考研数学一 · 高等数学:三重积分、曲线积分与曲面积分(仅数学一)

三重积分与线面积分

从“一块物体的质量”讲起:先学会看方程认曲面,再掌握三重积分的四种算法;然后是第一型曲线、曲面积分(铁丝和薄壳的质量),第二型曲线、曲面积分(功和流量),以及把边界上的积分换成里面的积分的三大公式:格林、高斯、斯托克斯。每个概念先用一句大白话说清楚,再看图、给公式和方法卡,最后跟着例题一步一步算,每一步都写了“为什么”;配上 Maki《真题分类精解》第三十四—三十七讲收录的 2010—2026 年全部相关真题。

数一真题 36 道(解答题 18 道) 李林第十三、十四章例题与习题全部讲到 答案经程序验算 394 项
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先看全貌

先用三张图看懂三大公式在做什么,再看全章地图、和李林讲义的对应、真题考了什么,最后是 8 天的学习计划。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章,仅数学一)

第十三章:1. 理解三重积分的概念;2. 会计算三重积分(直角坐标、柱面坐标、球面坐标);3. 理解第一型曲线积分、第一型曲面积分的概念;4. 掌握第一型曲线积分、第一型曲面积分的计算方法;5. 会用三重积分、第一型曲线积分、第一型曲面积分求体积、弧长、曲面面积、质量、质心、形心、转动惯量、引力、功等。

第十四章:1. 理解第二型曲线与曲面积分的概念;2. 理解两类曲线积分、两类曲面积分的关系;3. 掌握第二型曲线与曲面积分的计算方法;4. 掌握格林公式并会运用平面曲线积分与路径无关的条件,会求二元函数全微分的原函数;5. 掌握高斯公式、斯托克斯公式;6. 了解散度与旋度的概念,并会计算。

每一部分开头的方框只列这一部分用到的几条;第 11 部分 11.4 节把它们拆成考点,逐条列出讲在哪里、有哪些真题。

0.1这一章在干什么:切碎、近似、求和,再加三个大公式

这份笔记里的所有积分,本质上都是同一件事:把一个东西切成很多小块,每一小块“某个量 × 小块的大小”,加起来,取极限。区别只在于切的是什么:

  • 立体(小块体积  dV\dV):三重积分,物体的质量、体积、质心。第 1 部分。
  • 曲线(小段弧长  ds\ds):第一型曲线积分,铁丝的质量。第 2 部分。
  • 曲面(小块面积  dS\dS):第一型曲面积分,薄壳的质量。第 3 部分。
  • 有方向的曲线(小位移  dx, dy, dz\dx,\dy,\dz):第二型曲线积分,变力做的功。第 4、6 部分。
  • 有侧的曲面(带正负号的投影  dy dz, dz dx, dx dy\dy\dz,\dz\dx,\dx\dy):第二型曲面积分,流体的流量。第 5 部分。

三个大公式把“边界上的积分”和“里面的积分”连起来:格林(平面闭曲线 ↔ 区域)、高斯(闭曲面 ↔ 立体)、斯托克斯(空间闭曲线 ↔ 曲面)。真题的大题几乎都是在考“能不能用、怎么补、怎么挖”。

D格林:边界曲线 ↔ 平面区域
格林:平面闭曲线 ↔ 所围区域。
Ω高斯:闭曲面 ↔ 立体
高斯:闭曲面 ↔ 所围立体。
斯托克斯:空间闭曲线 ↔ 曲面
斯托克斯:空间闭曲线 ↔ 所张曲面。
四类积分一张表
  • 三重积分 ∭Ωf dV\iiint_\Omega f\dV:拆成“定积分 + 二重积分”,或用柱面、球面坐标。
  • 第一型 ∫Lf ds\int_Lf\ds、∬Sf dS\iint_Sf\dS:没有方向,化成定积分、二重积分时下限小于上限; ds=x′2+y′2+z′2 dt\ds=\sqrt{x'^2+y'^2+z'^2}\dt, dS=1+zx2+zy2 dx dy\dS=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy。
  • 第二型 ∫LP dx+Q dy+R dz\int_LP\dx+Q\dy+R\dz、∬SP dy dz+Q dz dx+R dx dy\iint_SP\dy\dz+Q\dz\dx+R\dx\dy:有方向(侧),反过来积分变号。
  • 两类的关系:∫LP dx+Q dy=∫L(Pcos⁡α+Qcos⁡β) ds\int_LP\dx+Q\dy=\int_L(P\cos\alpha+Q\cos\beta)\ds,∬SP dy dz+⋯=∬S(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ) dS\iint_SP\dy\dz+\cdots=\iint_S(P\cos\alpha+Q\cos\beta+R\cos\gamma)\dS。
一句话记住先认类型,再化简(代入、对称),再看能不能用大公式,最后才老老实实参数化或投影。第 8 部分把这句话画成了一张流程图。

0.2全章地图,和李林讲义怎么配合

七个部分的先后顺序就是学习顺序:A 部分和第 1 部分打地基;第 2、3 部分是没有方向的第一型积分;第 4、5、6 部分是有方向的第二型积分和三大公式;第 7 部分是应用。点方块跳到对应部分。

和《26 李林高数辅导讲义》的对照

本页负责“从零讲懂 + 真题”,讲义负责“题型归纳 + 更多练习”。每部分开头的“考试要求”框是讲义第十三、十四章开头的考试要求(大纲原文);正文里标着“李林 第十四章 §1 例 5 · p354”的例题,是从讲义里挑出来、按本页的写法重新讲一遍的,可以对照原书看。讲义这两章的典型例题、“例如”和章末习题全部用到了。

本页李林讲义
A 零基础补课(讲义默认你已经会的空间解析几何与二重积分)
第 1 部分 三重积分第十三章第一节 三重积分 p330—337
第 2 部分 第一型曲线积分第十三章第二节 p337—340
第 3 部分 第一型曲面积分第十三章第三节 p340—344
第 4 部分 第二型曲线积分第十四章第一节 p348—359;第三节(曲线积分的奇偶性)p368—370
第 5 部分 第二型曲面积分第十四章第二节 p359—368;第三节(曲面积分的奇偶性)p370—371
第 6 部分 斯托克斯与场论第十四章第一节 斯托克斯公式 p352;第四节 场论简介 p372—373
第 7 部分 应用第十三章各节的应用例题;第十四章例 11
第 12 部分 综合练习第十三章习题 p344—347;第十四章习题 p373—382
本页不含的相关内容
  • 二重积分本身(定限、换序、极坐标、对称):见《二重积分》笔记,A.5 节只列了本页要用的几条。
  • 向量代数、空间曲面方程、条件极值:见《一元与多元微分学》笔记。

0.3考情:考多少、考在哪

Maki《真题分类精解》第三十四—三十七讲收了 2010—2026 年数一的 36 道题,其中解答题 18 道;17 年里每年都有。全部在本页讲过,下表按部分列出落点。

部分真题落点(点击跳到例题)
第 1 部分 三重积分
5 道(选择 1、填空 2、解答 2)
2010(12)、2013(19)、2015(12)、2019(19)、2026(4)
第 2 部分 第一型曲线积分
1 道(选择 0、填空 1、解答 0)
2018(12)
第 3 部分 第一型曲面积分
2 道(选择 0、填空 1、解答 1)
2010(19)、2012(12)
第 4 部分 第二型曲线积分与格林公式
10 道(选择 2、填空 3、解答 5)
2010(11)、2012(19)、2013(4)、2016(17)、2017(11)、2019(4)、2020(16)、2021(20)、2025(14)、2026(19)
第 5 部分 第二型曲面积分与高斯公式
9 道(选择 1、填空 2、解答 6)
2014(18)、2016(18)、2018(17)、2019(12)、2020(18)、2021(14)、2023(19)、2024(2)、2025(20)
第 6 部分 空间曲线积分、斯托克斯与场论
8 道(选择 0、填空 5、解答 3)
2011(12)、2014(12)、2015(19)、2016(10)、2018(11)、2022(19)、2024(20)、2026(11)
第 7 部分 应用
1 道(选择 0、填空 0、解答 1)
2017(19)

从表里能看出三件事:

  1. 第二型曲线积分(第 4 部分,10 道)和第二型曲面积分(第 5 部分,9 道)最多,大题几乎年年出,一道 10—12 分:格林补线、挖洞、路径无关、高斯补面轮着考。
  2. 斯托克斯与场论(第 6 部分)有 8 道:斯托克斯多是大题,散度、旋度是 4 分的送分填空。
  3. 三重积分(第 1 部分)5 道,其中 3 道是求形心;三重积分更多是藏在高斯公式里考(第 5 部分的高斯题都要算三重积分)。

逐年分布(选择、填空按 4 分,解答题按 10 分或 12 分估算)

年份题号约占分
2010(11)、(12)、(19)18
2011(12)4
2012(12)、(19)14
2013(4)、(19)14
2014(12)、(18)14
2015(12)、(19)14
2016(10)、(17)、(18)24
2017(11)、(19)14
2018(11)、(12)、(17)18
2019(4)、(12)、(19)18
2020(16)、(18)20
2021(14)、(20)16
2022(19)12
2023(19)12
2024(2)、(20)16
2025(14)、(20)16
2026(4)、(11)、(19)20

0.4接下来 8 天怎么学

你的《05-进度表》把重积分排在 W10(9/20—9/26),把曲线积分、曲面积分排在 W11(9/27—10/3)。下面把这一页拆成 8 天,每天约 2 小时,沿用《02-方法卡》的例题桥接法:例题先遮住解答自己做 5 分钟,再点开对照;做完标 ⭕ / △ / ✗,△ 和 ✗ 第二天重做;卡住的地方在《04-错题断点本》只记一行“卡在哪一步、下次看到什么就想到什么”。表里列的是当天必做的真题(点进去是正文的例题),36 道一道不漏。

天学什么当天必做的真题
D1A 部分补课;1.1—1.3 概念、对称性、先一后二与先二后一、柱面坐标2015(12)
D21.4—1.5 球面坐标、形心;第 2 部分 第一型曲线积分2010(12)、2013(19)、2018(12)、2019(19)、2026(4)
D3第 3 部分 第一型曲面积分;4.1—4.2 第二型曲线积分、格林公式2010(11)、2010(19)、2012(12)、2013(4)
D44.3—4.4 补线、挖洞2012(19)、2020(16)、2021(20)、2025(14)、2026(19)
D5 ⊕4.5—4.6 路径无关、对称性;回炉 D1—D4 的 △ ✗2016(17)、2017(11)、2019(4)
D65.1—5.4 有向曲面、分面投影、合一投影、高斯公式2016(18)、2019(12)、2020(18)、2021(14)、2023(19)、2024(2)
D75.5—5.6 补面与挖奇点、对称性;第 6 部分 斯托克斯与场论2011(12)、2014(12)、2014(18)、2015(19)、2016(10)、2018(11)、2018(17)、2022(19)、2024(20)、2025(20)、2026(11)
D8 ⊕第 7 部分 应用;第 8—10 部分复盘;第 12 部分挑 10 道限时2017(19)
和进度表对齐
  • 如果 W10 已经学过三重积分:D1、D2 合成一天(只做真题和做错过的例题),剩下 7 天正好是 W11(9/27—10/3)。
  • 如果三重积分还没学:按 8 天走,W12 的无穷级数顺延一天;按进度表的红线规则:砍题量,不砍覆盖。
时间不够时

每天优先做完“当天必做的真题”;普通例题每节只做第一道;第 12 部分的练习留到考前一轮再做。

基础薄弱先看这里

如果看不出 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 是圆锥面、不会求两张曲面的交线投影,第一天只读 A 部分。

0.5小结:看到这类题,去哪一部分

题目里的说法去哪一部分例子
∭\iiint,求形心第 1 部分:选坐标、截面法例 1.4、例 1.7
∫Lf ds\int_Lf\ds,曲线在球面上第 2 部分:代入、轮换例 2.4
∬Sf dS\iint_Sf\dS、薄片的质量第 3、7 部分:投影例 3.2、例 3.5、例 7.2
平面上 ∫LP dx+Q dy\int_LP\dx+Q\dy第 4 部分:格林、补线、挖洞、路径无关例 4.5、例 4.10、例 4.15
∬SP dy dz+⋯\iint_SP\dy\dz+\cdots第 5 部分:投影或高斯例 5.2、例 5.9、例 5.7
空间闭曲线、散度、旋度第 6 部分:斯托克斯、场论例 6.4、例 6.9
A 部分

