考研複習 多元積分

2021-06-19 17:14:12 字數 2896 閱讀 2658

0.做題的時候很害怕遇到這類問題,尤其是和斯托克斯定理高斯散度定理格林定理混在一起的時候。估計是,在學校學的時候,這塊應該也是沒有理解的,只是把各種定理的形式記住,然後做題的時候生搬硬套。這些天似乎是明白了一點,所以寫下來,完全是自己的理解,有不對的地方請指正。

多元積分分類,簡單到複雜:

累次積分

二重積分,三重積分

曲線積分(第一型,第二型),曲面積分(第一型,第二型)

1.  曲線的切線 , 曲面的法線

用引數方程表示

用曲面方程表示

曲線方程

x=x(t)

y=y(t)

z=z(t)

p(x,y,z)=0

q(x,y,z)=0

曲面方程

x=x(u,v)

y=y(u,v)

z=z(u,v)

f(x,y,z)=0

相應的切線和法線表示

用引數方程表示

用曲面方程表示

曲線的切線

( x', y', z' )

(p' x,p' y,p' z)x(q' x,q' y,q' z)

曲面的法線

(x' u,y' u,z' u)x(x' v,y' v,z' v)

(f' x,f' y,f' z)

2.  曲線積分和曲面積分的微元

帶方向微元

用引數方程表示

用曲面方程表示

曲線積分微元dl

( x', y', z' )dt

-曲面積分微元ds

(x' u,y' u,z' u)x(x' v,y' v,z' v)dudv-

注:a.微元方向必然與切線或法線方向一致,上兩個**的黃色部分一致

b.由於微元可以在引數方程的情況下表示出來,所以可以用來計算;否則只能通過第二類積分轉換為關於座標的微分(dx,dy,dz,dydz,dzdx,dxdy),才能進行計算。

3. 第一類積分和第二類積分的轉換

a.曲線積分

方向補充說明:

如果 t 增加的方向和曲線方向 (l 的方向)是相反,那麼從第三步開始增加負號,到最後的一步變為有負號的結果。這時按 t 增加的方向定義起點和終點,和按照 l 的方向定義的起點終點是相反的,如果把最後一步的積分起點終點顛倒,則可以吸收負號,結果恰為按照l的方向的積分。

推導過程中dt 的上下限,為從小到大,即從小到大積分(不這樣應該也可以)

b.曲面積分

和上面的推導類似

方向補充說明:

關於方向性:

a.座標積分的方向性

第一類曲線或曲面積分是沒有方向的,也就是說只要被積函式是正的,那麼積分值也是正的。

但是當第一類積分代入引數方程,並且曲線微元或者面積微元換為引數微元(即上面的dl變為dt)後,積分變得有方向性。即使被積函式是正的,當積分的上下限不同時,可能會造成積分值為負的情況。

對於曲線積分,要求引數是從小積到打

對於曲面積分,兩個引數都從小到大?

b.第二類積分的方向

對曲線積分,從推導過程可以看出,

4. 關於叉乘,矩陣的行列式,面積,座標轉換

a.叉乘可以用矩陣的行列式以方便計算

b.座標轉換的矩陣的行列式,對應微元的面積或者體積比

c.由於叉乘之於三維空間的特殊性,所以以上結論可能被限制在三維空間中

5. 斯托克斯公式,格林公式,保守場

對於函式 f=p(x,y,z)i+q(x,y,z)j+r(x,y,z),如果可以找到另乙個函式f(x,y,z),使得f(x,y,z)的梯度等於f,則說f的保守的。(單連通區域)

這時,

保守場的性質可以看做斯托克斯公式的特殊情形。

格林公式也可以以看成斯托克斯公式在r=0,p=p(x,y),q=q(x,y) 時的情況。

wiki說微積分基本定理和高斯定理是廣義的斯托克斯定理的推廣,大概涉及到微分幾何的內容,這個地方我沒有想清楚。

關於幾個定理,wiki上的這個表總結的比較全:

定理表示

註解梯度定理

(線積分基本定理)

c為一平滑曲線。

格林定理

在封閉曲線c上所做的線積分,

等於在區域d所的積分。

高斯散度定理

(散度基本定理)

斯托克斯定理

(旋度基本定理)

6.電磁學的高斯定理和高斯散度公式

一直感覺有關係,但是好像關係不大,或者不是想象中的那樣。q/ε這個東東是用曲面積分就算出來的。電場的強度在產生該場的電荷處是沒有定義的,所以散度公式是不能直接用的。但是把電場強度代入散度公式,被積函式變為0,也就是說在不包括點電荷的區域中,電場的通量為0。

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