8.3 习题课讲解

8.3.1 第一型曲线和曲面积分

例 8.3.1 (例1) 设γ为椭圆x24+y23=1,其周长记为L 。求∮γ(2xy+3x2+4y2)dl。

解1 椭圆γ的方程可写成3x2+4y2=12,于是(1)∮γ(2xy+3x2+4y2)dl=∮L(12+2xy)dl=12L+∮γ2xydl 由对称性,∮γ2xydl=0。故∮γ(2xy+3x2+4y2)dl=12L。 ◻

解2 椭圆γ的参数方程为(2)x=2cos⁡θ, y=3sin⁡θ,θ∈[0,2π] 于是(3)dl=4sin2⁡θ+3cos2⁡θdθ,L=∫02π4sin2⁡θ+3cos2⁡θdθ 所求第一型曲线积分为(4) ∮γ(2xy+3x2+4y2)dl=∫02π[2cos⁡θ⋅3sin⁡θ+3(2cos⁡θ)2+4(3sin⁡θ)2]4sin2⁡θ+3cos2⁡θdθ=∫02π[23cos⁡θsin⁡θ+12]4sin2⁡θ+3cos2⁡θdθ=12L+32∫02πsin⁡2θ7−cos⁡2θdθ=12L ◻

例 8.3.2 (例2) 计算螺旋面S:x=rcos⁡φ, y=rsin⁡φ, z=rφ的面积,其中0≤r≤R, 0≤φ≤2π。

解1 计算可得(5)vr=(cos⁡φsin⁡φφ), vφ=(−rsin⁡φrcos⁡φr),{E=vr⋅vr=1+φ2G=vφ⋅vφ=2r2F=vr⋅vφ=rφ 因此(6)|S|=∫SdS=∫02πdφ∫0REG−F2dr=∫02π2+φ2dφ∫0Rrdr=R22[2+4π2+ln⁡(2π+1+2π2)] ◻

解2 利用(7)dS=det[(∂(x,y,z)∂(r,φ))T(∂(x,y,z)∂(r,φ))]drdφ ◻

例 8.3.3 (例3) 求圆柱面x2+y2=R2被拋物柱面z=R2−x2及平面z=0 所截部分S的侧面积(图8.3.1)。

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图 8.3.1: 例3示意图

解1(利用第一类曲线积分的几何意义) 把S看成定义在平面圆周L:x2+y2=R2上的函数z=R2−x2的图像到曲线L之间的柱面(图8.3.1中深蓝色部分),计算可得(8)|S|=∫L(R2−x2)dl=∫02π(R2−R2cos2⁡t)Rdt=πR3 ◻

解2(第一类曲面积分) 曲面在柱坐标系下的参数方程为(9)x=Rcos⁡t, y=Rsin⁡t, z=sR2sin2⁡t,0≤t≤2π, 0≤s≤1 计算可得(10)vt=(−Rsin⁡tRcos⁡tsR2sin⁡2t), vs=(00R2sin2⁡t),{E=R2+s2R4sin2⁡2tG=R4sin4⁡tF=sR4sin⁡2tsin2⁡t 因此(11)dS=EG−F2dtds=R3sin2⁡tdt 于是(12)|S|=∫2πR3sin2⁡tdt=πR3 ◻

解3(第一类曲面积分) 由对称性,只求曲面在y>0的部分,此时曲面可以看成函数y=z(x,y)=R2−x2的图像,定义域为{(x,z)∣0≤z≤R2−x2}。计算可得(13)|S|=∫SdS=2∫0≤z≤R2−x21+∥∇y∥2dxdz=2∫−RRdx∫0R2−x21+(xR2−x2)2dz=4R∫0RR2−x2dx=4R3∫0π2sin2⁡tdt=πR3 ◻

8.3.2 第二型曲线积分

例 8.3.4 (star) 计算:(14)I=∫L+(y2dx+z2dy+x2dz) 其中L+是曲线{x2+y2+z2=a2x2+y2=ax(z≥0,a>0),从x轴正方向看去为逆时针方向。

证明 首先需要利用对称性。观察到曲线L关于Oxz平面对称,在对称点上y2dx(以及x2dz)大小相等、符号相反(见图 8.3.2),故有(15)∫L+y2dx=∫L+x2dz=0

xyOdxdxdydydzdz

图 8.3.2: 曲线L的对称性示意图

其次,本题的关键在于选择合适的曲线参数化方式。一种自然的想法是利用x2+y2=ax⟹(x−a2)2+y2=(a2)2,故可取(16)x=a2(1+cos⁡θ)=acos2⁡θ2, y=a2sin⁡θ, z=a2−ax=a|sin⁡θ2|,θ∈[0,2π] 计算可得(17)I=∫L+z2dy=∫02πa2sin2⁡θ2⋅a2cos⁡θdθ=−π4a3

