本次讲座的内容是多元函数的积分,主要包括二重积分、三重积分、曲线积分与曲面积分。多元函数积分的计算其实相对来说思路还是比较固定的!按照固定的思路探索可能的求解思路,一般都能得到可能的求解方法。但是,对于得到的计算公式,对积分区域都有相对特定要求,都适用于简单类型的积分区域,那么对于每个类型的积分区域什么样的积分区域是简单的区域呢?另外,在解决相关的计算时,有时候还需要借助一些计算性质来简化、转换积分模型,那么都有什么样的计算性质需要理解和掌握呢?这就是咱们今天重点关注的内容。讲座分为三个主题:
积分区域的分类与积分的基本计算法
积分区域的对称性与积分的计算性质
多元函数积分计算的一般思路与方法
(1) 简单 X-型区域
如果将整个平面区域投影到 轴上,得到一个投影区间,比如记作 ,如果在区间内,注意,是内部,不包括区间端点!任意取点 ,做与 轴同向的直线穿过区域,如果直线进入区域的点,也就是与区域的下交点,不管 在任何位置,都位于一个关于 的函数表达式描述的曲线上;而穿出的交点,同样位于可以用一个关于 的函数表达式描述的曲线上,则该区域为简单-型区域。简单地说,简单 -型区域,就是可用统一的关于 的函数表达式,分段函数不行啊,描述的上下两条边界曲线围成的积分区域。它可以用不等式表示为
在简单 -型的积分区域上二重积分的计算,
也就是先对 求定积分,积分上、下限分别是上边界曲线关于 的函数表达式和下边界曲线关于 的函数表达式;在计算这个定积分的时候, 变量是常数!在计算出这个定积分以后,在将它作为关于 积分的被积函数,然后在区间 上关于 求定积分。注意的是,关于 求完积分后,积分结果中一定不包含积分变量 和 了。
如果积分区域不是 -型区域,则一般可以借助于平行于 轴的直线,将区域分割为一些 X-型区域的并!分割线,一般是通过上、下边界曲线用不同函数描述时的曲线的交点位置,平行于 轴的直线。对于这样的区域,只要基于二重积分对积分区域的可加性,也就可以转换为 -型的子区域上分别来计算,最终的积分就是各个子区域上的积分的和。
(2) 简单 -型区域
如果积分区域可以用定义在,积分区域在 轴上的投影区间 上的,左右两条可用统一的关于 的函数表达式描述的两条边界曲线围成,则这样的区域为简单-型区域。它可以用不等式描述为
在这样的 -型区域上计算二重积分,也就等于先关于 求定积分,定积分的下限为描述左边界曲线关于 的函数表达式,上限为描述右边界曲线的关于 变量的函数表达式。计算过程中 是常数。然后将计算出来的结果,关于 变量在区间 上求定积分。
同样,如果用平行于 轴的直线可以将非 -型区域分割为一些 -型区域的并,则整体区域上的积分最终等于各 -型子区域上求二重积分,再求和就可以了。
2、极坐标系下平面区域的分类
类似于直角坐标系下对区域的分类,把极坐标系下的平面区域分为 -型区域和 -型区域!
