记录一下这段时间做题遇到的一些疑惑点,方便复习回顾。
1.如何确定 曲面积分的 曲面?
a. 据题意描述,将二次曲面(方程),或者说平面方程表示出来(在 图上,或者说 在 脑海里,有个大致的轮廓);
b. 根据题目中,限定的截取条件,所截取的曲面部分。即为所求。
致误点: 二重积分中,截取区域时,通常包括 截取条件本身的部分,而这在曲面积分来说是不可取的。
易错点: 曲面积分,必须关注 是 所截取的曲面的哪一个方向,这对正确解题来说 是必须要过的一个步骤。
2.奇偶性(对称性) 对 积分域对称
一重积分中, 若 积分线段 关于 圆点:
当 被积函数 为 偶函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 奇函数, 则 积分为 0;
二重积分中, 若 面积区域 关于 x轴(线)对称:
当 被积函数 为 关于 y 的 偶函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于 y 的 奇函数, 则 积分 为 0;
理解: 这里的关于 x轴对称,即指: y的正半轴 部分的区域 与 负半轴的区域 一毛一样 ,因此,奇偶性是针对于y的!
衍生: 同理可得, 积分区域 关于 y轴对称, 则 x的奇偶性 具有相似的特征;
当积分区域,既关于x对称,又关于y对称时: 若有奇函数,则为零。 其余的情况为保险起见,可自行运算。
拓展: 轮转对称性: 若 待积分体积 关于 x=y(应该是线)斜对称,则被积分函数中,x与y可相互轮转,积分结果不变。
三重积分中, 若 体积 关于 x=0平面,或者 yOz平面 (面) 对称:
当 被积函数 为 关于 x 的 偶函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于 x 的 奇函数, 则 积分 为 0;
理解: 因为 x轴 充当了 x=0 这个面的一个法向量, 并且 几何体 关于 面对称。 最关键的是 ,区分x轴与 x=0这个面之间的关系,因此,奇偶性 是针对与 x 来说的。
衍生: 同理可得,对于, y=0这个面, 以及 z=0 这个面,对于具有奇偶性的被积函数,都具有各自的性质。
特别地, 当待积分体积,同时关于三个面对称, 则被积函数的任一维度为奇函数,则为零。 其余情况为保险起见,可 自行运算。
拓展: 轮转对称性: 若 待积分体积 关于 x=y(应该是面)斜对角对称,则被积分函数中,x与y可相互轮转,积分结果不变。 同理, x=y,y=z,x=z, 以及 x=y=z都具有类似的性质。
曲线积分中, 若 积分平面曲线弧 关于 y轴(线)对称:
A.关于长度的平面曲线积分(第一类曲线积分):
当 被积函数 为 关于x 的 偶函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于x 的 奇函数, 则 积分 为 0;
理解: 参照 二重积分。 需要注意, 当平面弧 为直线时, 曲面积分退化为 一重积分。
衍生: 同理可得,对于关于 x轴对称,具有相似的特性。
B.关于坐标的平面曲线积分(第二类曲线积分):
当 被积函数 为 关于 x 的 奇函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于 x 的 偶函数, 则 积分为 0
理解: 这里的曲线,从力的角度入手,具有方向性,相应的特性发生了变化。
衍生: 对于 关于y对称,也具有相应性质。
若 积分空间曲线弧 关于 y=0(面)对称:
a.关于面积的空间曲线积分(第一类曲线):
当 被积函数 为 关于y 的 奇函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于y 的 偶函数, 则 积分 为 0;
理解: 参照三重积分;注意,空间弧每降一个维度,它将退化为次一级模型。
衍生: 对于 x=0面,以及 z=0面,具有相似特性;
b.关于坐标的空间曲线积分(第二类曲线):
当 被积函数 为 关于y 的 偶函数, 则 可以 2倍处理;
