三重积分求质量,四重积分求重力...
普通对称性:假设 关于 面对称,则
x, z 不动,关于 y 为偶函数
直角坐标系(投影穿线法):后积先定限,限内画条线,先交写下限,后交写上限
用二重积分方法
均有一阶连续偏导数
三换(积分区域,积分上下限,被积函数)
快速求
对于空间物体,若体密度为 ρ(x,y,z),Ω 是物体所占的空间区域,则计算该物体对物体外一点 M0(x0,y0,z0) 处的质量为 m 的质点的引力 (Fx ,Fy,Fz) 公式为
概念:分割,近似,求和,去极限(类似于在弧线上定义线密度,所以和一重积分具有相同的性质)
理解为求空间曲线的质量,其中f(x,y)为线密度
物理意义为求质量,也可理解为求该曲面的面积
空间曲线
人为规定微元是否大于0
代入性质(因为只有边界,所以等式可往里面代),二重积分和三重积分没有(因为是区域)
柱坐标
轮换
概念:分割,近似,求和,取极限,用于求解曲面的质量(类似于在曲面上定义面密度,所以和二重积分具有相同的性质)
普通对称性
轮换对称性
注:曲面积分是dS,曲线积分是ds
注意:这里的“一投”不能是多值函数(多值函数投影之后有重合,不能进行判断),比如以下的椭圆往xOy面投,对于xoy平面划线上去就是多值函数,只能使用拆分法,拆成两个部分,分别投影,怎么拆?(例如本例:找到切面的法向量全部垂直于z轴的平面)
将平面方程和曲面积分结合
将曲面积分化为了二重积分
变力沿曲线做功(水平方向力做的功与垂直方向做的功)
概念:第二型曲线积分的被积函数 定义在平面有向曲线 L 上,其物理背景是变力在平面曲线L 上从起点移动到终点所做的总功:
因为第二型曲线积分是一个向量函数和有向曲线的积分,所以计算方法不一致
最根本的是画图看是做正功还是负功,当不容易判断奇偶性的时候,不要忘记回归做功是怎么来的
若微元是dx,则看被积分有x,这个时候就是偶倍奇零;若微元是dy,则看被积分有x,这个时候就是偶零奇倍
若微元是dx,则看被积分有y,这个时候就是偶零奇倍;若微元是dy,则看被积分有y,这个时候就是偶倍奇零
这里说明为什么积分会是dx+dy,在向量中位移ds=dx+dy,既有距离又有方向
格林公式(将边界问题转换为二重积分,即边界->内部)
封闭,连续偏导数,正方向(左手边总是往边界内靠近)
回忆第十五讲,全微分
注意:格林公式转换为二重积分之后就不能直接代入原来的等式,因为这是涉及到内部,而不是边界
这类问题要注意前提(无旋场),其次解决这类问题寻找一个,使得奇点的那个很小的区域等于或者(灵活多变的)
平面曲线的积分与路径无关(无旋场),即位移为0做功为0
条件
简单回顾一下向量场的概念。如果Ω上的每一点M(x,y,z)都对应着一个向量F,则在Ω上就确定了一个向量函数,它表示一个向量场。向量函数通过曲面Σ的通量(比如电场中的电通量,磁场中的磁通量,或者某流体的流量)为
第二型曲面积分的被积函数 定义在光滑的空间有向曲面 上,其物理背景是向量函数 通过曲面 的通量:
由此可以看出,第二型曲面积分是一个向量函数通过某有向曲面的通量(无几何量可言)。
磁通量流入等于流出
对称性:事实上没有,只是看磁通量流入和流出共同作用的效果
分析方法和第二类曲线积分一致,只不过曲面涉及的是三维
例如:设 关于 xOy 面对称,被积函数关于 z 有奇偶性。
分别投影到相应坐标轴上(和第一型曲面积分一样,投影不能有重合的点),如果投影是一条线,则积分为0(投到哪个面,只是说明在这个面的分量是多少)
分解为三个坐标面的有向投影,所以这就是为什么需要把三个拆分开来,观察微元是dxdy还是dydz等,就可直接投到哪个平面,从而就知道计算的是这个平面相应得到的分量
根据高中物理:磁通量等于磁感应强度面积,即BS,因为这里面积不一致,所以根据微元法,即Bds,而我们需要将ds拆成三个不同的坐标面的投影,从而可以得到相应的分量(联系合力与分力);上述的F可以理解为B,根据第十七讲,曲面对求偏导有相应的切平面,知道切平面之后可直接得到切平面的法向量(而这法向量也就是梯度),从而将法向量单位化,就可得到单位向量,比如,联系第十三讲偏导数求导,可得:,(当上侧为正,取“+”;下侧为正,取“-”),同理对于,有:(左正右负,不是绝对的);对于,有:(前正后负),(补充:这里为什么是求偏导,这是从曲面到坐标平面的 “映射”,存在一个测度转换的问题,自然也就是需要通过雅可比行列式进行关联)
关于为什么这里偏导数是负号,回到第十七讲,
其实和上述的转换投影法没什么区别,还是依旧求偏导,然后观察微元是dxdy,所以投影到xOy平面,那么要将dydz中的dz转换为dx,不就是(注意看曲面表达式),同理dzdx也是一样的,而方向是题目规定的
具体证明(投影到xOy面,dS等于多少?回到上面的拆分法)
有了上述的理解而不去看证明之后,观察下题目(盯准要投到dxdy,故我们只需要将dydz,dxdz换成dxdy,z代换z(x,y),使用对称性)
高斯公式是格林公式的推广,因而也和格林公式一样,都是将边界问题转化为内部问题,所以这个时候我们不能直接代入等式了
封闭曲面,有奇点在其内部,且除奇点外
divF=0(无源场),可换个面积分.(边界无须与原曲面重合)
简而言之,就是空间曲面边界的曲线上的积分,可以转换为内部的积分
还可归结为做功问题