(1) 简单 -型区域
拉着 正半轴逆时钟方向旋转,记 轴与区域第一次接触的位置, 轴转过的角度为 ,连续在积分区域内扫描经过区域,记最后离开的位置, 轴转过的角度为 ,得到积分区域关于极角变量 的范围 。
在 的范围内,开区间内任意取角度 ,做从原点出发的射线穿过积分区域,如果射线进入积分区域的边界点,入点,不管 取什么值,都位于可以用极角 的一个函数表达式描述的曲线上,如 ,称为内边界曲线;穿出射线穿出积分区域的边界点,出点,不管 取什么值,也都位于可以用极角 的一个函数表达式描述的曲线上,如 ,外边界曲线,则这样的区域在极坐标系下称为简单 -型区域。它可以用不等式表示为
在这样的积分区域上对函数 求二重积分的累次基本表达式为
极坐标系下计算二重积分的步骤分为两步:
第一步:利用直角坐标与极坐标的关系式,将所有的边界曲线方程转换为极坐标方程,将被积函数转换为极坐标变量表示,然后确定积分区域为 区域;
第二步: 计算两次定积分。同时被积函数除了原来的被积函数转换得到的极坐标变量描述的式子外,还多了一个乘项,,这个不能漏掉了!然后先对 求定积分,下限为内边界曲线关于角度 的函数表达式,上限为外边界曲线关于角度 的函数表达式;计算过程中, 是常数,计算出来后,将结果作为被积函数,再在 的范围上关于 变量求定积分。
如果积分区域不是 型区域,则尝试用 取值范围内的射线分割积分区域,如果可以将它分割为一些 型区域的并,则分别在各 型子区域上面利用这里的极坐标二重积分计算公式计算二重积分,最后整体区域上的积分等于各子区域上的积分和。
(2) 简单 -型区域
类似地有极坐标系下的 -型区域。如果用以原点为圆心,半径从 开始不断增大的圆扫描整个平面区域,记这样的圆第一次与区域接触时圆的半径为 ,从积分区域内一直扫描经过,再记圆离开区域的位置的半径为 ,则极径的范围就取为 ;然后在 内,任意取值为 ,作以圆心为原点,半径为 的圆弧,按照逆时钟方向穿过区域,如果所有入点构成的边界曲线可以用一个关于极径变量 的函数表达式表示,比如 ;所有出点构成的边界曲线也可以用一个关于极径变量 的函数表达式表示,比如 ;则这样的区域就为简单 -型区域,它可以用不等式表示为
在这样的积分区域上对函数 求二重积分的累次基本表达式为
就是先对 求定积分,再对 求定积分。这个时候边界曲线方程应该表示为 的函数。
同样,如果积分区域不是 型区域,还可以考虑用半径在 取值范围内的值,以原点为圆心的圆对其进行分割,分割为一些 -型区域来计算二重积分。
3、直角坐标系下空间立体区域的分类
对于直角坐标系下空间的立体区域,沿用平面区域的分类名称,一般可以分为 -型, -型, -型。 在积分的累次积分表达式中,后面积分的变量一般也称为型变量,也就是区域类型名称中的变量,型变量的范围一般也是最先应该确定的范围。
比如 -型区域, 称为型变量, -型区域先确定的范围是 的范围,直角坐标系中型变量的确定方法为投影法,把整个区域投影到 变量对应的坐标轴上,投影区间即为型变量的范围;而极坐标系中确定的型变量的范围的方法为扫描法(其实直角坐标也可以认为是扫描法),比如 -型区域极角 的范围,就用 轴的正半轴逆时钟旋转扫描区域, 轴与积分区域相交的极角范围即为型变量极角 的取值范围。
和平面直角坐标系中利用投影的方法确定型变量范围一样,空间直角坐标系中,确定空间立体区域的型变量的范围也采用投影法。只不过空间立体区域的型变量有两个,比如 -型区域,型变量为 和 变量对应的两个轴构成了 坐标面,所以 型立体区域投影就是投影到 坐标面。