零基础补课:读懂空间里的曲面与曲线

零基础补课:空间里的方程怎么读、两张曲面怎么求交线和投影、法向量和参数方程怎么写。这几样是后面每一道题的第一步,先在这里练熟。

A.1空间里,一个方程就是一张曲面

大白话:平面上,一个方程(比如 x2+y2=1x^2+y^2=1)画出来是一条曲线;到了空间,一个方程画出来是一张曲面,两个方程联立才是一条曲线。这一章的所有题目,第一步都是“看方程认出曲面”:球面、圆锥面、旋转抛物面、圆柱面、平面,基本就这五种。认对了,立体长什么样、从哪里穿进穿出,就都看得见了。

xyzOx²+y²+z²=R²
球面:x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2。
xyzOz=√(x²+y²)
圆锥面:z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}。
xyzOz=x²+y²
旋转抛物面:z=x2+y2z=x^2+y^2。
xyzOx²+y²=R²
圆柱面:x2+y2=R2x^2+y^2=R^2(方程里没有 zz)。
常见曲面(看方程认形状)
  • 球面:x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2;配方后是 (x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2(x-a)^2+(y-b)^2+(z-c)^2=R^2,球心 (a,b,c)(a,b,c)。z=R2−x2−y2z=\sqrt{R^2-x^2-y^2} 是上半球面。
  • 圆锥面:z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}(顶点在原点,半顶角 45∘45^\circ);z=x2+y23z=\sqrt{\frac{x^2+y^2}3} 的半顶角是 60∘60^\circ,因为 tan⁡φ=x2+y2z=3\tan\varphi=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}z=\sqrt3。
  • 旋转抛物面:z=x2+y2z=x^2+y^2(碗口朝上);z=a−x2−y2z=a-x^2-y^2 碗口朝下。
  • 柱面:方程里缺哪个变量,母线就平行于哪个轴。x2+y2=R2x^2+y^2=R^2 是圆柱面,x2+y2=2xx^2+y^2=2x 是轴线过 (1,0)(1,0) 的圆柱面。
  • 平面:一次方程 Ax+By+Cz=DAx+By+Cz=D,法向量 (A,B,C)(A,B,C)。
  • 椭球面:x2a2+y2b2+z2c2=1\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1。
方法卡 · 看方程认曲面
什么时候用
题目给出“由某某曲面围成的立体”,或者“某某曲面的一部分”。
步骤
  1. 数一数方程里有几个变量:缺一个变量 → 柱面。
  2. 三个变量都在:平方和等于常数 → 球面;一边是 zz、另一边是 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} → 圆锥面;一边是 zz、另一边是 x2+y2x^2+y^2 → 抛物面;全是一次 → 平面。
  3. 有交叉项或一次项,先配方,找出中心。
最容易错
把 x2+y2=1x^2+y^2=1 当成圆(在空间里它是圆柱面);把 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 当成抛物面(没有根号的才是抛物面)。

A.2两张曲面:交线、投影、谁在上面

大白话:两张曲面围成一个立体时,要回答三个问题:它们在哪里相交?立体投到 xOyxOy 面上是什么区域?竖着往上穿,先碰哪张、后碰哪张?交线的投影,就是把两个方程联立、消去 zz 得到的那条平面曲线;在投影区域里任取一点,代进两个 zz 的表达式比大小,大的在上面。

xyzO交线:x²+y²=1,z=1上:球面下:锥面投影 D:x²+y²≤1
锥面在下、球面在上,交线是高度 z=1z=1 的圆,投到 xOyxOy 面是圆盘 x2+y2≤1x^2+y^2\le1。
交线与投影
  • 两曲面 z=z1(x,y)z=z_1(x,y)、z=z2(x,y)z=z_2(x,y) 的交线:联立两个方程;消去 zz 得到的方程 H(x,y)=0H(x,y)=0 是一个柱面,它和 xOyxOy 面的交线(H(x,y)=0, z=0H(x,y)=0,\ z=0)就是交线的投影。
  • 投影区域 DxyD_{xy}:交线投影围成的区域。
  • 谁在上面:在 DxyD_{xy} 内取一点(常取原点),代入比较 z1,z2z_1,z_2。
例 A.1基础
(1)说出下列方程表示的曲面:①x2+y2+z2=2zx^2+y^2+z^2=2z;②z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2};③z=2−x2−y2z=2-x^2-y^2;④x2+y2=2yx^2+y^2=2y;⑤2x+y+2z=22x+y+2z=2。(2)立体 Ω\Omega 由 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 与 z=2−x2−y2z=\sqrt{2-x^2-y^2} 围成,求它在 xOyxOy 面上的投影区域,并说明哪张曲面在上面。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 球面要先配方。x2+y2+z2−2z=0  ⟺  x2+y2+(z−1)2=1x^2+y^2+z^2-2z=0\iff x^2+y^2+(z-1)^2=1:球心 (0,0,1)(0,0,1)、半径 1 的球面,它过原点。

有一次项 −2z-2z,把 zz 的两项配成完全平方,球心和半径才看得出来。

② ③ 锥面与抛物面。②是顶点在原点、开口朝上的圆锥面(半顶角 45∘45^\circ);③是顶点 (0,0,2)(0,0,2)、开口朝下的旋转抛物面。

②右边是距离 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 本身,高度与距离成正比,是锥面;③右边是距离的平方,是抛物面,负号让开口朝下。

④ ⑤ 柱面与平面。④缺 zz,是柱面;x2+(y−1)2=1x^2+(y-1)^2=1,轴线过 (0,1)(0,1)、平行于 zz 轴,半径 1。⑤是平面,与三个坐标轴交于 (1,0,0)(1,0,0)、(0,2,0)(0,2,0)、(0,0,1)(0,0,1)。

方程里没有 zz,zz 可以任取,截面处处是同一个圆,所以是柱面;一次方程是平面,令另外两个变量为 0 就得到截距。

⑥ 求交线的投影。联立 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}、z=2−x2−y2z=\sqrt{2-x^2-y^2},两边平方后消去 zz:x2+y2=2−x2−y2x^2+y^2=2-x^2-y^2,即 x2+y2=1x^2+y^2=1,此时 z=1z=1。投影区域 Dxy:x2+y2≤1D_{xy}:x^2+y^2\le1。

交线上两个 zz 相等;消去 zz 留下的 x2+y2=1x^2+y^2=1 就是交线投影到 xOyxOy 面的圆。

⑦ 判断上下。在 DxyD_{xy} 内取原点:锥面给 z=0z=0,球面给 z=2z=\sqrt2,所以球面在上、锥面在下。

立体夹在两张曲面之间;竖着往上穿,先碰到的是下面那张。代一个点比大小最快。

答案:(1) ①球面(心 (0,0,1)(0,0,1),半径 1)②圆锥面 ③开口朝下的旋转抛物面 ④圆柱面 ⑤平面;(2) Dxy:x2+y2≤1D_{xy}:x^2+y^2\le1,球面在上、锥面在下

A.3向量工具:法向量与方向余弦

大白话:曲面积分要用到曲面的“朝向”,这个朝向就是法向量,一根垂直于曲面的箭头。它在 x,y,zx,y,z 三个方向上各占多少,用方向余弦 cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma 表示:把法向量变成长度 1,三个分量就是这三个余弦。

xyzOn=(−fx, −fy, 1)切平面z=f(x, y)
曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 在 PP 点朝上的法向量 n=(−fx,−fy,1)\bn=(-f_x,-f_y,1),它垂直于切平面。
法向量与方向余弦
  • 曲面 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0:法向量 n=(Fx,Fy,Fz)\bn=(F_x,F_y,F_z)(朝向要自己判断)。
  • 曲面 z=f(x,y)z=f(x,y):写成 F=f(x,y)−zF=f(x,y)-z,得 n=(fx,fy,−1)\bn=(f_x,f_y,-1)(朝下);朝上的法向量是 n=(−fx,−fy,1)\bn=(-f_x,-f_y,1)。
  • 平面 Ax+By+Cz=DAx+By+Cz=D:法向量 (A,B,C)(A,B,C),处处一样。
  • 单位法向量与方向余弦:n0=n∣n∣=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)\bn^0=\dfrac{\bn}{|\bn|}=(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma),cos⁡2α+cos⁡2β+cos⁡2γ=1\cos^2\alpha+\cos^2\beta+\cos^2\gamma=1。
  • 叉积:a×b=∣ijka1a2a3b1b2b3∣\boldsymbol a\times\boldsymbol b=\begin{vmatrix}\boldsymbol i&\boldsymbol j&\boldsymbol k\\a_1&a_2&a_3\\b_1&b_2&b_3\end{vmatrix},同时垂直于 a\boldsymbol a 和 b\boldsymbol b。旋度和参数曲面的法向量都用它。
例 A.2基础
(1)求曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2 在点 (1,1,2)(1,1,2) 处朝上的单位法向量;(2)求平面 2x+y+2z=22x+y+2z=2 的单位法向量(取与 zz 轴正向夹角为锐角的那个)及其方向余弦。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (1) 偏导数。f=x2+y2f=x^2+y^2,fx=2x=2f_x=2x=2,fy=2y=2f_y=2y=2(在 (1,1)(1,1) 处)。

朝上的法向量是 (−fx,−fy,1)(-f_x,-f_y,1),先把两个偏导数算出来。

② (1) 单位化。n=(−2,−2,1)\bn=(-2,-2,1),∣n∣=4+4+1=3|\bn|=\sqrt{4+4+1}=3,n0=(−23,−23,13)\bn^0=\Big(-\dfrac23,-\dfrac23,\dfrac13\Big)。

zz 分量是正的,确实朝上;除以长度 3 后长度变成 1。

③ (2) 平面的法向量。n=(2,1,2)\bn=(2,1,2),∣n∣=3|\bn|=3,cos⁡α=23, cos⁡β=13, cos⁡γ=23\cos\alpha=\dfrac23,\ \cos\beta=\dfrac13,\ \cos\gamma=\dfrac23。

平面 Ax+By+Cz=DAx+By+Cz=D 的法向量就是系数 (A,B,C)(A,B,C);cos⁡γ=23>0\cos\gamma=\frac23>0,与 zz 轴正向成锐角,是题目要的那个。

④ 检验。(23)2+(13)2+(23)2=4+1+49=1\big(\frac23\big)^2+\big(\frac13\big)^2+\big(\frac23\big)^2=\frac{4+1+4}9=1。

三个方向余弦的平方和一定等于 1,可以用来检查算错没有。

答案:(1) (−23,−23,13)\big(-\frac23,-\frac23,\frac13\big);(2) (23,13,23)\big(\frac23,\frac13,\frac23\big),cos⁡α=23\cos\alpha=\frac23,cos⁡β=13\cos\beta=\frac13,cos⁡γ=23\cos\gamma=\frac23

A.4参数方程:把一条曲线交给一个参数

大白话:曲线积分最后都要化成定积分,办法就是让曲线上的点只随一个参数 tt 变化:x=x(t), y=y(t), z=z(t)x=x(t),\ y=y(t),\ z=z(t)。圆用 cos⁡t,sin⁡t\cos t,\sin t;两个曲面的交线,先挑一个“干净”的方程参数化,再把另一个方程代进去求第三个坐标。

xyzOz=cos t+sin t柱面 x²+y²=1
柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1 与平面 z=x+yz=x+y 的交线:x=cos⁡t, y=sin⁡t, z=cos⁡t+sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,\ z=\cos t+\sin t。
常用参数方程
  • 圆 (x−a)2+(y−b)2=R2(x-a)^2+(y-b)^2=R^2:x=a+Rcos⁡t, y=b+Rsin⁡tx=a+R\cos t,\ y=b+R\sin t,tt 从 0 到 2π2\pi 是逆时针一圈。
  • 椭圆 x2a2+y2b2=1\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}=1:x=acos⁡t, y=bsin⁡tx=a\cos t,\ y=b\sin t。
  • 曲线 y=f(x)y=f(x):把 xx 当参数,x=x, y=f(x)x=x,\ y=f(x)。
  • 柱面 x2+y2=R2x^2+y^2=R^2 与另一曲面的交线:x=Rcos⁡t, y=Rsin⁡tx=R\cos t,\ y=R\sin t,zz 从另一个方程解出。
  • 球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 与过球心的平面的交线是半径 RR 的大圆;要参数化时,在平面里找两个互相垂直的单位向量 e1,e2\boldsymbol e_1,\boldsymbol e_2,写 r=R(e1cos⁡t+e2sin⁡t)\boldsymbol r=R(\boldsymbol e_1\cos t+\boldsymbol e_2\sin t)。
例 A.3基础
写出下列曲线的参数方程:(1)柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1 与平面 z=x+yz=x+y 的交线;(2)半球面 z=2−x2−y2z=\sqrt{2-x^2-y^2} 与平面 z=xz=x 的交线;(3)圆 x2+y2=2xx^2+y^2=2x。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (1) 先用柱面。柱面给出 x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,代入平面:z=cos⁡t+sin⁡tz=\cos t+\sin t,0≤t≤2π0\le t\le2\pi。

