高等数学(下册)第十一章课件.ppt
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- 高等数学 下册 第十一 课件
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1、积分学积分学 定积分二重积分三重积分定积分二重积分三重积分积分域积分域 区间域区间域 平面域平面域 空间域空间域 曲线积分曲线积分曲线域曲线域曲面域曲面域曲线积分曲线积分曲面积分曲面积分第一类曲线积分第二类曲线积分第一类曲面积分第二类曲面积分曲面积分曲面积分曲线积分 曲面积分 数量场与向量场ABis1iMiM),(ii第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分定义定义 设线曲形固件在平面线质求曲型固引件的例量.1(,)iiiiMM,01,nAMMMB划分01limniM做法:所占弧段(,)x y为线为AB,密度.12max,nsss(,)iiis 第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分L
2、设 L 是xOy面内的一条光滑曲线弧,f(x,y)在 L上有界,(,)kkkfs 都存在,(,)f x yL上对弧长的曲线积分,记作(,)dLf x ys若通过对 L 的任意分割局部的任意取点,下列“乘积和式极限”则称此极限为函数在曲线或第一类曲线积分.(,)f x y称为被积函数,L 称为积分弧段.注:注:nk 10limks1kMkM(,)kk 和对d0s 第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分(2)(,)dLk f x ys(k 为常数)(3)(,)dLf x ys(L由 组成)12,LL(4)dLs(l 为曲线弧 L 的长度)(1)(,)dLf x ys(,)g x y(,)dLf
3、 x ys(,)dLg x ys(,)dLkf x ysl12(,)d(,)dLLf x ysf x ystttttfsdyxfLd)()()(,)(),(22基本思路基本思路:计算定积分转 化定理定理 ),(yxf设且)()(tty上的连续函数,解释解释:是定义在光滑曲线弧则曲线积分),(:txL,d),(存在Lsyxf求曲线积分弧微分:22d()()dsttt又(x,y)在L上 22(,)d(),()()()dLf x ysfttttt第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分),()(bxaxy则有Lsyxfd),(如果方程为极坐标形式:),()(:rrL则syxfLd),()sin)(
4、,cos)(rrf推广推广:设空间曲线弧的参数方程为:(),(),()()xtytztt 则(,)df x y zsttttd)()()(222xx d)(12d)()(22rrbaxxf)(,()(),(,)(tttf计算,dLsx其中 L 是抛物线2xy 与点 B(1,1)之间的一段弧.解解 )10(:2xxyLLsxd10 xxxd)2(12xxxd41102132201(14)12x)155(121上点 O(0,0)1Lxy2xy o)1,1(B第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分化为定积分时上限一定大于下限计算曲线积分222()d,xyzs其中为螺旋的一段弧.解解 222()d
5、xyzs22220(cos)(sin)()atatkt2222220dakak tt222222(34)3akaktktatad)cos()sin(222cos,sin,(02)xat yat zk tt 线第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分计算2d,xs 其中为球面 2222azyx被平面 所截的圆周.0zyx解解 由对称性可知2dxs 22221d()d3xsxyzs21d3as 2123aa323a2dys 2dzs 第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分第一类曲线积分也有类似于重积分的对称性221,34xya设的周长为例例第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分2243)
6、d2dLLxysxy s=解原式(12d12Lsa 22423)d.Lxxyys 求(:定积分、二重积分、三重积分的积分域注注第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分方程不能代入到被积函数中.而曲线、曲面的积分,积分域方程可代入到被积函数中.2d:(1);(2):;(3):.xy sOABOB yxOMB yxL求例例解解(1,1)B(1,0)AoM12021 1d3xx(2)101ddd2OAABxy sxy sy y(1)113222200114d14d2xxxxxx(3)第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分122201(141)14d8xxx311222220011(14)d14
