[Γ(ti)Γ(ti1)],i=1,2,...,N.

故有

i=1NWi=i=1NFΓ(ξi)[Γ(ti)Γ(ti1)].

取其极限形式,有

lim|Pt|0i=1N=lim|Pt|0i=1NFΓ(ξi)[Γ(ti)Γ(ti1)].

需将上式标准化,即需处理 Γ(ti)Γ(ti1).

用切线段近似,则有

Γ(ti)Γ(ti1)=Γ˙(ξi)Δti.

代入部分和表达式,有

lim|Pt|0i=1NFΓ(ξi)[Γ(ti)Γ(ti1)]=lim|Pt|0i=1NFΓ(ξi)·Γ˙(ξi)Δti.

因此定义

αβ(FΓ(t),dΓdt(t))R3dt=lim|Pt|0i=1NFΓ(ξi)·Γ˙(ξi)Δti.

第二类曲线积分的极限表示

如有 FΓ(t)[α,β] 并且 dΓdt[α,β],则有

lim|Pt|0i=1N(FΓ(ξi),[Γ(ti)Γ(ti1)])R3=αβ(FΓ(t),dΓdt(t))R3dt.

证明

i=1N(FΓ(ξi),[Γ(ti)Γ(ti1)])R3=i=1N[F1Γ(ξi)·x˙(αi)+F2Γ(ξi)·y˙(βi)+F3Γ(ξi)·(˙ζi)]Δti.

估计

|i=1N[F1Γ(ξi)·x˙(αi)+F2Γ(ξi)·y˙(βi)+F3Γ(ξi)·(˙ζi)]Δtiαβ(FΓ(t),dΓdt(t))R3dt||i=1N[F1Γ(ξi)·x˙(αi)+F2Γ(ξi)·y˙(βi)+F3Γ(ξi)·(˙ζi)]Δtii=1N[F1Γ(ξi)·x˙(ξi)+F2Γ(ξi)·y˙(ξi)+F3Γ(ξi)·(˙ξi)]Δti|+|i=1N[F1Γ(ξi)·x˙(ξi)+F2Γ(ξi)·y˙(ξi)+F3Γ(ξi)·(˙ξi)]Δtiαβ(FΓ(t),dΓdt(t))R3dt|.

右端第二项满足

RHS2ϵ,|Pt|<δϵ.

采取和第一类曲线积分同样的手法,可估计得

RHS1sup[α,β]|F1Γ(t)|Ω(x(t);Pt)+sup[α,β]|F2Γ(t)|Ω(y(t);Pt)+sup[α,β]|F3Γ(t)|Ω(z(t);Pt).

故有

RHS1<3ϵ,|Pt|<δϵ.

综上即可得到结论。

曲面上的积分

R3 空间中有曲面,其向量值映照表示为

Σ=Eλμ[λμ]Σ(λ,μ)=[x(λ,μ)y(λ,μ)z(λ,μ)]R3.

第一类曲面积分(面质量模型)

f(x,y,z) 为定义在曲面上的面密度(单位面积上的质量现要求曲面的质量。

  • 整体细分

    Σ 的定义域(不妨设为矩形) Eλμ=[a,b]×[c,d] 上引入分割

    Pλ:a=λ0<λ1<...<λi1<λi<...<λM=bPμ:c=μ0<μ1<...<μi1<μi<...<μN=d.

    由此形成参数域 Eλμ 上的规则分割

    Eλμ=i=1Mj=1NIij.

    由曲面 Σ 的向量值映照, Pλ,Pμ 分割即对应物理区域(曲面)上的分割。

  • 局部近似

    考虑以物理域上的 AB×CD 近似替代曲面的某一部分的面积。

    A,B,C,D 在参数域上分别对应 (λi1,μj1),(λi,μj1),(λi,μj),(λi1,μj).

    则有

    AB=rBrA=Σ(λi,μj1)Σ(λi1,μj1)=Σλ(λi1,μj1)Δλi(1+o(1)).AD=rDrA=Σ(λi1,μj)Σ(λi1,μj1)=Σμ(λi1,μj1)Δμi(1+o(1)).