柱面方程只含 x,yx,y,是个圆,最容易参数化;平面方程把 zz 用 x,yx,y 表示出来,直接代入。

② (2) 消去 zz 找投影。把 z=xz=x 代入球面:x2=2−x2−y2x^2=2-x^2-y^2,即 2x2+y2=22x^2+y^2=2,也就是 x2+y22=1x^2+\dfrac{y^2}2=1(x≥0x\ge0,因为 z=x≥0z=x\ge0)。

交线在 xOyxOy 面上的投影是椭圆;半球面要求 z≥0z\ge0,而 z=xz=x,所以只取 x≥0x\ge0 的一半。

③ (2) 参数化椭圆。x=cos⁡t, y=2sin⁡t, z=cos⁡tx=\cos t,\ y=\sqrt2\sin t,\ z=\cos t,−π2≤t≤π2-\dfrac\pi2\le t\le\dfrac\pi2。

椭圆 x21+y22=1\frac{x^2}{1}+\frac{y^2}{2}=1 的半轴是 1 和 2\sqrt2;cos⁡t≥0\cos t\ge0 对应 t∈[−π2,π2]t\in[-\frac\pi2,\frac\pi2];zz 就等于 xx。这正是 2015 数一(19) 的曲线。

④ (3) 配方。(x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1:x=1+cos⁡t, y=sin⁡tx=1+\cos t,\ y=\sin t,0≤t≤2π0\le t\le2\pi。也可以用极坐标 r=2cos⁡θr=2\cos\theta,−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2。

圆心 (1,0)(1,0)、半径 1;配方后套圆的参数方程。

答案:(1) x=cos⁡t, y=sin⁡t, z=cos⁡t+sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,\ z=\cos t+\sin t;(2) x=cos⁡t, y=2sin⁡t, z=cos⁡tx=\cos t,\ y=\sqrt2\sin t,\ z=\cos t,t∈[−π2,π2]t\in[-\frac\pi2,\frac\pi2];(3) x=1+cos⁡t, y=sin⁡tx=1+\cos t,\ y=\sin t

A.5二重积分速查(本章处处要用)

大白话:三重积分“先一后二”之后剩下一个二重积分,曲面积分投影之后也剩下一个二重积分。所以二重积分是这一章的地基。下面这张表是本章最常用的几条,详细讲解见《二重积分》笔记第 3—5 部分。

工具要点
极坐标x=rcos⁡θ, y=rsin⁡θx=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta, dx dy=r dr dθ\dx\dy=r\dr\dth;区域是圆、扇形,或被积函数含 x2+y2x^2+y^2 时用
偏心圆x2+y2=2axx^2+y^2=2ax 即 r=2acos⁡θr=2a\cos\theta,−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2
椭圆区域x=arcos⁡θ, y=brsin⁡θx=ar\cos\theta,\ y=br\sin\theta, dx dy=ab r dr dθ\dx\dy=ab\,r\dr\dth;面积 πab\pi ab
奇偶对称区域关于 yy 轴对称、ff 关于 xx 是奇函数,积分为 0
形心∬Dxdσ=xˉ⋅SD\iint_Dx\dd\sigma=\bar x\cdot S_D:知道形心就不用算
华里士∫0π/2sin⁡nθ dθ=∫0π/2cos⁡nθ dθ\int_0^{\pi/2}\sin^n\theta\dth=\int_0^{\pi/2}\cos^n\theta\dth:n=2n=2 是 π4\frac\pi4,n=3n=3 是 23\frac23,n=4n=4 是 3π16\frac{3\pi}{16},n=5n=5 是 815\frac8{15}

A.6小结

要会的事怎么做例子
看方程认曲面缺变量是柱面;平方和是球;x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 是锥;x2+y2x^2+y^2 是抛物面例 A.1
求立体的投影、判断上下联立消去 zz 得投影边界;代点比大小例 A.1
求法向量、方向余弦z=f(x,y)z=f(x,y) 朝上是 (−fx,−fy,1)(-f_x,-f_y,1),再除以长度例 A.2
写曲线的参数方程先参数化“干净”的方程,再代入另一个例 A.3
第 1 部分

三重积分

三重积分是“一块物体的质量”。这一部分讲怎么把它拆成定积分和二重积分:直角坐标的两种拆法、柱面坐标、球面坐标,再加上对称性和形心公式。真题 5 道,3 道是求形心。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章第 1、2 条)
  1. 理解三重积分的概念。
  2. 会计算三重积分(直角坐标、柱面坐标、球面坐标)。

对应李林讲义第十三章第一节“三重积分”(p330—337)。Maki《真题分类精解》第三十四讲“三重积分”的 5 道真题都在这一部分:一道选坐标系的选择题、一道轮换对称的填空题,其余三道都是求形心。

1.1概念、性质与对称性

大白话:二重积分算的是“一块薄板的质量”,三重积分算的是一整块物体的质量:密度 ρ(x,y,z)\rho(x,y,z) 各处不同,就把物体切成很多小块,每块的质量约等于“密度 × 小块体积”,加起来、切得越来越细、取极限。被积函数是 1 时,算出来就是体积。性质和二重积分一模一样,其中最值钱的是对称性:能用对称性消掉的项,一个都不要算。

xyzO小块 ΔV,密度约 ρ(ξ, η, ζ)Ω
把物体 Ω\Omega 切成小块 ΔVi\Delta V_i,每块质量约 ρ(ξi,ηi,ζi)ΔVi\rho(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta V_i。
定义、性质与对称性(李林 p330—331) ∭Ωf(x,y,z) dV=lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔVi.\displaystyle \iiint_\Omega f(x,y,z)\dV=\lim_{d\to0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta V_i .
  • 物理意义:f=ρf=\rho 是密度时,积分是物体的质量;∭Ω1 dV=V\iiint_\Omega1\dV=V(Ω\Omega 的体积)。
  • 线性、可加、中值定理:与二重积分相同;∭Ωf dV=f(ξ,η,ζ)⋅V\iiint_\Omega f\dV=f(\xi,\eta,\zeta)\cdot V。
  • 奇偶对称:Ω\Omega 关于 yOzyOz 面(x→−xx\to-x)对称时,ff 关于 xx 是奇函数则积分为 0,是偶函数则等于一半区域上的 2 倍。关于 xOzxOz 面看 yy,关于 xOyxOy 面看 zz。三个坐标面都对称、ff 对 x,y,zx,y,z 都是偶函数,就是第一卦限的 8 倍。
  • 轮换对称:Ω\Omega 在 x→y→z→xx\to y\to z\to x 下不变(例如关于 x=y=zx=y=z 对称的四面体、球、第一卦限的八分之一球),则 ∭x dV=∭y dV=∭z dV\iiint x\dV=\iiint y\dV=\iiint z\dV,∭x2 dV=∭y2 dV=∭z2 dV\iiint x^2\dV=\iiint y^2\dV=\iiint z^2\dV。只关于平面 x=yx=y 对称时,只能把 x,yx,y 互换。
方法卡 · 先看对称性再动手
什么时候用
被积函数是几项之和,或者区域是球、半球、关于坐标面对称的立体。
步骤
  1. 把被积函数展开成几项。
  2. 对每一项问两件事:区域关于哪个坐标面对称?这一项对那个变量是奇是偶?奇的直接划掉。
  3. 剩下的项看能否轮换:区域在变量互换下不变,就把 x2x^2、y2y^2 换成同一个,凑成 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 这样好算的式子。
最容易错
只看被积函数的奇偶、不看区域是否对称;区域只关于 x=yx=y 对称,却把 xx 和 zz 也互换了。
xyzOV2:第一卦限V1:上半球
V1V_1 是上半球,V2V_2 是它在第一卦限的那一块。
例 1.1李林 第十三章 §1 例 2 · p334
设 V1:x2+y2+z2≤R2, z≥0V_1:x^2+y^2+z^2\le R^2,\ z\ge0;V2:x2+y2+z2≤R2, x≥0, y≥0, z≥0V_2:x^2+y^2+z^2\le R^2,\ x\ge0,\ y\ge0,\ z\ge0,则正确的是( )
(A)∭V1x dV=4∭V2x dV\displaystyle\iiint_{V_1}x\dV=4\iiint_{V_2}x\dV
(B)∭V1y dV=4∭V2y dV\displaystyle\iiint_{V_1}y\dV=4\iiint_{V_2}y\dV
(C)∭V1z dV=4∭V2x dV\displaystyle\iiint_{V_1}z\dV=4\iiint_{V_2}x\dV
(D)∭V1xyz dV=4∭V2xyz dV\displaystyle\iiint_{V_1}xyz\dV=4\iiint_{V_2}xyz\dV
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看清两个区域。V1V_1 是上半球,V2V_2 是它在第一卦限的四分之一(见图)。V1V_1 关于 yOzyOz 面、xOzxOz 面都对称。

上半球把 xx 换成 −x-x、把 yy 换成 −y-y 都不变;四个“象限柱”各是一个 V2V_2。

② 排除(A)(B)(D)。xx 关于 xx 是奇函数,V1V_1 关于 yOzyOz 面对称,所以 ∭V1x dV=0\iiint_{V_1}x\dV=0;而 V2V_2 里 x≥0x\ge0,∭V2x dV>0\iiint_{V_2}x\dV>0,(A)不成立。同理(B)不成立。xyzxyz 关于 xx 是奇函数,∭V1xyz dV=0\iiint_{V_1}xyz\dV=0,而 V2V_2 上 xyz≥0xyz\ge0,(D)不成立。

奇函数在对称区域上正负抵消;第一卦限里三个坐标都非负,积分是正数,两边不可能相等。

③ 验证(C)的第一步。zz 关于 xx、关于 yy 都是偶函数,V1V_1 关于两个坐标面都对称,所以 ∭V1z dV=4∭V2z dV\iiint_{V_1}z\dV=4\iiint_{V_2}z\dV。

偶函数在对称的两半上积分相等;先按 xx 折一次、再按 yy 折一次,共 4 块,每块都是 V2V_2。

④ 验证(C)的第二步。V2V_2 在 x→y→z→xx\to y\to z\to x 下不变(轮换对称),所以 ∭V2z dV=∭V2x dV\iiint_{V_2}z\dV=\iiint_{V_2}x\dV。于是 ∭V1z dV=4∭V2x dV\iiint_{V_1}z\dV=4\iiint_{V_2}x\dV。所以选(C)。

第一卦限的八分之一球,把三个坐标轮流换一下,还是它自己;被积函数 zz 换成 xx,积分值不变。

答案:C

1.2直角坐标:先一后二(投影穿线)与先二后一(截面)