7、d88xxxx5524(,)dABMx ys质量质心(,)d/(,)d/LLxxx ysMyyx ysM转动惯量2222(,)d(,)d()(,)dxLyLoLIyx ysIxx ysIxyx ys第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分1221212222()(),()()()d()()(,()1()d()(),)1()dbabaxtftttttytyy xfx y xyxxxx yfx yxxyy质心坐标定义及性质质量,转动惯量轮换对称对称性奇偶对称第一类曲线积分计算第一节第一节 第一类曲线积分第一类曲线积分 引例引例 变力沿曲线所作的功.设一质点受如下变力作用从点 A 沿光滑曲线弧 L
8、 移动到点 B,ABLxycosABFW“大化小”“常代变”“近似和”“取极限”变力沿直线所作的功解决办法:变力所作的功W.ABF ABF(,)(,)(,)F x yP x y iQ x y j第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分1kMkx第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分kMABxy2)“常代变常代变”L把L分成 n 个小弧段,有向小弧段kkMM1),(kkyx近似代替,),(kk则有kkkkyQxP),(),(kk所做的功为,kWF 沿kkMM1kkkkMMFW1),(k),(kkFnkkWW1则用有向线段 kkMM1kkMM1上任取一点在ky4)“取极限取极限”nkW1kk
9、kkkkyQxP),(),(nkW10limkkkkkky)Q(x)P,(1kMkMABxyL),(kkFkykx(其中 为 n 个小弧段的最大长度)LyyxQxyxPd),(d),(记作第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分设 L 为xOy 平面内从 A 到B 的一条有向光滑有向光滑弧弧,若对 L 的任意分割和在局部弧段上任意取点,都存在,在有向弧 L 上LyyxQxyxPd),(d),(kkkxP),(kkkyQ),(nk 10lim则称此极限为函数第二类曲线积分第二类曲线积分.在L 上定义了一个向量函数极限),(,),(),(yxQyxPyx
10、F记作),(yxF第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分LxyxPd),(,),(lim10nkkkkxPLyyxQd),(,),(lim10nkkkkyQ对 x 的曲线积分;对 y 的曲线积分.若 为空间曲线弧,记若记,对坐标的曲线积分也可写作)d,(ddyxs d(,)d(,)dLLFsP x yxQ x yy ),(,),(,),(),(zyxRzyxQzyxPzyxFd(,)d(,)d(,)dFsP x y zxQ x y zyR x y zz )d,d,(ddzyxs 类似地,第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分性质性质 1212(1)dddddd()LLLP xQ yP
11、xQ yP xQ yLLL(3)(,)d(,)d(,)d(,)dLLP x y x Q x y yP x y x Q x y y(2)(dd)ddLLk P xQ ykP xQ y 定积分是第二类曲线积分的特例.说明说明:对坐标的曲线积分必须注意积分弧段的方向方向.第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分定理定理 ),(,),(yxQyxP设在有向光滑弧 L 上有定义且L 的参数方程为)()(tytx,:t则曲线积分LyyxQxyxPd),(d),()(),(ttP)(t)(ttd)(),(ttQ连续,证证 下面先证LxyxPd),(tttPd )(),()(t存在,且有对应参数设根据定义i
12、x,it),(ii点,i1iiixxx)()(1iittiit)(LxyxPd),(tttPd )(),(niiiP10)(,)(limiit)(niiiP10)(,)(limiit)()(t对应参数同理可证LyyxQd),(tttQd )(),()(tLxyxPd),(niiiixP10),(lim第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分若 L 的方程为,:),(baxxy则xxxQxxPbad )(,)(,)(xLyyxQxyxPd),(d),(对空间光滑曲线弧:类似有(,)d(,)d(,)dP x y zxQ x y zyR x y zz)(t