另一种想法是利用球坐标,即(18){x=asin⁡θcos⁡φy=asin⁡θsin⁡φz=acos⁡θ,x2+y2=ax⟺sin⁡θ=cos⁡φ,−π2≤φ≤π2 因此曲线可参数化为(19){x=acos2⁡φy=acos⁡φsin⁡φz=a|sin⁡φ|,−π2≤φ≤π2 其余计算过程与前述相同。 ◻

例 8.3.5 (例4) 设C:|x|+|y|=2为正向闭曲线,计算:(20)∮Caxdy−bydx|x|+|y|

解 原积分可化为(21)I:=∮Caxdy−bydx|x|+|y|=12∮C(axdy−bydx) 分四段进行积分可得(22)I=12∫20[axd(2−x)−b(2−x)dx]+12∫0−2[axd(2+x)−b(2+x)dx]+12∫−20[axd(−2−x)−b(−2−x)dx]+12∫02[axd(−2+x)−b(−2+x)dx]=(a+b)+(a+b)+(a+b)+(a+b)=4(a+b) ◻

例 8.3.6 (例5,star) 求(23)I=∮γ[(y2−z2)dx+(z2−x2)dy+(x2−y2)dz] 其中γ是球面片x2+y2+z2=1,(x,y,z≥0)的边界曲线,绕向量(1,1,1)T按右手定则旋转。

解 利用Stokes公式并不是一个好的做法,因为3段积分曲线分别在3个坐标平面上,直接计算并不麻烦。利用x,y,z的轮换对称性可得(24)∫γx(z2dy−y2dz)=∫γy(x2dz−z2dx)=∫γz(y2dx−x2dy) 其中γx,γy,γz分别为γ在坐标平面x=0,y=0,z=0的部分。对于γz:θ↦(cos⁡θ,sin⁡θ),0≤θ≤π2,计算可得(25)I3=∫0π/2(sin2⁡θdcos⁡θ−cos2⁡θdsin⁡θ)=−43⟹I=−4 ◻

例 8.3.7 (例6) 设f∈C1[1,4],f(1)=f(4),γ为xy直角坐标平面的第一象限中由直线y=x、y=4x和曲线xy=1、xy=4在所围成的平面有界区域D的正向边界(图8.3.3),计算(26)∮γf(xy)ydy

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图 8.3.3: 例6示意图

解 边界曲线γ1:x=y, 1≤y≤2:(27)∫γ1f(xy)ydy=∫12f(y2)ydy 边界曲线γ2:x=4y, 2≤y≤4:(28)∫γ2f(xy)ydy=∫24f(4)ydy=f(4)ln⁡42=f(1)ln⁡2 边界曲线γ3:x=y4, y:4→2:(29)∫γ3f(xy)ydy=∫42f(y24)ydy=−∫24f(y24)ydy=u=y/2−∫12f(u2)udu 边界曲线γ4:x=1y, y:2→1:(30)∫γ4f(xy)ydy=∫21f(1)ydy=−f(1)ln⁡2 所以(31)∮∂Df(xy)ydy=0 这个证明只需要f连续。 ◻

例 8.3.8 (例9) 设f(x)是正值连续函数,D为圆心在原点的单位圆,∂D为D的正向边界,证明:

(1)

∮∂D[xf(y)dy−yf(x)dx]=∮∂D[−yf(x)dx+xf(y)dy]

(2)

∮∂D[xf(y)dy−yf(x)dx]≥2π

解 (1) 在第二型曲线曲面积分中,换元(x,y)↦(y,x)的行列式为−1,这导致曲线、曲面定向发生改变,所以(32)∮∂D[xf(y)dy−yf(x)dx]=∮−∂D[yf(x)dx−xf(y)dy]=−∮∂D[yf(x)dx−xf(y)dy]=∮∂D[−yf(x)dx+xf(y)dy]

(2) 由(1)的证明知(33)∮∂D[xf(y)dy−yf(x)dx]=12∫D[f(x)+f(y)+1f(x)+1f(y)]dxdy≥12∫D4f(x)f(y)1f(x)1f(y)4dxdy=2π ◻

例 8.3.9 (例10,star) 设在上半平面D={(x,y)∣y>0}内,函数f:R2→R2具有连续偏导数,且对任意的t>0都有f(tx,ty)=t−2f(x,y)。证明:对D内的任意分段光滑的有向简单闭曲线L,都有(34)I=∮L[yf(x,y)dx−xf(x,y)dy]=0

证明 不妨设L为自然正向,记L围成的区域为Ω。由于L在上半平面内,故有(35)f(x,y)=f(xy⋅y,y)=1y2f(xy,1) 因此(36)I=∮L[1yf(xy,1)dx−xy2f(xy,1)dy]=∮Lf(xy,1)dxy 设f(⋅,1)的原函数为F,则有(37)I=F(xy)|AB=A=0 这个证明只需f(⋅,1)连续。 ◻