大白话:三重积分怎么算?拆成“一个定积分 + 一个二重积分”,有两种拆法。先一后二:把物体投到 xOyxOy 面上得到区域 DxyD_{xy},在 DxyD_{xy} 里任取一点竖直往上“穿一根针”,针从下曲面进、从上曲面出,这就是 zz 的上下限;先对 zz 积,剩下 DxyD_{xy} 上的二重积分。先二后一:用高度 zz 的水平面去切,得到截面 DzD_z,先在截面上做二重积分,再把 zz 从最低积到最高。

xyzO出:z=1−x−y进:z=0Dxy
先一后二:投影 DxyD_{xy} + 竖着穿针。
xyzO截面 Dz:x+y≤1−zz
先二后一:高度 zz 处的截面 DzD_z。
两种拆法(李林 p331—332)
  • 先一后二:Ω={(x,y)∈Dxy, z1(x,y)≤z≤z2(x,y)}\Omega=\{(x,y)\in D_{xy},\ z_1(x,y)\le z\le z_2(x,y)\},∭Ωf dV=∬Dxy[∫z1(x,y)z2(x,y)f dz]dσ\displaystyle\iiint_\Omega f\dV=\iint_{D_{xy}}\Big[\int_{z_1(x,y)}^{z_2(x,y)}f\dz\Big]\dd\sigma。
  • 先二后一:Ω={c≤z≤d, (x,y)∈Dz}\Omega=\{c\le z\le d,\ (x,y)\in D_z\},∭Ωf dV=∫cd[∬Dzfdσ] dz\displaystyle\iiint_\Omega f\dV=\int_c^d\Big[\iint_{D_z}f\dd\sigma\Big]\dz。被积函数只含 zz 时,里面的二重积分就是 f(z)⋅S(Dz)f(z)\cdot S(D_z)。

例如(李林 p332):VV 由 x+y+z=1x+y+z=1 与三个坐标面围成,求 ∭Vz dV\iiint_Vz\dV。

先一后二:Dxy:x+y≤1, x,y≥0D_{xy}:x+y\le1,\ x,y\ge0,zz 从 0 到 1−x−y1-x-y:∫01 dx∫01−x dy∫01−x−yz dz=∫01 dx∫01−x(1−x−y)22 dy=∫01(1−x)36 dx=124\displaystyle\int_0^1\dx\int_0^{1-x}\dy\int_0^{1-x-y}z\dz=\int_0^1\dx\int_0^{1-x}\frac{(1-x-y)^2}2\dy=\int_0^1\frac{(1-x)^3}6\dx=\frac1{24}。

先二后一:截面 DzD_z 是直角边为 1−z1-z 的等腰直角三角形,面积 12(1−z)2\frac12(1-z)^2:∫01z⋅12(1−z)2 dz=12⋅112=124\displaystyle\int_0^1z\cdot\frac12(1-z)^2\dz=\frac12\cdot\frac1{12}=\frac1{24}。两种拆法结果相同。

方法卡 · 先一后二还是先二后一
什么时候用
直角坐标下算三重积分,区域由几个曲面围成。
步骤
  1. 被积函数只含 zz(或只含一个变量),截面面积好求 → 先二后一,∫cdf(z)S(z) dz\int_c^df(z)S(z)\dz。
  2. 区域“上面一张曲面、下面一张曲面”,投影 DxyD_{xy} 简单 → 先一后二:先求投影,再穿针定 zz 的上下限。
  3. 剩下的二重积分按二重积分的办法算(投影是圆就用极坐标,那就是 1.3 节的柱面坐标)。
最容易错
投影区域找错(没有联立消去 zz);先二后一时把截面当成固定的,忘了 DzD_z 的大小随 zz 变。
例 1.22015 数一(12)李林 第十三章 §1 例 1 · p334
设 Ω\Omega 是由平面 x+y+z=1x+y+z=1 与三个坐标平面所围成的空间区域,则 ∭Ω(x+2y+3z) dx dy dz=\displaystyle\iiint_\Omega(x+2y+3z)\dx\dy\dz= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看出区域。Ω\Omega 是顶点为 (0,0,0)(0,0,0)、(1,0,0)(1,0,0)、(0,1,0)(0,1,0)、(0,0,1)(0,0,1) 的四面体(图同 1.2 节)。

平面 x+y+z=1x+y+z=1 和三个坐标面围成一个“角”,四个顶点是平面与三条坐标轴的交点和原点。

② 算 ∭z dV\iiint z\dV。由上面的例如,∭Ωz dV=∫01z⋅12(1−z)2 dz=124\displaystyle\iiint_\Omega z\dV=\int_0^1z\cdot\frac12(1-z)^2\dz=\frac1{24}。

被积函数只含 zz,先二后一最快:截面面积 12(1−z)2\frac12(1-z)^2 乘以 zz,再对 zz 积分。

③ 轮换对称。把 x,y,zx,y,z 轮流互换,方程 x+y+z=1x+y+z=1 和三个坐标面都不变,所以 Ω\Omega 轮换对称:∭x dV=∭y dV=∭z dV=124\iiint x\dV=\iiint y\dV=\iiint z\dV=\frac1{24}。

区域在变量互换下不变,积分值就与“积的是哪个变量”无关,不必再算 ∭x\iiint x 和 ∭y\iiint y。

④ 合起来。原式 =(1+2+3)⋅124=14=(1+2+3)\cdot\dfrac1{24}=\dfrac14。

线性:三项分别是 124\frac1{24}、2⋅1242\cdot\frac1{24}、3⋅1243\cdot\frac1{24}。

答案:14\frac14

1.3柱面坐标:投影是圆的时候

大白话:先一后二之后,剩下 DxyD_{xy} 上的二重积分;如果 DxyD_{xy} 是圆、扇形、圆环,这个二重积分自然用极坐标。“先对 zz 积,再用极坐标”合起来就叫柱面坐标:水平方向用 (r,θ)(r,\theta),竖直方向仍用 zz。它适合“绕 zz 轴转出来”的立体:圆柱、抛物面、锥面围成的区域。

xyzOθrzP(r, θ, z)
柱面坐标:x=rcos⁡θ, y=rsin⁡θ, z=zx=r\cos\theta,\ y=r\sin\theta,\ z=z。
柱面坐标(李林 p332—333) x=rcos⁡θ,\displaystyle x=r\cos\theta,y=rsin⁡θ,\displaystyle y=r\sin\theta,z=z;\displaystyle z=z; dV=r dr dθ dz.\displaystyle \dV=r\dr\dth\dz . ∭Ωf dV=∫αβ dθ∫r1r2r dr∫z1z2f dz,\displaystyle \iiint_\Omega f\dV=\int_\alpha^\beta\dth\int_{r_1}^{r_2}r\dr\int_{z_1}^{z_2}f\dz ,

其中 r1,r2r_1,r_2 可以依赖 θ\theta,z1,z2z_1,z_2 可以依赖 r,θr,\theta,ff 里的 x,yx,y 换成 rcos⁡θ, rsin⁡θr\cos\theta,\ r\sin\theta。

rr 就是二重积分极坐标里的那个 rr(雅可比行列式 J=rJ=r)。

例如(李林 p333):VV 由 z=x2+y2z=x^2+y^2 与 z=4z=4 围成,∭Vz dV=∫02π dθ∫02r dr∫r24z dz=2π∫02r⋅16−r42 dr=π(32−323)=64π3\displaystyle\iiint_Vz\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^2r\dr\int_{r^2}^4z\dz=2\pi\int_0^2r\cdot\frac{16-r^4}2\dr=\pi\Big(32-\frac{32}3\Big)=\frac{64\pi}3。投影 Dxy:x2+y2≤4D_{xy}:x^2+y^2\le4,竖着穿针从抛物面 z=r2z=r^2 进、从平面 z=4z=4 出。

方法卡 · 柱面坐标
什么时候用
投影 DxyD_{xy} 是圆、扇形、圆环;被积函数含 x2+y2x^2+y^2;区域是绕 zz 轴的旋转体。
步骤
  1. 求投影 DxyD_{xy},写成 α≤θ≤β, r1≤r≤r2\alpha\le\theta\le\beta,\ r_1\le r\le r_2。
  2. 穿针定 zz:下曲面 z1z_1、上曲面 z2z_2 都用 r,θr,\theta 表示(x2+y2x^2+y^2 换成 r2r^2)。
  3. 被积函数换成 r,θ,zr,\theta,z,乘上 rr,从里往外积。
最容易错
漏乘 rr;zz 的上下限在投影区域里换了曲面却没有分块(李林例 3 的解法 1 就要分两块)。
xyzO截面 Dz:x²+y²≤2zz=8z=2
旋转抛物面 x2+y2=2zx^2+y^2=2z 被 z=2z=2、z=8z=8 截出的部分,截面是圆盘 x2+y2≤2zx^2+y^2\le2z。
例 1.3李林 第十三章 §1 例 3 · p335
计算 I=∭V(x2+y2) dVI=\displaystyle\iiint_V(x^2+y^2)\dV,其中 VV 是由 {y2=2zx=0\begin{cases}y^2=2z\\x=0\end{cases} 绕 zz 轴旋转一周所得的曲面与 z=2z=2、z=8z=8 所围成的空间区域。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 写出旋转曲面。yOzyOz 面上的曲线 y2=2zy^2=2z 绕 zz 轴旋转:把 y2y^2 换成 x2+y2x^2+y^2,得旋转抛物面 x2+y2=2zx^2+y^2=2z。

绕 zz 轴转时 zz 不变,曲线上的点到 zz 轴的距离 ∣y∣|y| 变成空间点到 zz 轴的距离 x2+y2\sqrt{x^2+y^2}。

② 选先二后一。V={2≤z≤8, x2+y2≤2z}V=\{2\le z\le8,\ x^2+y^2\le2z\},截面 DzD_z 是半径 2z\sqrt{2z} 的圆盘。

被积函数 x2+y2x^2+y^2 在圆盘上用极坐标好算,而截面随 zz 规则变化;若先一后二,投影是 r≤4r\le4,但 r<2r<2 与 r>2r>2 两部分的下曲面不同,要分两块。

③ 截面上的二重积分。∬Dz(x2+y2)dσ=∫02π dθ∫02zr2⋅r dr=2π⋅(2z)24=2πz2\displaystyle\iint_{D_z}(x^2+y^2)\dd\sigma=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt{2z}}r^2\cdot r\dr=2\pi\cdot\frac{(2z)^2}4=2\pi z^2。

极坐标下 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2,面积元素再乘一个 rr,一共 r3r^3,积出来是 r44\frac{r^4}4。

④ 对 zz 积分。I=∫282πz2 dz=2π3(512−8)=336πI=\displaystyle\int_2^82\pi z^2\dz=\frac{2\pi}3(512-8)=336\pi。

截面上的结果只剩 zz,再从最低 2 积到最高 8。

⑤ 用柱面坐标核对。投影 r≤4r\le4:r≤2r\le2 时 zz 从 2 到 8,2≤r≤42\le r\le4 时 zz 从 r22\frac{r^2}2 到 8。∫02π dθ∫02r3⋅6 dr+∫02π dθ∫24r3(8−r22) dr=48π+288π=336π\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^2r^3\cdot6\dr+\int_0^{2\pi}\dth\int_2^4r^3\Big(8-\frac{r^2}2\Big)\dr=48\pi+288\pi=336\pi。

竖着穿针时,靠近 zz 轴的针从平面 z=2z=2 进,外圈的针从抛物面进,下曲面换了一次,所以要在 r=2r=2 处分块。

答案:336π336\pi

1.4球面坐标:球、锥和“冰淇淋筒”

大白话:区域是球、半球、或者“锥面上面扣一个球冠”(冰淇淋筒),被积函数里有 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2 时,用球面坐标:点 PP 用三个数描述,ρ\rho 是它到原点的距离,φ\varphi 是 OPOP 和 zz 轴正向的夹角,θ\theta 是转角(和柱面坐标一样)。在球面坐标下,球面是“ρ=\rho= 常数”,顶点在原点的锥面是“φ=\varphi= 常数”,上下限常常全是常数。

xyzOθφρP(ρ, φ, θ)
球面坐标:ρ\rho 是距离,φ\varphi 从 zz 轴正向量起(0≤φ≤π0\le\varphi\le\pi)。
球面坐标(李林 p333—334) x=ρsin⁡φcos⁡θ,\displaystyle x=\rho\sin\varphi\cos\theta,y=ρsin⁡φsin⁡θ,\displaystyle y=\rho\sin\varphi\sin\theta,z=ρcos⁡φ;\displaystyle z=\rho\cos\varphi; dV=ρ2sin⁡φ dρ dφ dθ.\displaystyle \dV=\rho^2\sin\varphi\drho\dphi\dth .
  • x2+y2+z2=ρ2x^2+y^2+z^2=\rho^2,x2+y2=ρ2sin⁡2φx^2+y^2=\rho^2\sin^2\varphi。
  • 球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2:ρ=R\rho=R;过原点的球面 x2+y2+z2=2azx^2+y^2+z^2=2az:ρ=2acos⁡φ\rho=2a\cos\varphi。
  • 锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}:φ=π4\varphi=\frac\pi4;z=x2+y23z=\sqrt{\frac{x^2+y^2}3}:φ=π3\varphi=\frac\pi3;一般 tan⁡φ=x2+y2z\tan\varphi=\frac{\sqrt{x^2+y^2}}z。