    故有

    AB×CD=(Σλ×Σμ)(λi1,μj1)ΔλiΔλj.

    另特取 (ξi,ηj)Iij=[λi1,λi]×[μj1,μj],以 fΣ(ξi,ηi) 来表示曲面 AB×CD 上的等效面密度。则此部分的质量为

    mij=fΣ(ξi,ηi)|Σλ×Σμ|R3(λi1,μj1)ΔλiΔλj.

    求和可得总质量

    m=i=1Mj=1NfΣ(ξi,ηi)|Σλ×Σμ|R3(λi1,μj1)ΔλiΔλj.
  • 引入极限,即

    lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1Nmij=lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1NfΣ(ξi,ηi)|Σλ×Σμ|R3(λi1,μj1)ΔλiΔλj.
  • 将非标准部分和转化为标准部分和

    另有方案:考虑先选取 (ξi,ηj)Iij=[λi1,λi]×[μj1,μj],并用该点的切平面来近似曲面。

    mij=fΣ(ξi,ηj)|Σλ×Σμ|R3(ξi,ηj)ΔλiΔμj.

    求和,取极限,根据重积分的定义,有

    m=lim|Pλ×Pμ|0fΣ(ξi,ηj)|Σλ×Σμ|R3(ξi,ηj)ΔλiΔμj=EλμfΣ(λ,μ)|Σλ×Σμ|R3(λ,μ)dλdμ.

第一类曲面积分的极限表示 —— 基于切平面近似

如有 fΣ(λ,μ)(Eλμ),Σλ(λ,μ),Σμ(λ,μ)(Eλμ),则有

lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1NfΣ(ξi,ηj)|Σλ×Σμ|R3(λi1,μj1)ΔλiΔμj=EλμΣ(λ,μ)|Σλ×Σμ|R3(λ,μ)dλdμ.

证明从略。

第一类曲面积分的极限表示 —— 基于平面近似

如有 fΣ(λ,μ)(Eλμ),Σλ(λ,μ),Σμ(λ,μ)(Eλμ),则有

lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1NfΣ(ξi,ηi)|[Σ(λi,μj1)Σ(λi1,μj1)]×[Σ(λi1,μj)Σ(λi1,μj1)]|=EλμΣ(λ,μ)|Σλ×Σμ|R3(λ,μ)dλdμ.

证明从略。

第二类曲面积分(通量模型)

设有曲面 ΣR3 上的向量场,其向量值映照表示为

V:Σ[xyz]V(x,y,z)=[PQR](x,y,z)R3.

第二类曲线积分的极限表示 —— 基于切平面近似

如有 VΣ(λ,μ)(Eλμ) 并且有 Σλ(λ,μ),Σμ(λ,μ)(Eλμ),则有

lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1NVΣ(ξi,ηj)·(Σλ×Σμ)(λi1,μj1)ΔλiΔμj=EλμVΣ(λ,μ)·(Σλ×Σμ)(λ,μ)dλdμ.

第二类曲线积分的极限表示 —— 基于平面近似

如有 VΣ(λ,μ)(Eλμ),并且有 Σλ(λ,μ),Σμ(λ,μ)(Eλμ),则有

lim|Pλ×Pμ|0i=1Mj=1NVΣ(ξi,ηi)·[(Σ(λi,μj1)Σ(λi1,μj1))×(Σ(λi1,μj)Σ(λi1,μj1))]=EλμVΣ(λ,μ)·(Σλ×Σμ)(λ,μ)dλdμ.

上面这两个定理的证明与前面的证明类似,只需注意到以下表达式即可:

|(a,b)R3(a,c)R3||ab|R3|c|R3.

标量场数乘单位法向量的积分

公式类似第二类曲面积分,只不过要把前面的矢量 VΣ 变为标量 pΣ,这对应的是压力作用模型(压力 = 压强 × 面积