曲线积分与曲面积分
第一类积分不带方向,第二类积分依赖定向。三大公式都把低维边界积分与高维区域内的微分量相连,但必须满足闭合性、光滑性和奇点条件。
完成后应能
- 用参数化计算两类线面积分
- 核对条件后使用格林、高斯和斯托克斯公式
- 处理不闭合边界、奇点、路径无关与法向定向
直觉
直觉与对象
格林、高斯和斯托克斯本质上都是‘内部变化总量等于边界通量或环流’。使用公式前先画出边界与正向,比先写公式更可靠。
推导
解题主线
参数法始终可作为基准。格林用于平面闭曲线;高斯用于闭曲面通量;斯托克斯用于空间闭曲线环流并允许换成同边界的易积曲面。非闭合对象先补成闭合对象再减去补上的部分。
定义
公式、条件与边界
格林公式:
适用条件: 为 的正向分段光滑边界,,Q 有连续偏导。
边界检查:孔洞边界方向与外边界相反。
高斯公式:
适用条件: 为 的闭边界并取外法向。
边界检查:非闭曲面必须先补面。
斯托克斯公式:
适用条件:边界方向与法向按右手规则匹配。
边界检查:换面不能改变边界曲线。
易错边界
易错边界
格林区域内有奇点时不能直接使用;高斯要求封闭曲面且取外法向;斯托克斯中边界方向与法向满足右手规则。
小结
本章掌握标准
- 用参数化计算两类线面积分
- 核对条件后使用格林、高斯和斯托克斯公式
- 处理不闭合边界、奇点、路径无关与法向定向
公式与边界
格林公式
- 适用条件
- 为 的正向分段光滑边界,,Q 有连续偏导
- 边界提醒
- 孔洞边界方向与外边界相反
高斯公式
- 适用条件
- 为 的闭边界并取外法向
- 边界提醒
- 非闭曲面必须先补面
斯托克斯公式
- 适用条件
- 边界方向与法向按右手规则匹配
- 边界提醒
- 换面不能改变边界曲线