例如(李林 p333—334):VV 由 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 与 z=1−x2−y2z=\sqrt{1-x^2-y^2} 围成,0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi,0≤φ≤π40\le\varphi\le\frac\pi4,0≤ρ≤10\le\rho\le1:∭Vz dV=∫02π dθ∫0π/4 dφ∫01ρcos⁡φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=2π⋅14⋅14=π8\displaystyle\iiint_Vz\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/4}\dphi\int_0^1\rho\cos\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=2\pi\cdot\frac14\cdot\frac14=\frac\pi8。

方法卡 · 球面坐标
什么时候用
区域是球、半球、球被锥面截出的部分;被积函数含 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2。
步骤
  1. θ\theta:看立体绕 zz 轴转了多少(整圈 0→2π0\to2\pi)。
  2. φ\varphi:从 zz 轴正向量起,找立体张开的角度;锥面给出 φ\varphi 的边界,xOyxOy 面是 φ=π2\varphi=\frac\pi2。
  3. ρ\rho:从原点出发沿射线穿出去,碰到的曲面就是 ρ\rho 的上限(ρ=R\rho=R 或 ρ=2acos⁡φ\rho=2a\cos\varphi)。
  4. 被积函数换元后乘 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi。
最容易错
漏乘 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi;φ\varphi 从 xOyxOy 面量起(应从 zz 轴量起);把过原点的球面当成 ρ=R\rho=R。
xyzO交线 z=√2,半径 √2锥面 φ=π/4球面 ρ=2
球面在上、锥面在下,交线在 z=2z=\sqrt2、半径 2\sqrt2 处。
例 1.42026 数一(4)
已知有界区域 Ω\Omega 由曲面 z=4−x2−y2z=\sqrt{4-x^2-y^2} 与 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 围成,函数 f(u)f(u) 连续,则 ∭Ωf(x2+y2+z2) dx dy dz=\displaystyle\iiint_\Omega f(x^2+y^2+z^2)\dx\dy\dz=( )
(A)∫02π dθ∫02 dr∫r4−r2f(r2+z2)r dz\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^2\dr\int_r^{\sqrt{4-r^2}}f(r^2+z^2)r\dz
(B)∫02π dθ∫02 dr∫04−r2f(r2+z2)r dz\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt2}\dr\int_0^{\sqrt{4-r^2}}f(r^2+z^2)r\dz
(C)∫02π dθ∫0π/4 dφ∫02f(r2)r2sin⁡φ dr\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/4}\dphi\int_0^2f(r^2)r^2\sin\varphi\dr
(D)∫02π dθ∫0π/2 dφ∫02f(r2)r2sin⁡φ dr\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/2}\dphi\int_0^2f(r^2)r^2\sin\varphi\dr
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 画出区域。上面是半径 2 的上半球面,下面是半顶角 45∘45^\circ 的锥面,围成“冰淇淋筒”。交线:4−r2=r24-r^2=r^2,r=2r=\sqrt2,z=2z=\sqrt2。

两个 zz 相等的地方就是交线;消去 zz 得投影圆 r=2r=\sqrt2。

② 检查两个柱面坐标选项。投影是 r≤2r\le\sqrt2,竖着穿针从锥面 z=rz=r 进、从球面 z=4−r2z=\sqrt{4-r^2} 出,正确的写法是 ∫02π dθ∫02 dr∫r4−r2f(r2+z2)r dz\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt2}\dr\int_r^{\sqrt{4-r^2}}f(r^2+z^2)r\dz。(A)的 rr 上限写成 2,(B)的 zz 下限写成 0,都错。

rr 的范围来自投影,是交线投影的半径 2\sqrt2;zz 的下限是下面那张曲面(锥面),不是 xOyxOy 面。

③ 检查两个球面坐标选项。球面 x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2=4 是 ρ=2\rho=2;锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 是 φ=π4\varphi=\frac\pi4。所以 0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi,0≤φ≤π40\le\varphi\le\frac\pi4,0≤ρ≤20\le\rho\le2,被积函数 f(ρ2)ρ2sin⁡φf(\rho^2)\rho^2\sin\varphi。选项里把 ρ\rho 记作 rr,正是(C);(D)的 φ\varphi 到 π2\frac\pi2,那是整个上半球。所以选(C)。

从原点出发的射线,只要与 zz 轴夹角不超过 45∘45^\circ,就一直在筒里,直到碰上球面 ρ=2\rho=2;角度再大就出了锥面。

答案:C

xyzO交线:z=1,r=√3球面 ρ=4 cos φ锥面 φ=π/3
过原点的球面 ρ=4cos⁡φ\rho=4\cos\varphi 在锥面 φ=π3\varphi=\frac\pi3 上方的部分。
例 1.5李林 第十三章 §1 例 4 · p335—336
计算 I=∭V(x+y+z)2 dVI=\displaystyle\iiint_V(x+y+z)^2\dV,其中 VV 是由 x2+y2+z2=4zx^2+y^2+z^2=4z 与 z=x2+y23z=\sqrt{\dfrac{x^2+y^2}3} 所围成的位于锥面上方部分的空间区域。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 化成球面坐标。x2+y2+z2=4zx^2+y^2+z^2=4z 化为 ρ2=4ρcos⁡φ\rho^2=4\rho\cos\varphi,即 ρ=4cos⁡φ\rho=4\cos\varphi;锥面 z=x2+y23z=\sqrt{\frac{x^2+y^2}3} 化为 tan⁡φ=3\tan\varphi=\sqrt3,即 φ=π3\varphi=\frac\pi3。锥面上方:0≤φ≤π30\le\varphi\le\frac\pi3,0≤ρ≤4cos⁡φ0\le\rho\le4\cos\varphi,0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi。

这个球过原点(球心 (0,0,2)(0,0,2),半径 2),从原点出发的射线穿出球面时的长度随方向变化,是 4cos⁡φ4\cos\varphi;锥面上方就是与 zz 轴夹角小于 60∘60^\circ 的那些射线。

② 展开被积函数。(x+y+z)2=(x2+y2+z2)+2(xy+yz+zx)(x+y+z)^2=(x^2+y^2+z^2)+2(xy+yz+zx)。

交叉项和平方和分开处理:平方和用球面坐标,交叉项看对称性。

③ 交叉项为 0。VV 关于 yOzyOz 面、xOzxOz 面都对称;xyxy、zxzx 关于 xx 是奇函数,yzyz 关于 yy 是奇函数,所以 ∭V2(xy+yz+zx) dV=0\iiint_V2(xy+yz+zx)\dV=0。

把 xx 换成 −x-x,球面方程和锥面方程都不变(只含 x2x^2),区域关于 yOzyOz 面对称;奇函数在对称区域上积分为 0。

④ 算平方和那一项。I=∫02π dθ∫0π/3sin⁡φ dφ∫04cos⁡φρ2⋅ρ2 dρ=2π∫0π/3sin⁡φ⋅45cos⁡5φ5 dφ\displaystyle I=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/3}\sin\varphi\dphi\int_0^{4\cos\varphi}\rho^2\cdot\rho^2\drho=2\pi\int_0^{\pi/3}\sin\varphi\cdot\frac{4^5\cos^5\varphi}5\dphi。

x2+y2+z2=ρ2x^2+y^2+z^2=\rho^2,体积元素再乘 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi,对 ρ\rho 积出 ρ55\frac{\rho^5}5,代入上限 4cos⁡φ4\cos\varphi。

⑤ 积出结果。∫0π/3cos⁡5φsin⁡φ dφ=[−cos⁡6φ6]0π/3=16(1−164)=63384\displaystyle\int_0^{\pi/3}\cos^5\varphi\sin\varphi\dphi=\Big[-\frac{\cos^6\varphi}6\Big]_0^{\pi/3}=\frac16\Big(1-\frac1{64}\Big)=\frac{63}{384},所以 I=2048π5⋅63384=336π5I=\dfrac{2048\pi}5\cdot\dfrac{63}{384}=\dfrac{336\pi}5。

sin⁡φ dφ=−d(cos⁡φ)\sin\varphi\dphi=-\dd(\cos\varphi),是凑微分;cos⁡π3=12\cos\frac\pi3=\frac12,六次方是 164\frac1{64}。

答案:336π5\frac{336\pi}5

练习 1李林 第十三章 §1 例 5 · p336
计算 I=∭V(2x+z)2 dVI=\displaystyle\iiint_V(\sqrt2x+z)^2\dV,其中 V:x2+y2+z2≤1, z≥0V:x^2+y^2+z^2\le1,\ z\ge0。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 展开。(2x+z)2=2x2+z2+22xz(\sqrt2x+z)^2=2x^2+z^2+2\sqrt2xz。

先把平方拆开,才能对每一项用对称性。

② 交叉项为 0。VV(上半球)关于 yOzyOz 面对称,xzxz 关于 xx 是奇函数,所以 ∭V22xz dV=0\iiint_V2\sqrt2xz\dV=0。

x→−xx\to-x 时上半球不变,xzxz 变号,两半抵消。

③ 用 x,yx,y 互换凑成 ρ2\rho^2。VV 关于平面 x=yx=y 对称,∭Vx2 dV=∭Vy2 dV\iiint_Vx^2\dV=\iiint_Vy^2\dV,所以 ∭V(2x2+z2) dV=∭V(x2+y2+z2) dV\iiint_V(2x^2+z^2)\dV=\iiint_V(x^2+y^2+z^2)\dV。

把 x,yx,y 互换,上半球不变;2x22x^2 里的一个 x2x^2 换成 y2y^2,就凑出了球面坐标下最好算的 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2。

④ 球面坐标。I=∫02π dθ∫0π/2sin⁡φ dφ∫01ρ4 dρ=2π⋅1⋅15=2π5\displaystyle I=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\dphi\int_0^1\rho^4\drho=2\pi\cdot1\cdot\frac15=\frac{2\pi}5。

上半球:φ\varphi 从 0 到 π2\frac\pi2,ρ\rho 从 0 到 1,全是常数,三个积分可以分开算。

答案:2π5\frac{2\pi}5

1.5形心:三重积分真题的真正落点

大白话:形心就是均匀物体的“平衡点”,它的 zz 坐标是“所有点的高度的平均值”:zˉ=∭z dVV\bar z=\frac{\iiint z\dV}{V}。真题最爱考求形心,因为它同时考了“看懂立体”和“算三重积分”。算的时候几乎都用先二后一:截面面积 A(z)A(z) 一旦写出来,体积是 ∫A(z) dz\int A(z)\dz,∭z dV\iiint z\dV 是 ∫zA(z) dz\int zA(z)\dz,一个定积分就解决。立体关于哪个坐标面对称,对应的形心坐标就是 0,直接写。