当 被积函数 为 关于y 的 奇函数, 则 积分 为 0;
理解: 参照三重积分;注意,空间弧每降一个维度,它将退化为次一级模型。
衍生: 对于 x=0面,以及 z=0面,具有相似特性;
扩展: 曲线积分 具有 轮换对称性。
轮换对称性的常见性质有:被积函数 f(x,y,z) =f(x,x,x)=3f(x) ; f(x)+f(y)+f(z)=f(x,y,z),更多属性类推。
总结: 曲线积分中,对称性质(为零还是双倍) 按照 第一类,与 第二类曲面的分布;
对称表达式(关于哪个参照系),服从 平面直接坐标的积分的性质。
曲面积分中,若 平面曲面 关于 x=0轴 (面) 对称:
a.第一类曲面积分: 同 第一类 空间弧曲线积分;
b.第二类曲面积分: 同 第二类 空间弧曲线积分;
理解: 注意到,平面曲面的时候,实际上曲面积分就退化成了二重积分;
空间曲面的时候,实际上它就以 空间单位为基底参照系的。
同时,我们可以发现,曲面积分,与空间弧曲线积分有着特殊的相似性。
参考资料:
百度文库:第二类积分对称性
豆丁文档:第一类曲线积分对称性质讨论
百度文库:曲线曲面积分的对称性
3.三重积分中,先后积分各自的使用条件:
先积分的微元,其上下限必须 由 后积分微元的 函数表示;
特别地:考虑一个xOy平面图 沿着z轴 拉升的一个柱面。 此时 先积分的微元,其上下限 此时为常数;
致误点: 注意区分 三重积分的 方法 与 曲面曲线积分 在处理被积分函数 的区别。
三维曲线积分 以及 曲面积分,经常要降低 被积函数的维度,同时,积分域也需要处理,如投影;
三重积分中,是不需要处理 被积函数的,而是从积分域处理。
5.曲面积分正负(包括对高斯公式)的影响考虑因素:
理解: 需要注意,曲面积分的物理意义 是 通量; 通量是指,流体从一侧流向另一侧 的流体质量,其是一个 矢量,具有正负性; 规定: 流体从 空间曲面 内部 流向 外部,为正,反之;
流体 从 平面曲面 从下侧 流向 上侧 为正,左侧流向 右侧 为正。 即 与坐标系的正轴同性。 反之。
高斯公式中, 默认 流体 是从 封闭空间曲面内部 流向 外部。 因此 当所求空间曲面积分 为内部区域时,应取负,反之。 因此补面积时,应该使得 封闭曲面的流体 流向一致。
6.曲线积分与一重积分的联系:
理解: 积分平面曲线弧中,所代表的抽象几何体 为: 二维平面; 特别地,当平面曲线为直线时,抽象几何体 退化为 一维线条;
积分 空间曲线弧中, 所代表的 抽象几何体 为: 三维空间; 特别地,当空间曲线 为 平面曲线时,退化为 平面曲线弧积分; 依次降维 可得到 次一级 抽象几何体;
7.曲线积分 的处理方法汇总:
a.第一类平面曲线积分:
1.参数方程;
2.转化为第二类平面曲线积分(不建议);
b.第二类平面曲线积分:
1.格林公式(注意使用条件: 单连通区域): 平面曲线积分 转化为 二重积分;注意,具有正负性质;
2.转化为 第一类 曲线积分(不建议);
A.第一类 空间曲线积分:
1.参数方程;
2.转化为第二类平面曲线积分(建议);
B.第二类 空间曲线积分:
1.斯托克斯公式: 空间曲线积分 转化为 曲面积分,实际上转化为 三重积分;
8.曲面积分 的处理方法 汇总:
a.第一类 平面曲面 积分: 实际上为二重积分,或者与二重积分类似;
b.第二类 平面曲面 积分: 实际上为 二重积分,或者与二重积分类似;
A.第一类 空间曲面积分:
1.直接处理,通过 降维;
2.转化为 第二类空间曲面积分;
B.第二类 空间曲面积分:
1.直接处理,通过投影,需要注意,投影必须考虑方向性;(转化为 二重积分,不过最多要求三组)
2. 通过高斯公式;(转化为三重积分);
3. 转化为 第一类 空间曲面积分;
总结:曲线积分也好,曲面积分也好,总是 第二类(坐标)形式 处理方法更多,更灵活。
但必须注意,第一类形式,也总是能直接做出来的。
一般不轻易考虑 转换 第一类与第二类的形式;
9.椭球在球坐标系中的积分公式:
同 球体 在 球坐标系的积分公式;
类似 圆 在极坐标系中的积分公式;