13、)(t)(t)(,)(),(tttQ)(,)(),(tttRtd)(,)(),(tttP,:)()()(ttztytx第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分1132003(3)d2 d4xxxx x原式dd,:(1);(2);(3);(4);(5).Lxy xy yLOABOBOMBONBOCB求例例解解(1)ddddOAABxy xy yxy xy y原式2yx2xyxyO(1,0)A(1,1)B(0,1)CMN110010dd2xy y1120052dd6xxx x()原式第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分(5)ddddOCCBxy xy yxy xy y原式113009(4)
14、2 dd10yy yy y原式2yx2xyxyo(1,0)A(1,1)B(0,1)CMN1100dd1y yx x第二类曲线积分计算的步骤:.(1)画图,求交点(2),确定积分弧段方程的形式,找到与之形式相一致的变量,求出该变量的始点与终点的值将积分弧段方程代入被积函数中得一定积分ozyx()d()d()d,Izyxxzyxyz其中221:,2xyxyz从 z 轴正向看为顺时针方向.解解 取 的参数方程,sin,costytx2cossin(:20)zttt20I tttcos)sincos22(tttttd)sin)(cossin(cos220(1 4cos)dtt)sin)(cos2(tt
15、 2 第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分两类曲线积分之间的关系两类曲线积分之间的关系设有向光滑弧 L 参数方程为(),():xtytt ab则L上(x,y)处的切向量为(),()Ttt则两类曲线积分有如下联系LyyxQxyxPd),(d),(),()()(),()()dbaPtttQtttt22()(),()()()batPtttt2222()(),()()()d()()tQttttttt22()cos()()ttt22()cos()()ttt第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分dddP xQ yR zcoscoscosdPQRs令tAd
16、tAs,),(RQPA)d,d,(ddzyxs)cos,cos,(costdAs dA t s 记 A 在 t 上的投影为则LsyxQyxPdcos),(cos),(dAs 第二节第二节 第二类曲线积分第二类曲线积分12(,)d(,)ddddddd(),(),()d:(),(),()()d:()ddcoscosdLLLLLLbaLLP x yxQ x yyP xQ yP xQ yP xQ yxtPtQttLytP xxQ xxtxL yxPxQyPQs 定义:定义及性质性质:,计算,关系:D设单连区线 围通域 由分段光滑正向曲格林公式L:成,复连通区域复连通区域单连通区域单连通区域DD(,),
17、(,)P x y Q x yD数阶连续导数函在 上有一,dd()d dLDQPP x Q yx yxy则有12(,)()(),Dx yxyx axb设证证yxOab1()yx2()yxDABnmdddLAmBBnAP xP xP x12(,()d(,()dbaabP xxxP xxx21(,()(,()dbaP xxP xxx21()2()1()d ddd(,)d()bxbaxaDxPPx yxyP x yxxyy 21(,()(,()dbaP xxP xxx dd dLDPP xx yy 即dd dLDQQyxyx 同 理()d dddLDQPx yP xQ yxy 两 式相加得D设复连通区
18、域 由分段光滑正向曲线格林公式:LDl(,),(,)LlP x yQ x yD 围成,函数在上有阶连续一偏导数,则有dd()d dL lDQPP xQ yx yxy e cosd(e sin)dxxLyxyxy 例例LDO(2,0)Am22:(1)1Lxy (,)e cos,xP x yy设解解(,)e sinxQ x yyx e sin1,e sinxxQPyyxy ()d dd d2DDQPx yx yxy 原式LL llL lllD e cosd(e sin)dxxLy xyxy 例例LAmO(如图)e sin1,e sinxxQPyyxy 解解DO(2,0)Ame cosd(e sin
19、)dxxLOAyxyxy 原 式e cosd(e sin)dxxOAyxyxy 10d de de12xDx yx 2222dd,:1Ly xx yL xyxy .正向例例dd2d d2LDy xx yx y 原式解解cos:02sinxtLtyt 解解220sin(sin)dcosd21tttt t 原式L2222dd,:14Ly xx yL xyxy .正向例例2224,xy 令解解cos,2sinxtyt则Dl2222,44yxPQxyxy222222222244,(4)(4)PxyQxyyxyxxy2222dddd44Llly xx yy xx yIxyxy22202211sin(si
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