假设整个立体区域 投影到 坐标面上的投影区域为 ,如果在 内,任取一点 做与 轴同向的直线穿过区域,也就是 为常数在空间直角坐标系中对应的图形, 为常数在空间直角坐标系中对应的图形,也就是两个平面的交线,按照型变量之外的变量,也就是 增大的方向穿过区域;如果进入区域的下交点,都位于可以用一个关于 变量的二元函数表达式,如 表示;穿过区域后,穿出区域的上交点,也都位于可以用一个关于 变量的二元函数表达式,如 表示;则这样的区域称为简单 XY-型区域。它可以用不等式描述为
在这样的区域上对函数 求三重积分可表示为
三重积分可以转换为先对 变量求定积分,再在投影区域上求二重积分的过程,其中关于 变量的定积分的下限为描述下边界曲面的关于 , 变量的二元函数,上限为描述上边界曲面的关于 , 变量的二元函数。计算出来这个定积分以后,将积分结果作为投影区域上的二重积分的被积函数,然后在投影区域上利用二重积分的方法计算二重积分就可以得到三重积分的结果。这个计算三重积分的方法也称为先一后二的投影法。
如果积分区域不是简单的 -型,比如这个区域,当在 面上的投影区域上取点为 位置做与 轴同向的直线穿过区域时, 入点都在 面上,出点都在平面 ;取点为 位置做与 轴同向的直线穿过区域时,入点还是都在 面上,但是出点却位于抛物柱面 上,所以不符合 XY-型区域的特征,出点不在可以用一个关于 变量的二元函数描述的曲面上。
对于这样的区域,可以考虑用母线平行于 轴,以立体区域的边界曲面的交线为准线的柱面分割积分区域,使其转换为一些 -型区域的并,在整体区域上计算三重积分的话,就可以转换为 -型的子区域上的积分来计算,最终的结果就是各子区域上的积分求和。
类似可以定义 -型区域和 -型区域,只不过一个是向 面投影,一个是向 面投影。
4、球面坐标系下空间立体区域的分类
根据以上对区域类型的定义,也可以把球面坐标系下的立体区域分为简单 型、 -型、 -型。一般咱们只考虑第一种类型,即 —型。
从原点出发做射线,如果射线穿过区域,并且进入区域的点都位于一个可以用 变量的二元函数,比如 描述曲面上;穿出区域的点都位于一个可以用 变量的二元函数,比如 描述曲面上;则这样的区域称为球面坐标系中的简单 -型;其中射线其实就是 在可能的取值范围内,分别取为常数时对应的半平面和圆锥面的交线,按照 变量增大的方向穿过区域。
对于 型区域它的不等式描述形式有一般相对固定的步骤,可以概括为三步,也就对应着三个变量确定过程。
假设构建的球面坐标系如上面的图形, 是区域上点 对应的向径 ,在 面上的投影向量与 轴正半轴的夹角,角度值为 轴在 面上按照逆时钟旋转到投影向量 转过的角度; 则为向径 与 轴正半轴的夹角。这样球面坐标变量与直角坐标变量的关系式为
要特别注意,在构建球面坐标变量的变化范围之前,应该首先利用这个变量关系式,将围成立体区域曲面的直角坐标方程转换为球面坐标变量的方程。
第一步:投影。将区域投影到 面上,按照极坐标确定极角值的方法确定角度 的范围,比如 。
第二步: 扫描。在 的范围内任取 值做半平面穿过区域,则交出一个平面区域,然后用 等于 0 到 对应的半圆锥面扫描这个平面区域,则第一次相交的位置对应的 值和最后离开平面区域的位置 的值构成了角度 的范围,它们可能随着角度 的值不同而不同,也就是说两个值应该是 的函数,一般通过描述边界曲面的球面坐标方程消去变量 得到。
第三步: 划线定余限。也就是在 在可能的取值范围内,得到 的范围,也就是内外 两个边界曲面的方程作为左右两个端点的区间。
这样,如果在球面坐标系中对函数 在这个区域上求三重积分,则可以直接得到球面坐标变量的累次积分表达式
要特别注意被积函数的变化,其中 函数表达式是原来的被积函数 将 用与球面坐标的关系转换得到的函数表达式,除此之外,直角坐标下的三重积分转换为球面坐标下的三重积分的时候,被积函数还多了一个乘项,即 ,这个干万不能漏掉!
