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
设
整体细分
在
上引入分割 . 由此产生物理域上的分割
局部近似
考虑用折线段
来近似 与 之间的曲线段,并取 作为等效线密度。 则这段曲线段的质量可以近似为:
因此可有总质量的近似
引入极限
曲线的质量为
将非标准部分和转化为标准部分和
先选取
,然后根据可微性可有 因此考虑切线段近似:
因此求和形式可以化为
根据定积分的定义,可有
第一类曲线积分的极限表示
如有
证明
计算
估计
上式中
因此有
第二类曲线积分(做功模型)
设
- 以直线段
近似局部的路径; - 取
作为整个局部路径的力。
则有
故有
取其极限形式,有
需将上式标准化,即需处理
用切线段近似,则有
代入部分和表达式,有
因此定义
第二类曲线积分的极限表示
如有
证明
估计
右端第二项满足
采取和第一类曲线积分同样的手法,可估计得
故有
综上即可得到结论。
曲面上的积分
设
第一类曲面积分(面质量模型)
设
整体细分
在
的定义域(不妨设为矩形) 上引入分割 由此形成参数域
上的规则分割 由曲面
的向量值映照, 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
近似替代曲面的某一部分的面积。 设
在参数域上分别对应 . 则有
故有
另特取
,以 来表示曲面 上的等效面密度。则此部分的质量为 求和可得总质量
引入极限,即
将非标准部分和转化为标准部分和
另有方案:考虑先选取
,并用该点的切平面来近似曲面。 求和,取极限,根据重积分的定义,有
第一类曲面积分的极限表示 —— 基于切平面近似
如有
证明从略。
第一类曲面积分的极限表示 —— 基于平面近似
如有
证明从略。
第二类曲面积分(通量模型)
设有曲面
第二类曲线积分的极限表示 —— 基于切平面近似
如有
第二类曲线积分的极限表示 —— 基于平面近似
如有
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:
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