xyzO顶点 (0, 1, 1)形心 (0, 1/4, 1/4)截面:圆心 (0, z),半径 1−z
斜圆锥:截面是圆心 (0,z)(0,z)、半径 1−z1-z 的圆盘,形心在 (0,14,14)(0,\frac14,\frac14)。
质心与形心(李林 p334) xˉ=∭Ωxρ dV∭Ωρ dV,\displaystyle \bar x=\frac{\iiint_\Omega x\rho\dV}{\iiint_\Omega\rho\dV},yˉ=∭Ωyρ dV∭Ωρ dV,\displaystyle \bar y=\frac{\iiint_\Omega y\rho\dV}{\iiint_\Omega\rho\dV},zˉ=∭Ωzρ dV∭Ωρ dV.\displaystyle \bar z=\frac{\iiint_\Omega z\rho\dV}{\iiint_\Omega\rho\dV}.
  • 均匀物体(ρ\rho 为常数)的质心叫形心,ρ\rho 约掉:zˉ=1V∭Ωz dV\bar z=\frac1V\iiint_\Omega z\dV。
  • 截面法:∭Ωg(z) dV=∫cdg(z)A(z) dz\iiint_\Omega g(z)\dV=\int_c^dg(z)A(z)\dz;若截面 DzD_z 的形心是 (xc(z),yc(z))(x_c(z),y_c(z)),则 ∭Ωy dV=∫cdyc(z)A(z) dz\iiint_\Omega y\dV=\int_c^dy_c(z)A(z)\dz。
  • 逆用:∭Ωz dV=zˉ⋅V\iiint_\Omega z\dV=\bar z\cdot V,已知形心时可以直接写出积分值。
  • 锥体的形心在“底面形心—顶点”连线上、离底面 14\frac14 高处(Maki 34.4 的结论)。
方法卡 · 求形心
什么时候用
“求 Ω\Omega 的形心(坐标)”“形心的竖坐标”。
步骤
  1. 看对称:关于 yOzyOz 面对称 → xˉ=0\bar x=0;绕 zz 轴的旋转体 → xˉ=yˉ=0\bar x=\bar y=0。
  2. 写截面:高度 zz 处的截面是什么形状、面积 A(z)A(z) 多少、截面形心在哪。
  3. V=∫A(z) dzV=\int A(z)\dz,∭z dV=∫zA(z) dz\iiint z\dV=\int zA(z)\dz,相除。
最容易错
把斜圆锥当成旋转体,写 yˉ=0\bar y=0;截面圆心不在原点时直接说 ∬Dzydσ=0\iint_{D_z}y\dd\sigma=0;只算分子忘了除以体积。
xyzO形心 (0, 0, 2/3)z=x²+y²
碗形立体 x2+y2≤z≤1x^2+y^2\le z\le1:越往上截面越大。
例 1.62010 数一(12)
设 Ω={(x,y,z)∣x2+y2≤z≤1}\Omega=\{(x,y,z)\mid x^2+y^2\le z\le1\},则 Ω\Omega 的形心的竖坐标 zˉ=\bar z= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看出立体。Ω\Omega 是旋转抛物面 z=x2+y2z=x^2+y^2 与平面 z=1z=1 之间的“碗”,高度 zz 处的截面是圆盘 x2+y2≤zx^2+y^2\le z,面积 A(z)=πzA(z)=\pi z。

固定 zz,条件 x2+y2≤zx^2+y^2\le z 就是半径 z\sqrt z 的圆盘,面积 π(z)2=πz\pi(\sqrt z)^2=\pi z。

② 体积。V=∫01πz dz=π2V=\displaystyle\int_0^1\pi z\dz=\frac\pi2。

先二后一:体积就是截面面积沿 zz 方向加起来。

③ ∭z dV\iiint z\dV。∭Ωz dV=∫01z⋅πz dz=π3\displaystyle\iiint_\Omega z\dV=\int_0^1z\cdot\pi z\dz=\frac\pi3。

被积函数只含 zz,截面上的二重积分就是 z⋅A(z)z\cdot A(z)。

④ 相除。zˉ=π/3π/2=23\bar z=\dfrac{\pi/3}{\pi/2}=\dfrac23。

形心竖坐标 = ∭z dV\iiint z\dV 除以体积;23>12\frac23>\frac12,符合“上宽下窄,形心偏上”。

答案:23\frac23

例 1.72019 数一(19)
设 Ω\Omega 是由锥面 x2+(y−z)2=(1−z)2 (0≤z≤1)x^2+(y-z)^2=(1-z)^2\ (0\le z\le1) 与平面 z=0z=0 围成的锥体,求 Ω\Omega 的形心坐标。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 按高度读截面。固定 z∈[0,1]z\in[0,1],x2+(y−z)2≤(1−z)2x^2+(y-z)^2\le(1-z)^2 是圆心 (0,z)(0,z)、半径 1−z1-z 的圆盘,面积 A(z)=π(1−z)2A(z)=\pi(1-z)^2。z=0z=0 时是单位圆盘,z=1z=1 时缩成点 (0,1,1)(0,1,1)。

把 zz 当常数,方程就是平面上的圆;圆心随 zz 沿 yy 方向移动,所以这是一个“歪”的圆锥,顶点在 (0,1,1)(0,1,1)。

② 体积与 xˉ\bar x。V=∫01π(1−z)2 dz=π3V=\displaystyle\int_0^1\pi(1-z)^2\dz=\frac\pi3。把 xx 换成 −x-x,锥面方程不变,Ω\Omega 关于 yOzyOz 面对称,所以 xˉ=0\bar x=0。

xx 只以 x2x^2 出现,区域左右对称;但 yy 以 (y−z)2(y-z)^2 出现,关于 yy 没有对称性,不能说 yˉ=0\bar y=0。

③ ∭y dV\iiint y\dV。每个截面圆盘的形心是圆心 (0,z)(0,z),所以 ∬Dzydσ=z⋅π(1−z)2\displaystyle\iint_{D_z}y\dd\sigma=z\cdot\pi(1-z)^2,∭Ωy dV=∫01πz(1−z)2 dz=π(12−23+14)=π12\displaystyle\iiint_\Omega y\dV=\int_0^1\pi z(1-z)^2\dz=\pi\Big(\frac12-\frac23+\frac14\Big)=\frac\pi{12}。

平面区域上 ∬ydσ=yˉ⋅\iint y\dd\sigma=\bar y\cdot面积(二重积分的形心公式),圆盘的形心就是圆心,不用真的去积。

④ ∭z dV\iiint z\dV。∭Ωz dV=∫01z⋅π(1−z)2 dz=π12\displaystyle\iiint_\Omega z\dV=\int_0^1z\cdot\pi(1-z)^2\dz=\frac\pi{12}。

被积函数只含 zz,截面上的积分就是 z⋅A(z)z\cdot A(z);恰好和上一步是同一个积分。

⑤ 形心。yˉ=π/12π/3=14\bar y=\dfrac{\pi/12}{\pi/3}=\dfrac14,zˉ=14\bar z=\dfrac14。形心为 (0,14,14)\Big(0,\dfrac14,\dfrac14\Big)。

核对:底面形心 (0,0,0)(0,0,0)、顶点 (0,1,1)(0,1,1),锥体形心在两者连线上离底面 14\frac14 处,正是 (0,14,14)(0,\frac14,\frac14)。

答案:(0,14,14)\big(0,\frac14,\frac14\big)

xyzOA(1, 0, 0)B(0, 1, 1)形心 (0, 0, 7/5)
直线 ABAB 绕 zz 轴转出单叶双曲面;截面是半径 2z2−2z+1\sqrt{2z^2-2z+1} 的圆。
例 1.82013 数一(19)
设直线 LL 过 A(1,0,0)A(1,0,0)、B(0,1,1)B(0,1,1) 两点,将 LL 绕 zz 轴旋转一周得到曲面 Σ\Sigma,Σ\Sigma 与平面 z=0z=0、z=2z=2 所围成的立体为 Ω\Omega。(I)求曲面 Σ\Sigma 的方程;(II)求 Ω\Omega 的形心坐标。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 写出直线 LL。方向向量 AB→=(−1,1,1)\overrightarrow{AB}=(-1,1,1),L: x=1−t, y=t, z=tL:\ x=1-t,\ y=t,\ z=t。

过点 AA、沿 AB→\overrightarrow{AB} 方向;t=0t=0 是 AA,t=1t=1 是 BB。

② (I) 旋转曲面的方程。绕 zz 轴旋转时高度不变、到 zz 轴的距离不变。LL 上高度为 zz 的点是 (1−z,z,z)(1-z,z,z),它到 zz 轴的距离平方是 (1−z)2+z2(1-z)^2+z^2。所以 Σ: x2+y2=(1−z)2+z2=2z2−2z+1\Sigma:\ x^2+y^2=(1-z)^2+z^2=2z^2-2z+1。

空间点 (x,y,z)(x,y,z) 在 Σ\Sigma 上,当且仅当它和直线上同一高度的那个点离 zz 轴一样远;用 zz 把参数 tt 消掉(t=zt=z)。

③ (II) 截面与体积。高度 zz 处截面是圆盘,面积 A(z)=π(2z2−2z+1)A(z)=\pi(2z^2-2z+1)。V=∫02π(2z2−2z+1) dz=π(163−4+2)=10π3V=\displaystyle\int_0^2\pi(2z^2-2z+1)\dz=\pi\Big(\frac{16}3-4+2\Big)=\frac{10\pi}3。

旋转体的截面一定是以 zz 轴上点为圆心的圆,半径的平方就是 Σ\Sigma 方程的右边。

④ ∭z dV\iiint z\dV。∭Ωz dV=∫02πz(2z2−2z+1) dz=π(8−163+2)=14π3\displaystyle\iiint_\Omega z\dV=\int_0^2\pi z(2z^2-2z+1)\dz=\pi\Big(8-\frac{16}3+2\Big)=\frac{14\pi}3。

先二后一:z⋅A(z)z\cdot A(z) 从 0 积到 2;∫022z3 dz=8\int_0^22z^3\dz=8,∫022z2 dz=163\int_0^22z^2\dz=\frac{16}3,∫02z dz=2\int_0^2z\dz=2。

⑤ 形心。旋转体关于 zz 轴对称,xˉ=yˉ=0\bar x=\bar y=0;zˉ=14π/310π/3=75\bar z=\dfrac{14\pi/3}{10\pi/3}=\dfrac75。形心为 (0,0,75)\Big(0,0,\dfrac75\Big)。

75>1\frac75>1(高度的一半),因为上面半径 5\sqrt5 比下面半径 1 大,重心偏上,合理。

答案:(I) x2+y2=2z2−2z+1x^2+y^2=2z^2-2z+1;(II) (0,0,75)\big(0,0,\frac75\big)

1.6小结

看到什么怎么做例子
被积函数几项之和、区域对称奇的划掉,偶的折半,能轮换就轮换例 1.1、例 1.2
被积函数只含 zz、截面好求先二后一:∫g(z)A(z) dz\int g(z)A(z)\dz例 1.2、例 1.6
投影是圆、区域绕 zz 轴旋转柱面坐标,别忘 rr;下曲面变了要分块例 1.3
球、锥、冰淇淋筒,含 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2球面坐标,乘 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi例 1.4、例 1.5、练习 1
求形心对称定零;截面面积 A(z)A(z);zˉ=∫zA/∫A\bar z=\int zA/\int A例 1.7、例 1.8
第 2 部分

第一型曲线积分

第一型曲线积分是“一根铁丝的质量”:切小段、乘弧长、加起来。算法只有一个(参数化后  ds\ds 换成 x′2+y′2 dt\sqrt{x'^2+y'^2}\dt),但真题几乎都靠代入、奇偶、轮换、形心四招一步到位。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章第 3、4 条)
  1. 理解第一型曲线积分的概念。
  2. 掌握第一型曲线积分的计算方法。

对应李林讲义第十三章第二节“第一型曲线积分”(p337—340)。Maki 第三十五讲只收了一道:2018 数一(12),考的是“代入 + 轮换”。应用(弧长、曲线的质心)见第 7 部分。

2.1概念与计算:一根铁丝的质量

大白话:一根弯弯曲曲的铁丝,各处粗细(线密度 ff)不同,怎么求质量?还是老办法:切成小段,每段质量约“密度 × 弧长 Δs\Delta s”,加起来取极限,这就是第一型曲线积分(对弧长的曲线积分) ∫Lf ds\int_Lf\ds。算的时候把曲线交给一个参数 tt, ds\ds 换成 x′2+y′2 dt\sqrt{x'^2+y'^2}\dt,就变成了普通的定积分。它只关心弧长,和曲线走的方向无关,所以下限一定小于上限。

xyOdxdydsL
一小段弧近似是斜边: ds=(dx)2+(dy)2\ds=\sqrt{(\dd x)^2+(\dd y)^2}。
第一型曲线积分(李林 p337—338) ∫Lf(x,y) ds=lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi.\displaystyle \int_Lf(x,y)\ds=\lim_{d\to0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i)\Delta s_i .
  • 参数方程 x=x(t), y=y(t) (α≤t≤β)x=x(t),\ y=y(t)\ (\alpha\le t\le\beta):∫Lf ds=∫αβf(x(t),y(t))x′2(t)+y′2(t) dt\displaystyle\int_Lf\ds=\int_\alpha^\beta f(x(t),y(t))\sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)}\dt,α<β\alpha<\beta。
  • y=y(x)y=y(x): ds=1+y′2 dx\ds=\sqrt{1+y'^2}\dx;极坐标 r=r(θ)r=r(\theta): ds=r2+r′2 dθ\ds=\sqrt{r^2+r'^2}\dth。
  • 性质:∫L1 ds=\int_L1\ds= 弧长;可以按段相加;f=ρf=\rho(线密度)时是质量。
  • 被积函数定义在曲线上:可以先用曲线方程化简被积函数(“代入”)。