5、空间曲面的分类
空间曲面的分类一般只讨论直角坐标系中的曲面类型,和立体区域一样,曲面也有 -型, -型, -型。
假设整个曲面 投影到 坐标面上的投影区域为 ,如果曲面可以描述用定义在投影区域 上的一个关于 变量的二元函数描述,则该曲面为 XY-型曲面。它的几何意义是,在投影区域 上,包括边界,任取一点 ,做与 z 轴同向的直线穿过曲面,如果直线与曲面的交点有且仅有一个,并且所有的交点构成图形为一个可以用定义在投影区域上的二元函数,比如 描述,则这样的曲面为简单 XY -型曲面。如果曲面不是 -型曲面,则可以用边界曲面的交线对其分割,尝试分给为一些 XY-型曲面的并来讨论。
当然,并不是所有曲面一定可以分割为 XY -型曲面,比如上图中 描述的圆柱面,它就不能分割为 XY -型曲面,它在 面上的投影是一条线。但是它可以通过 坐标面,或者 坐标面,将它分割为两个 YZ-型曲面,或两个 ZX-型曲面的并。对于曲面积分,不管是对面积的第一类曲面积分,还是对坐标的第二类曲面积分直接计算的方法,都是基于曲面为符合这样特征的曲面来得到的。
比如设 为光滑曲面,且 ,也就是 XY-型曲面,函数 在 上连续,则曲面积分直接转换为投影区域上的二重积分来计算,且这个过程可以概括为一投、二代,三计算的步骤:
一投:是将积分曲面投影到 坐标面上,得到投影区域 ;
二代:是被积函数定义在积分曲面面,而描述积分曲面的是一个 关于 的二元函数,所以曲面上的所有点都满足等式 ,既然被积函数定义在积分曲面上,当然里面的变量也就满足这个曲面的函数表达式,所以 变量也就可以用函数表达式 替换了。除了这个代之外,还有两处要代换,积分曲面要代换为投影区域;面积元素 要代换为直接由曲面方程得到的任一点处的法向量 的模乘以 dxdy ,也可以说是乘以曲面的面积元素 dS 在 xOy 面上的投影面积元素 。
三计算:最后利用二重积分的计算方法计算得到的二重积分得到对面积的曲面积分结果。
当曲面为 -曲面,或者为 —型曲面时,也依据相同的步骤,可以将对面积的曲面积分转换为相应坐标面的投影区域上的二重积分来计算!
当一个曲面同时是三种类型的时候,则选择任一一种计算方法都可以计算得到相同的计算值,只不过根据函数表达式的不同,可能计算上还是有简单和复杂之分。说不定将曲面视为其中一种类型的时候,积分可能计算不出来,或者非常复杂,这个时候可能就需要将曲面视为另外一种类型来处理。
对坐标的曲面积分则有一点不同,除了对曲面进行分类之外,曲面还要带上方向!对于不同类型的曲面,曲面所取的方向不同,XY-型曲面,分为上下方向,曲面的向上的方向是曲面法向量中 z 分量取为正的方向;YZ-型曲面分为前后方向,向前的方向是曲面的法向量的 x 分量取为正的方向,ZX-型曲面分为左右方向,向右的方向,曲面的法向量应该取为 分量为正的方向。
对于指定了方向的曲面,它的直接计算法比对面积的曲面积分要简单,直接。比如 XY-型曲面:
-型曲面适用于计算对 , 变量的对坐标的曲面积分。也就是说要直接计算对 变量的对坐标的曲面积分,应该将曲面视为 -型曲面来计算,如果不是 -型曲面,应该将其分割为 XY-型曲面分别在各子曲面上分别计算。
它的步骤也可以概括为三步:
一投:将曲面投影到 面上,得到投影区域 ,
二代:将被积函数中的 z 变量用描述曲面的二元函数表示,将积分曲面换成投影区域,直接转换为二重积分;
三定号:如果积分曲面指定方向是向上的,则直接计算二重积分得到积分结果;如果指定的曲面方向是向下的,则曲面积分的结果应该是二重积分的相反数,也就是在二重积分前面要加一个负号才是最终需要计算的曲面积分的结果。
类似的,当要计算对 变量对坐标的曲面,或需要计算对 变量的对坐标的曲面积分时,应该视曲面为 YZ-型的曲面,或者 ZX-型的曲面,这个时候描述曲面的二元函数应该是 ,或 ,当然,如果不是直接的这样类型的曲面,同样应该采取分割曲面的方法来解决。
二、积分区域的对称性与积分的计算性质
和定积分一样,多元函数的积分也有一些计算性质,可以达到简化、转换积分模型的作用。并且相关的性质在名称上描述形式上都与定积分差不多!
