diff --git a/17曲线积分.tex b/17曲线积分.tex new file mode 100644 index 0000000..3cb6d1a --- /dev/null +++ b/17曲线积分.tex @@ -0,0 +1,65 @@ +\chapter{曲线积分} +\section*{第一型曲线积分} +\begin{definition} + 设$D \in \realnum^3$是一个区域,函数$f: D \to \realnum$。光滑曲线$L \in D$,其两个端点分别记为\bvec{A}和\bvec{B}。在$L$上依次取一列点$\{\bvec{p}_i: i = 0, 1, \dots, n\}$,使得$\bvec{p}_0 = \bvec{A}, \bvec{p}_n = \bvec{B}$。称$\wideparen{\bvec{p}_{i - 1}\bvec{p}_i}$为$L$的第$i$段曲线。令$\Delta s_i = s(\wideparen{\bvec{p}_{i - 1}\bvec{p}_i})$,即$L$的第$i$段曲线的弧长。在$\wideparen{\bvec{p}_{i - 1}\bvec{p}_i}$上任取一点$\bvec{\xi}_i(i = 1, 2, \dots, n)$,如果极限 + \[\tolim{\max\{\Delta s_i\}}{0} \sum_{i = 1}^n f(\bvec{\xi}_i) \Delta s_i\] + 是一个有限数,并且其值不依赖于点\bvec{\xi}在$\wideparen{\bvec{p}_{i - 1}\bvec{p}_i}$上的选择,那就把这极限值记为 + \[\int \limits_L f(\bvec{p}) \dif x \text{或者} \int \limits_L f(x, y, z) \dif s\] + 称之为函数$f$在$L$上的第一型曲线积分。 +\end{definition} + +第一类曲线积分也具有线性性质、曲线可加性、保序性与积分估值不等式。 + +\begin{theorem} + 设区域$D \subset \realnum^3$,光滑曲线$L \subset D$,函数$f: D \to \realnum$连续。设$L$有向量参数表示$\bvec{r} = \bvec{r}(t)$,$t \in [\alpha, \beta]$,那么 + \[\int \limits_L f \dif s = \int_\alpha^\beta f \circ \bvec{r}(t) \norm{\deriv{\bvec{r}}(t)} \dif t\eqper\] +\end{theorem} + +\begin{corollary} + 设平面曲线$L$有显示表达$y = \varphi(x)$,$x \in [a, b]$,其中$\varphi$在$[a, b]$上连续,那么 + \[\int \limits_L f \dif s = \int_\alpha^\beta f(x, \varphi(x)) \sqrt{1 + \left(\deriv{\varphi}(x)\right)^2} \dif x\eqper\] +\end{corollary} + +\section*{第二型曲线积分} +\begin{definition} + 设区域$D \subset \realnum^3$,在$D$上定义了一个向量值函数$\bvec{F} = \bvec{F}(\bvec{p}), \bvec{p} \in D$。这时称\bvec{F}是在$D$上定义的一个向量场。 +\end{definition} + +同时在$D$中还应该有一条有向曲线$L$。给定它的起点和终点,就相当于给这条曲线定了方向。 + +\begin{definition} + 设$D \subset \realnum^3$是一个区域,映射$\bvec{F}: D \to \realnum^3$。可求长的有向曲线$L \subset D$,其起点记为$A$,终点记为$B$。在$L$上依从$A$到$B$的方向顺次取一列点$\{\bvec{p}_i: i = 0, 1, \dots, n\}$,使得$\bvec{p}_0 = A$,$\bvec{p}_n = B$。置$\Delta \bvec{p}_i = \bvec{p}_i - \bvec{p}_{i - 1}, i = 1, 2, \dots, n$,如果对于在$L$的弧段$\wideparen{\bvec{p}_{i - 1} \bvec{p}_i}$任取的点$\bvec{\xi}_i$,极限 + \[\tolim{\max \norm{\Delta \bvec{p}_i}}{0} \sum_{i = 1}^n \bvec{F}(\bvec{\xi}_i) \cdot \Delta \bvec{p}_i\] + 为一确定的有限数,则将这个数记为 + \[\int \limits_L \bvec{F}(\bvec{p}) \cdot \dif \bvec{p}\] + 称它是向量值函数$\bvec{F}$沿有向曲线$L$上的第二型曲线积分。 +\end{definition} + +设$L$是一条有向曲线,如果我们把它的走向颠倒过来,得出的另一条定向曲线记为$-L$,由定义可以看到 +\[\int \limits_L \bvec{F}(\bvec{p}) \cdot \dif \bvec{p} = - \int \limits_{-L} \bvec{F}(\bvec{p}) \cdot \dif \bvec{p}\eqper\] + +\begin{theorem} + 设区域$D \subset \realnum^3$,连续映射$\bvec{F}: D \to \realnum^3$。又设$L \in D$是一条有向的光滑曲线,它具有参数向量方程$\bvec{r} = \bvec{r}(t)$,$\alpha \leq t \leq \beta$,并且参数$t$的增加对应着$L$的定向,那么有 + \[\int \limits_L \bvec{F}(\bvec{p}) \cdot \dif \bvec{p} = \int_\alpha^\beta \bvec{F} \circ \bvec{r}(t) \cdot \deriv{\bvec{r}}(t) \dif t\eqper\] +\end{theorem} + +令$\bvec{p} = (x, y, z)$表示曲线$L$上的径向量,那么$\dif \bvec{p} = (\dif x, \dif y, \dif z)$。设$\bvec{F} = (P, Q, R)$,于是 +\[\bvec{F} \cdot \dif \bvec{p} = P \dif x + Q \dif y + R \dif z\] +因此第二型曲线积分又可以写成 +\begin{align*} + \int \limits_L P \dif x + Q \dif y + R \dif z = & \int_\alpha^\beta \left(P(x(t), y(t), z(t)) \deriv{x}(t) + Q(x(t), y(t), z(t)) \deriv{y}(t)\right.\\ + & ~\left. + R(x(t), y(t), z(t)) \deriv{z}(t)\right)\dif t +\end{align*} + +\begin{theorem} + 令$f \in C^1(D)$设光滑曲线$L \subset D$的起点是$A$,终点是$B$,则 + \[\int \limits_L \gra f(\bvec{r}) \cdot \dif \bvec{r} = f(B) - f(A)\eqper\] +\end{theorem} + +\section{Green公式} +对于一个闭合的曲线,我们按照下列法则给它定向:当一个人沿着这个曲线行进时,我们想要考虑的区域一直在这个人的左手边。 + +\begin{theorem}[Green定理] + 设$\Omega \subset \realnum^2$时由有限条分段光滑的曲线围成的闭区域,如果函数$P(x, y)$和$Q(x, y)$在$\Omega$上连续并且有连续的偏导数,那么就有 + \[\int \limits_{\partial \Omega} P \dif x + Q \dif y = \iint \limits_\Omega \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)\dif x \dif y\] +\end{theorem} \ No newline at end of file diff --git a/高等微积分.tex b/高等微积分.tex index c2bdb42..9e07e23 100644 --- a/高等微积分.tex +++ b/高等微积分.tex @@ -56,7 +56,7 @@ \newcommand{\dint}{\displaystyle\int} \newcommand{\bderiv}[1]{{#1}^{\prime \prime}} \newcommand{\dsum}{\displaystyle\sum} -\newcommand{\bvec}[1]{\boldsymbol{#1}} +\newcommand{\bvec}[1]{\ensuremath{\boldsymbol{#1}}} \newcommand{\brak}[1]{\left\langle {#1} \right\rangle} \newcommand{\interior}{^{\circ}} \newcommand{\compleset}{^{\mathrm{c}}} @@ -69,6 +69,9 @@ \DeclareMathOperator{\gra}{grad} \DeclareMathOperator{\diam}{diam} +\DeclareSymbolFont{ugmL}{OMX}{mdugm}{m}{n} +\DeclareMathAccent{\wideparen}{\mathord}{ugmL}{"F3} + \title{{\Huge{\textbf{高等微积分}}}} \author{} \date{} @@ -102,4 +105,5 @@ \include{14多变量函数的微分学.tex} \include{15曲面的表示与逼近.tex} \include{16多重积分.tex} + \include{17曲线积分.tex} \end{document} \ No newline at end of file