例如(李林 p338):L:x2+y2=1L:x^2+y^2=1,∫L(x2+y2) ds=∫L1 ds=2π\displaystyle\int_L(x^2+y^2)\ds=\int_L1\ds=2\pi。在 LL 上 x2+y2x^2+y^2 恒等于 1,代入后只剩弧长。

方法卡 · 第一型曲线积分:一代、二换、三定限
什么时候用
∫Lf ds\int_Lf\ds,曲线是圆、直线段、y=f(x)y=f(x)、极坐标曲线或空间交线。
步骤
  1. 代:能用曲线方程化简被积函数的,先代进去。
  2. 换:写出参数方程, ds=x′2+y′2(+z′2) dt\ds=\sqrt{x'^2+y'^2(+z'^2)}\dt。
  3. 定限:参数从小到大,与曲线方向无关;分段曲线分段积。
最容易错
下限大于上限(第一型积分的  ds>0\ds>0,下限必须小);忘了先代入,结果被积函数里留着根号;极坐标曲线的  ds\ds 写成 r dθr\dth,漏了 r′2r'^2。
xyOr=a cos θax²+y²=ax
圆 x2+y2=axx^2+y^2=ax:极坐标 r=acos⁡θr=a\cos\theta。
例 2.1李林 第十三章 §2 例 1 · p339
计算 I=∮Lx2+y2 dsI=\displaystyle\oint_L\sqrt{x^2+y^2}\ds,其中 LL 为圆周 x2+y2=ax (a>0)x^2+y^2=ax\ (a>0)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 代入。在 LL 上 x2+y2=axx^2+y^2=ax,所以 x2+y2=ax\sqrt{x^2+y^2}=\sqrt{ax}。也可以更直接地用极坐标:LL 的方程是 r=acos⁡θr=a\cos\theta,而 x2+y2=r\sqrt{x^2+y^2}=r。

被积函数只在曲线上取值,曲线方程成立,可以替换;替换后根号里只剩一个变量。

② 选参数,求  ds\ds。用 θ\theta 作参数:r=acos⁡θr=a\cos\theta,−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2, ds=r2+r′2 dθ=a2cos⁡2θ+a2sin⁡2θ dθ=a dθ\ds=\sqrt{r^2+r'^2}\dth=\sqrt{a^2\cos^2\theta+a^2\sin^2\theta}\dth=a\dth。

圆过原点,r=acos⁡θ≥0r=a\cos\theta\ge0 要求 cos⁡θ≥0\cos\theta\ge0,θ\theta 从 −π2-\frac\pi2 走到 π2\frac\pi2 正好绕圆一圈。

③ 算定积分。I=∫−π/2π/2acos⁡θ⋅a dθ=a2[sin⁡θ]−π/2π/2=2a2I=\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}a\cos\theta\cdot a\dth=a^2\big[\sin\theta\big]_{-\pi/2}^{\pi/2}=2a^2。

被积函数 r=acos⁡θr=a\cos\theta 乘  ds=a dθ\ds=a\dth;下限 −π2-\frac\pi2 小于上限 π2\frac\pi2,符合第一型积分的要求。

④ 用李林的参数核对。x=a2+a2cos⁡t, y=a2sin⁡tx=\frac a2+\frac a2\cos t,\ y=\frac a2\sin t, ds=a2 dt\ds=\frac a2\dt,ax=a∣cos⁡t2∣\sqrt{ax}=a\big|\cos\frac t2\big|:∫02πa∣cos⁡t2∣⋅a2 dt=2a2\displaystyle\int_0^{2\pi}a\Big|\cos\frac t2\Big|\cdot\frac a2\dt=2a^2。

换一种参数,结果一样;这里 1+cos⁡t2=∣cos⁡t2∣\sqrt{\frac{1+\cos t}2}=|\cos\frac t2|,绝对值要分段去掉,所以极坐标更省事。

答案:2a22a^2

2.2空间曲线:交线怎么参数化

大白话:空间曲线常常是两张曲面的交线,比如“球面被平面截出的圆”。办法有两个:一是先代入,被积函数里有球面方程的那一部分直接换成常数,剩下的很可能就是弧长;二是参数化:用平面方程消去一个变量,得到交线在坐标面上的投影(一般是椭圆),把椭圆参数化,再用平面方程补出第三个坐标。球面被平面截出的圆,半径可以用勾股定理直接算:R2−d2\sqrt{R^2-d^2},dd 是球心到平面的距离。

xyzOL:半径 2 的圆x²+y²+z²=9/2
球面被平面 x+z=1x+z=1 截出的圆,半径 2。
空间曲线的弧长元素 L: x=x(t), y=y(t), z=z(t) (α≤t≤β):\displaystyle L:\ x=x(t),\ y=y(t),\ z=z(t)\ (\alpha\le t\le\beta):∫Lf ds=∫αβf(x(t),y(t),z(t))x′2+y′2+z′2 dt.\displaystyle \int_Lf\ds=\int_\alpha^\beta f\big(x(t),y(t),z(t)\big)\sqrt{x'^2+y'^2+z'^2}\dt .
  • 球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 被平面截出的圆:半径 R2−d2\sqrt{R^2-d^2},周长 2πR2−d22\pi\sqrt{R^2-d^2};平面过球心时是大圆,周长 2πR2\pi R。
  • 点 (x0,y0,z0)(x_0,y_0,z_0) 到平面 Ax+By+Cz=DAx+By+Cz=D 的距离:d=∣Ax0+By0+Cz0−D∣A2+B2+C2d=\dfrac{|Ax_0+By_0+Cz_0-D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}。
方法卡 · 空间交线上的第一型积分
什么时候用
曲线是“球面 ∩ 平面”“柱面 ∩ 平面”这样的交线。
步骤
  1. 先看被积函数能否用球面方程代成常数。
  2. 能代成常数:积分 = 常数 × 弧长;弧长用“半径 R2−d2\sqrt{R^2-d^2}”直接算。
  3. 不能:用平面消元得投影椭圆,参数化后求  ds\ds。
最容易错
平面不过球心时仍把圆的半径当成 RR;参数化后  ds\ds 忘了 z′2z'^2 那一项。
例 2.2李林 第十三章 §2 例 2 · p339
计算 I=∮L(x2+y2+z2) dsI=\displaystyle\oint_L(x^2+y^2+z^2)\ds,其中 LL 是 x2+y2+z2=92x^2+y^2+z^2=\dfrac92 与 x+z=1x+z=1 的交线。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 代入。在 LL 上 x2+y2+z2=92x^2+y^2+z^2=\frac92,所以 I=92∮L ds=92×(L 的长度)I=\dfrac92\displaystyle\oint_L\ds=\dfrac92\times(L\text{ 的长度})。

LL 在球面上,被积函数恒等于 92\frac92,积分只剩弧长。

② 求圆的半径。球心 OO 到平面 x+z=1x+z=1 的距离 d=∣0+0−1∣2=12d=\dfrac{|0+0-1|}{\sqrt2}=\dfrac1{\sqrt2},球半径 R=32R=\dfrac3{\sqrt2},截出的圆半径 R2−d2=92−12=2\sqrt{R^2-d^2}=\sqrt{\frac92-\frac12}=2,周长 4π4\pi。

球心、截面圆心、圆上一点构成直角三角形:斜边是球半径,一条直角边是球心到平面的距离。

③ 结果。I=92⋅4π=18πI=\dfrac92\cdot4\pi=18\pi。

被积函数已经是常数 92\frac92,提到积分号外面,剩下的 ∮L ds\oint_L\ds 就是这个圆的周长 4π4\pi。

④ 用参数方程核对(李林的做法)。把 z=1−xz=1-x 代入球面:(x−12)22+y24=1\dfrac{(x-\frac12)^2}2+\dfrac{y^2}4=1。令 x=12+2cos⁡t, y=2sin⁡t, z=12−2cos⁡tx=\frac12+\sqrt2\cos t,\ y=2\sin t,\ z=\frac12-\sqrt2\cos t,则  ds=2sin⁡2t+4cos⁡2t+2sin⁡2t dt=2 dt\ds=\sqrt{2\sin^2t+4\cos^2t+2\sin^2t}\dt=2\dt,I=∫02π92⋅2 dt=18πI=\displaystyle\int_0^{2\pi}\frac92\cdot2\dt=18\pi。

投影椭圆参数化后,zz 由平面方程补出;三项导数平方加起来恰好是常数 4。

答案:18π18\pi

2.3四个提速技巧:代入、奇偶、轮换、形心

大白话:第一型曲线积分的真题几乎都“不用算”:先代入曲线方程,再用奇偶性划掉一部分,用轮换对称把 x,y,zx,y,z 变成同一个,最后剩下的往往是弧长或形心。其中“形心”一招:∫Ly ds=yˉ⋅(弧长)\int_Ly\ds=\bar y\cdot(\text{弧长}),椭圆、圆的形心就是中心,一步写出。

xyzOL:大圆,长 2π
单位球面与平面 x+y+z=0x+y+z=0 的交线是大圆;两个方程在 x,y,zx,y,z 轮换下都不变。
第一型曲线积分的对称性(李林 p338)
  • 奇偶:LL 关于 yy 轴对称,ff 关于 xx 是奇函数 ⟹ ∫Lf ds=0\int_Lf\ds=0;是偶函数 ⟹ 等于右半边的 2 倍。关于 xx 轴对称时看 yy。
  • 轮换:LL 关于直线 y=xy=x 对称 ⟹ ∫Lf(x,y) ds=∫Lf(y,x) ds\int_Lf(x,y)\ds=\int_Lf(y,x)\ds。空间曲线在 x→y→z→xx\to y\to z\to x 下不变 ⟹ ∮Lx ds=∮Ly ds=∮Lz ds\oint_Lx\ds=\oint_Ly\ds=\oint_Lz\ds,∮Lx2 ds=∮Ly2 ds=∮Lz2 ds\oint_Lx^2\ds=\oint_Ly^2\ds=\oint_Lz^2\ds。
  • 形心:∫Lx ds=xˉ⋅s\int_Lx\ds=\bar x\cdot s,∫Ly ds=yˉ⋅s\int_Ly\ds=\bar y\cdot s(ss 为弧长,(xˉ,yˉ)(\bar x,\bar y) 为曲线的形心)。
方法卡 · 先化简再积分
什么时候用
被积函数是几项之和;曲线是圆、椭圆、球面上的大圆;题目给了“周长为 aa”。
步骤
  1. 代:曲线方程里的组合(x2+y2x^2+y^2、x2+4y2x^2+4y^2)出现在被积函数里就替换。
  2. 奇偶:看曲线关于哪条轴对称,划掉奇函数项。
  3. 轮换:把 x2x^2 换成 13(x2+y2+z2)\frac13(x^2+y^2+z^2),把 xx 换成 13(x+y+z)\frac13(x+y+z),再代入。
  4. 剩下 ∫y ds\int y\ds 这类,用形心 × 弧长。
最容易错
轮换前没检查曲线的两个方程是否都在互换下不变;用形心公式时把“曲线的形心”和“曲线围成的区域的形心”混为一谈(圆、椭圆两者恰好相同,一般曲线不同)。
例 2.3李林 第十三章 §2 例 3 · p339—340
计算 I=∮L(z+y2) dsI=\displaystyle\oint_L(z+y^2)\ds,其中 LL 为球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 与平面 x+y+z=0x+y+z=0 的交线。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看出 LL。平面过球心,LL 是半径 RR 的大圆,周长 2πR2\pi R。两个方程在 x→y→z→xx\to y\to z\to x 下都不变。

球面方程和平面方程都是 x,y,zx,y,z 的对称式,互换变量后方程不变,所以 LL 轮换对称。

② ∮z ds\oint z\ds。由轮换,∮Lz ds=13∮L(x+y+z) ds=13∮L0 ds=0\oint_Lz\ds=\dfrac13\displaystyle\oint_L(x+y+z)\ds=\dfrac13\oint_L0\ds=0。