连续函数的可积性,如果被积函数在积分区域或曲面、曲线上连续,则可积;
线性运算性质,对积分范围,区域、曲面、曲线的可加性,保号性、保序性、估值定理、积分中值定理等等,它们与定积分基本一致,仅仅是换了积分的描述形式而已,和定积分一样。
重点讨论一下积分区域、积分曲面与曲线的对称性和对应的积分计算性质。注意一下,以下对称性的讨论只适用于直角坐标系。一般对坐标的曲线积分的计算方法相对比较丰富,所以一般不讨论它的对称性来解题,当然也可以推导出对称性的结论,但是很容易用错!所以下面讨论的对称性只讨论二重积分、三重积分、对弧长的曲线积分和曲面积分。
1、二重积分、平面上对弧长的曲线积分
二重积分与平面上对弧长的区间积分的对称性结论一样,所以放在一起讨论。其中的积分范围记号 即表示二重积分的积分区域,也表示平面上的积分曲线:
第一个偶倍奇零的计算性质:
第二个积分区域,或积分曲线的轮换对称性:
对于有些积分区域或积分曲线图形不好绘制的情况,图形的对称性也可以使用通过描述积分区域的表达式来判定:如果将描述积分图形 的所有数学表达式中的 变量,替换为 ,所有数学表达式不变,也就是描述的图形不变,则积分范围 关于 轴对称。如:
将两个不等式中的所有 换成 ,两个不等式都不变,所以它们表示图形关于 轴对称。类似的有上图中下面的结论.
2、三重积分、空间曲线上对弧长的曲线积分与对面积的曲面积分
这三类积分的对称性的结论是一样的,它们的偶倍奇零的计算性质的对称性一般也只考察关于坐标面和关于原点的对称性。
以上是三重积分、空间曲线上对弧长的曲线积分与对面积的曲面积分的偶倍奇零的计算性质。而对于对坐标的曲面积分,也可以直接使用对称性,不过它的结论是反的!并且对于不同的坐标的曲面积分对称性的计算性质还要分开来讨论。
关于轮换对称性通常可以考察两个,一个是整体的轮换对称性,一个部分的轮换对称性。 整体轮换对称性:
所有数学表达式不变。比如
轮换后的所有表达式不变,所以它具有整体的轮换对称性!这个时候在它上面的积分,轮换被积函数的变量积分值不变。
这个性质对于对坐标的曲面积分也可以使用。而对于
就不具有轮换对称,因此也就不能利用上面的积分计算性质。但是对于 ,如果仅仅轮换 变量,发现数学表达式不变,
则称 关于 变量具有部分轮换对称性,这个时候轮换被积函数中的 变量,积分值不变。
除了对称性外,还有一些结论与性质也可以极大地简化积分计算!
比如第一:积分的几何意义;第二:形心计算公式。注意公式中 在不同的位置表示了不同含义,在积分符号右下角表示是积分范围,比如是平面区域的话,是二重积分,是曲线的话是曲线积分,是曲面是曲面积分,是立体区域的是三重积分, 则表示元素,分别是面积元素、弧长元素、体积元素;而分母中的 A 则表示了对应区域的几何度量值,比如积分区域的面积,立体的体积,曲线的弧长。左边的 表示了积分范围描述的几何形心,也就是密度均匀物体的重心。
因此,对于规则形状的几何形状,形心坐标是可以直接计算出来的,它们的几何度量值也是可以直接计算出来的,所以利用这些公式就可以计算 的积分值,当然也就可以直接计算得到被积函数为常数的积分。
第三,除了对坐标的曲线积分、曲面积分外,当被积函数为非负的时候,其余积分的都有一个共同的物理意义——质量。如果把质量视为有代数质量的话,也就是认为密度可正可负的话,所有的积分都可以认为是求质量!当被积函数具有一定特定结构的时候,基于质量这个物理意义,可以实现需要计算的积分模型的转换。比如求空间立体的质量,说不定可以直接转换为定积分模型来计算。
第四:是非常重要的,也是只有曲线积分、曲面积分都可以用的!而重积分却没有的!就是:曲线、曲面积分被积函数定义在积分曲线、曲面上。因此,可以借助于描述积分曲线、曲面的方程关系,转换,简化积分的计算。
例: 设 是球面 ,计算曲面积分
【提示】:由 的方程可知曲面具有轮换对称性,所以
以上就是有关于多元函数积分中的一些基本性质与相关的问题,它们是计算多元函数积分的基础,也是正式计算多元函数积分,探索相关问题正式求解思路前,首先应该考虑简化、转换积分模型的基本依据。
三、多元函数积分计算的一般思路与方法1、二重积分计算的一般思路与方法
二重积分计算的方法一般有直角坐标计算法、极坐标计算法、换元法。对于二重积分计算的一般思路与这些方法,在全国大学生数学竞赛初赛,非数学类的竞赛真题中,有这样几个真题的解析视频值得参考。
第一届的填空题的第 1 题,第三届填空题的第 3 题,第七届的第六题,第十三届填空题的第 5 题,从这几个真题的解析视频标题可以看到,几个视频分析、探讨了二重计算的一般的思路,针对三种方法适用的问题类型,积分区域特征,被积函数结构特点以及性质的应用,进行了分析,并针对一类特殊函数,符号函数的积分思路与方法进行了详细的探讨。所以,如何探索二重积分计算的思路,二重积分计算过程中需要注意什么问题,对于不同二重积分究竟选择什么样的方法,大家直接查阅全国大学生数学竞赛真题解析在线课程,找到对应真题的视频查阅即可。
不查阅真题解析在线课程的话,也可以直接查阅如下的推文,推文中也做了详细的介绍:
三重积分计算的方法通常有先一后二的投影法、先二后一的截面法、柱面坐标、球面坐标计算方法和换元法。这些方法一般对积分区域与被积函数都有一定的要求,也就是说当被积函数具有一定的结构,积分区域图形具备一定的特征的时候,都有这些方法的首选方法!比如,当积分区域由球心在原点的球面、定点在原点的圆雉面,以及过坐标轴的平面围成的时候,就图形来讲考虑球面坐标系。
三重积分的计算在历届真题解析的在线课程中,第十届的第四大题,分为四个视频片段,结合实例,详细探讨了三重积分计算的三种基本方法,并且基于积分性质、变换三重积分探讨了三重积分的计算思路。在第八届的第三大题、第九届填空题的第 6 题,给出了三重积分计算的一般思路,三重积分的柱面坐标,球面坐标的计算法和换元法的一般思路与适用的问题类型。第四届的第六大题,不仅探索了三重积分的计算方法,而且作为高等数学课程内容的,还分析、总结了一些含参积分的一些性质,借助性质可以更加方便的解决相关的积分计算问题。 在第七届,填空题第 3 题的解析视频中,则给出了空间立体体积计算的三种思路,立体体积的二重积分、三重积分的计算方法。
作为考试的一个重点,在竞赛真题中还有一些题目也涉及了三重积分的计算,大家可以自己根据真题在在线课程去查阅对应的视频进行详细了解。同样也可以直接查阅如下的推文,推文中也做了详细的介绍:
曲线积分分为对弧长的曲线积分和对坐标的曲线积分,通常对弧长的曲线积分计算比较简单、直接,一般就是为参数方程直接法。而对坐标的曲线积分的计算思路、方法比较多,有参数方程的直接代入法、格林公式法,积分与路径无关的特殊路径法,利用两类曲线积分的关系转换为对弧长的曲线积分来计算。对坐标的曲线积分通常的物理意义是变力沿曲线作功与环流量的计算。
各类方法的典型例题分析可以查阅第十二届的第五大题、第九届的第三大题、第一届的第四大题和第五届的第六大题,都是大题十几分的题目。同样通过这些竞赛真题的解析视频标题中可以看到,真题解析视频,探讨了平面曲线上的曲线积分、空间曲线上的曲线积分计算的一般思路,上面提到的所有这些方法,包括格林公式、积分与路径无关、斯托克斯公式的结论如何用,使用的条件是什么,应用过程中需要注意什么问题,都在真题解析视频中进行了分析,并借助于两类曲线积分之间的关系,将对坐标的曲线积分转换为对弧长的曲线积分,对关于弧长的曲线积分的计算思路与相关问题求解的思路、方法进行了分析与讨论,而且在第一届第四题,还分析、探讨了积分不等式的思路思路与方法。
如果加强对各类方法的理解可以直接去真题解析在线课堂查阅对应的视频片段。也可以直接查阅如下的推文,推文中也做了详细的介绍:
曲面积分分为对面积的曲面积分和对坐标的曲面积分,通常对面积的积分计算方法相就是直接法,也就是前面介绍的一投、二代、三计算的方法;当曲面为球面时,也可以考虑球面坐标计算法。而对坐标的曲面积分的计算思路、方法比较多,有一投二代三定号的直接法,有高斯公式法、利用两类曲面积分之间的关系来计算的方法以及不同坐标的曲面积分之间的转换法,等等。
与曲面积分相关的竞赛真题主要有第十三届的第四大题、第六届的第四大题、第五届的第五大题,都是大题。其中第十三届的第四大题通过四个视频片段,探讨了对面积的曲 面积分计算的一般思路与方法,除了通常的对面积的曲面积分计算方法的详细探讨之外,还就两类曲面积分之间的关系、高斯公式的反向应用,也就是如何通过三重积分、对坐标的曲面积分来求解对面积的曲面积分的思路,要注意的问题进行了详细的探讨。
第六届的第四大题,回顾总结了空间立体体积、曲面面积计算的常用方法,对面积的曲面积分的直接计算思路与球面坐标计算方法,还有用对弧长的曲线积分计算柱面片面积适用的问题类型与计算公式,并且结合真题解析,对对坐标的曲面积分的直接计算法,高斯公式计算法适用的问题类型,求解步骤进行详细的探索与分析。
在第五届第五题,则不仅仅强调了的高斯公式法计算对面积的曲面积分的条件,给出了一般应用的思路与步骤,而且还结合真题求解详细讨论了三重积分换元法与球面坐标计算法。
而第十一届第四题,则借助一个累次积分模型的转换,分析、总结了二次积分表达式可能对应的积分模型,针对对面积的曲面积分的球面坐标累次积分构建、曲面积分计算模型的转换进行了探讨与分析,并给出了两类不同的对面积的曲面积分比较特殊的计算思路。
当然,对于曲面积分计算相关的题型与具体求解思路与方法,也可以直接查阅如下的推文:
最后关于积分之间的联系咱们可以给出一个关系图:图中绿线直通,红线基于绿线计算公式构造函数,单线反向构造图形。
对于图中给出的几个基本公式,高斯公式,斯托克斯公式公式、格林公式、微积分基本公式,它们适用的问题类型,应用过程中要满足的条件,标准公式中函数的构成,都要熟练掌握,真正理解!对于图中的绿色箭头,表示应用直接的方法可以转换到的,这个过程是相对确定的;而红色箭头,表示也可以实现积分间的转换,但是有时候对被积函数的表达式结构有一定的要求,或者需要根据转换目标构建函数,或者图形,这个过程可能就具有多样性!可以构建不同的函数,或者图形,都可以得到相同的转换目标。
比如:三重积分,通过投影法、截面法、球面坐标、柱面坐标方法都可以将三重积分的计算问题转换为二重积分的累次积分计算形式;而要将三重积分转换为曲面积分,则由两个多样性:第一个函数构建的多样性,因为三重积分的被积函数是通过曲面积分的三个被积函数分别求偏导数然后求和得到的,所以由三重积分的函数构建满足偏导数的和等于它的函数具有多样性;第二,方向的多样性,对于三重积分的边界曲面的法向量的取向,可以朝内,也可以朝外,所以将三重积分转换为曲面积分,曲面积分的表达式就会根据被积函数与曲面方向选取得不同会所有不同。其他的也一样。
上面的图自己好好体会,也可以自己尝试找一些例题或者练习来加强理解!比较好的例题,或者练习,咱们可以选择)或。
关于多元函数积分,即重积分、曲线曲面积分基础性的知识点总结,题型及其求解方法与基础练习题可以参考推文:;而其中例举到的全国大学生数学竞赛题可以参考公众号推文:.
以上就是咱们今天探讨的内容,与之相关的更多的典型问题及详细的求解思路与方法可以参考)或中专题练习。
感谢学友们的阅读、关注与支持,咱们下期再见!
热门跟贴