三个积分相等,取平均值;在 LL 上 x+y+z=0x+y+z=0(平面方程),代入后被积函数是 0。

③ ∮y2 ds\oint y^2\ds。同理 ∮Ly2 ds=13∮L(x2+y2+z2) ds=13R2⋅2πR=2πR33\oint_Ly^2\ds=\dfrac13\displaystyle\oint_L(x^2+y^2+z^2)\ds=\dfrac13R^2\cdot2\pi R=\dfrac{2\pi R^3}3。

三个平方的积分相等,凑成球面方程 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2,代入后是常数乘弧长。

④ 相加。I=0+2πR33=2πR33I=0+\dfrac{2\pi R^3}3=\dfrac{2\pi R^3}3。

两部分分别算好再相加(线性)。

答案:2πR33\frac{2\pi R^3}3

例 2.42018 数一(12)
设 LL 为球面 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 与平面 x+y+z=0x+y+z=0 的交线,则 ∮Lxy ds=\displaystyle\oint_Lxy\ds= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 代入:凑出 xy+yz+zxxy+yz+zx。在 LL 上 (x+y+z)2=0(x+y+z)^2=0,即 x2+y2+z2+2(xy+yz+zx)=0x^2+y^2+z^2+2(xy+yz+zx)=0,所以 xy+yz+zx=−12xy+yz+zx=-\dfrac12。

两个方程配合起来,交叉项之和是一个常数;这正是被积函数 xyxy 所在的那一族。

② 轮换。LL 在 x→y→z→xx\to y\to z\to x 下不变,所以 ∮Lxy ds=∮Lyz ds=∮Lzx ds=13∮L(xy+yz+zx) ds\oint_Lxy\ds=\oint_Lyz\ds=\oint_Lzx\ds=\dfrac13\displaystyle\oint_L(xy+yz+zx)\ds。

两个方程都是对称式,互换变量曲线不变,三个积分相等,取平均。

③ 弧长与结果。LL 是过球心的平面截单位球得到的大圆,周长 2π2\pi。∮Lxy ds=13⋅(−12)⋅2π=−π3\oint_Lxy\ds=\dfrac13\cdot\Big(-\dfrac12\Big)\cdot2\pi=-\dfrac\pi3。

平面过球心,截出的圆半径就是球半径 1。Maki 书里的答案被文字层截成了“−π-\pi”,重新算是 −π3-\frac\pi3。

答案:−π3-\frac\pi3

xyO形心 (0, 1)2−22x²+4y²=8y
椭圆 x2+4y2=8yx^2+4y^2=8y:中心 (0,1)(0,1),关于 yy 轴对称。
例 2.5李林 第十三章 §2 例 4 · p340
设曲线 LL 为椭圆 x2+4y2=8yx^2+4y^2=8y,且 LL 的周长为 aa,求 I=∫L(xsin⁡x2+y2+x2+4y2−7y) dsI=\displaystyle\int_L\big(x\sin\sqrt{x^2+y^2}+x^2+4y^2-7y\big)\ds。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看出曲线。x2+4y2=8yx^2+4y^2=8y 配方:x24+(y−1)2=1\dfrac{x^2}4+(y-1)^2=1,中心 (0,1)(0,1) 的椭圆,关于 yy 轴对称。

有一次项 8y8y,配方后才看得出中心在哪。

② 奇函数项为 0。xsin⁡x2+y2x\sin\sqrt{x^2+y^2} 关于 xx 是奇函数,LL 关于 yy 轴对称,所以 ∫Lxsin⁡x2+y2 ds=0\int_Lx\sin\sqrt{x^2+y^2}\ds=0。

把 xx 换成 −x-x,这一项变号,而曲线不变,左右两半的积分抵消。

③ 代入。在 LL 上 x2+4y2=8yx^2+4y^2=8y,所以 x2+4y2−7y=8y−7y=yx^2+4y^2-7y=8y-7y=y,I=∫Ly dsI=\displaystyle\int_Ly\ds。

被积函数里正好出现了曲线方程左边的组合,直接替换。

④ 形心。∫Ly ds=yˉ⋅a=1⋅a=a\displaystyle\int_Ly\ds=\bar y\cdot a=1\cdot a=a。

椭圆(作为一条曲线)关于中心对称,它的形心就是中心 (0,1)(0,1),yˉ=1\bar y=1;∫Ly ds=yˉ×\int_Ly\ds=\bar y\times 弧长。

答案:aa

2.4小结

看到什么怎么做例子
圆、椭圆、极坐标曲线参数化, ds=x′2+y′2 dt\ds=\sqrt{x'^2+y'^2}\dt,下限小于上限例 2.1
球面上的圆,被积函数含 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2先代成常数,积分 = 常数 × 周长例 2.2
曲线轮换对称x2→13(x2+y2+z2)x^2\to\frac13(x^2+y^2+z^2),再代入例 2.3、例 2.4
给了周长 aa、曲线关于轴对称奇偶划掉一项,代入化简,剩下用形心例 2.5
第 3 部分

第一型曲面积分

第一型曲面积分是“一张薄壳的质量”:投影算二重积分, dS\dS 比影子多一个倾斜因子。这一部分讲投影法、对称与代入、分片投影和隐式曲面;真题 2 道(薄片质量那道在第 7 部分)。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章第 3、4 条)
  1. 理解第一型曲面积分的概念。
  2. 掌握第一型曲面积分的计算方法。

对应李林讲义第十三章第三节“第一型曲面积分”(p340—344)。Maki 第三十六讲第 1 节收了 3 道:2012 数一(12)、2010 数一(19) 在这里;2017 数一(19)(薄片的质量)放在第 7 部分“应用”。

3.1概念与计算:一投、二代、三换

大白话:一张弯曲的薄壳(比如灯罩),各处面密度不同,质量怎么求?切成小块,每块质量约“密度 × 小块面积 ΔS\Delta S”,加起来取极限,这就是第一型曲面积分(对面积的曲面积分) ∬Sf dS\iint_Sf\dS。算法一句话:投影算二重积分。把曲面投到坐标面上,曲面上的小块  dS\dS 和它的影子 dσ\dd\sigma 差一个倾斜因子 1+zx2+zy2\sqrt{1+z_x^2+z_y^2};被积函数里的 zz 用曲面方程换掉,就成了投影区域上的二重积分。和第一型曲线积分一样,它不分“哪一侧”。

xyzOndSdσ=dxdyz=z(x, y)
曲面上的小块  dS\dS 与它在 xOyxOy 面上的影子 dσ\dd\sigma: dS=1+zx2+zy2 dσ\dS=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\,\dd\sigma。
第一型曲面积分(李林 p340—342) ∬Sf(x,y,z) dS=lim⁡d→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi.\displaystyle \iint_Sf(x,y,z)\dS=\lim_{d\to0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\Delta S_i .
  • 投到 xOyxOy 面(S:z=z(x,y), (x,y)∈DxyS:z=z(x,y),\ (x,y)\in D_{xy}):∬Sf dS=∬Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2 dx dy\displaystyle\iint_Sf\dS=\iint_{D_{xy}}f\big(x,y,z(x,y)\big)\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy。
  • 投到 yOzyOz 面(S:x=x(y,z)S:x=x(y,z)): dS=1+xy2+xz2 dy dz\dS=\sqrt{1+x_y^2+x_z^2}\dy\dz;投到 xOzxOz 面同理。曲面对哪个平面是“单值”的,就往哪里投。
  • 面积:∬S1 dS=S\iint_S1\dS=S 的面积;f=ρf=\rho(面密度)时是质量。
  • 常用的  dS\dS:锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 上  dS=2 dx dy\dS=\sqrt2\dx\dy;上半球面 z=a2−x2−y2z=\sqrt{a^2-x^2-y^2} 上  dS=az dx dy\dS=\dfrac az\dx\dy;平面 z=c−ax−byz=c-ax-by 上  dS=1+a2+b2 dx dy\dS=\sqrt{1+a^2+b^2}\dx\dy。
方法卡 · 第一型曲面积分:一投、二代、三换
什么时候用
∬Sf dS\iint_Sf\dS,SS 是平面、锥面、球面、抛物面的一部分。
步骤
  1. 投:把 SS 投到一个坐标面上,写出投影区域 DD(曲面有几片就分几片)。
  2. 代:被积函数里的 zz(或另一个变量)用曲面方程换掉;能先用曲面方程化简的先化简。
  3. 换: dS\dS 换成 1+zx2+zy2 dx dy\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy,然后按二重积分计算。
最容易错
漏乘倾斜因子 1+zx2+zy2\sqrt{1+z_x^2+z_y^2};换元之后被积函数里还留着 zz;把第二型曲面积分“分上下侧取正负号”的规矩用到第一型上(第一型不分侧,永远取正)。
xyzOS1:锥面,dS=√2 dxdyS2:顶盖 z=1,dS=dxdy投影都是 x²+y²≤1
锥面 S1S_1 与顶盖 S2S_2,投影都是单位圆盘。
例 3.1李林 第十三章 §3 例 1 · p342
计算 I=∯S(x2+y2) dSI=\displaystyle\oiint_S(x^2+y^2)\dS,其中 SS 是锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 与平面 z=1z=1 所围区域的整个边界曲面。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 分片。SS 由锥面 S1:z=x2+y2 (0≤z≤1)S_1:z=\sqrt{x^2+y^2}\ (0\le z\le1) 与顶盖 S2:z=1 (x2+y2≤1)S_2:z=1\ (x^2+y^2\le1) 组成,两片投到 xOyxOy 面都是 D:x2+y2≤1D:x^2+y^2\le1。

封闭曲面由几张不同的曲面拼成,每张的  dS\dS 不同,要分开算再相加。

② 两片的  dS\dS。S1S_1:zx=xx2+y2z_x=\dfrac x{\sqrt{x^2+y^2}},zy=yx2+y2z_y=\dfrac y{\sqrt{x^2+y^2}}, dS=1+x2+y2x2+y2 dx dy=2 dx dy\dS=\sqrt{1+\dfrac{x^2+y^2}{x^2+y^2}}\dx\dy=\sqrt2\dx\dy。S2S_2 是水平面, dS= dx dy\dS=\dx\dy。

锥面每一点的倾斜角都是 45∘45^\circ,倾斜因子恒为 2\sqrt2;水平面不倾斜,面积和影子一样大。

③ 合成一个二重积分。I=∬D(x2+y2)2 dx dy+∬D(x2+y2) dx dy=(2+1)∬D(x2+y2) dx dyI=\displaystyle\iint_D(x^2+y^2)\sqrt2\dx\dy+\iint_D(x^2+y^2)\dx\dy=(\sqrt2+1)\iint_D(x^2+y^2)\dx\dy。

被积函数 x2+y2x^2+y^2 里没有 zz,两片投影又相同,可以合并。

④ 极坐标。∬D(x2+y2) dx dy=∫02π dθ∫01r2⋅r dr=π2\displaystyle\iint_D(x^2+y^2)\dx\dy=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^1r^2\cdot r\dr=\frac\pi2,所以 I=(2+1)π2I=\dfrac{(\sqrt2+1)\pi}2。

圆盘上 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2,面积元素 r dr dθr\dr\dth。

答案:(2+1)π2\frac{(\sqrt2+1)\pi}2

xyzOΣ:x+y+z=1Dxy
平面 x+y+z=1x+y+z=1 的第一卦限部分,投影 DxyD_{xy} 是三角形。
例 3.22012 数一(12)
设 Σ={(x,y,z)∣x+y+z=1, x≥0, y≥0, z≥0}\Sigma=\{(x,y,z)\mid x+y+z=1,\ x\ge0,\ y\ge0,\ z\ge0\},则 ∬Σy2 dS=\displaystyle\iint_\Sigma y^2\dS= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 投影与  dS\dS。Σ:z=1−x−y\Sigma:z=1-x-y,投影 Dxy:x≥0, y≥0, x+y≤1D_{xy}:x\ge0,\ y\ge0,\ x+y\le1。zx=zy=−1z_x=z_y=-1, dS=1+1+1 dx dy=3 dx dy\dS=\sqrt{1+1+1}\dx\dy=\sqrt3\dx\dy。

平面的倾斜因子是常数;z≥0z\ge0 这个条件变成投影里的 x+y≤1x+y\le1。

② 化成二重积分。∬Σy2 dS=3∬Dxyy2 dx dy=3∫01y2 dy∫01−y dx=3∫01y2(1−y) dy\displaystyle\iint_\Sigma y^2\dS=\sqrt3\iint_{D_{xy}}y^2\dx\dy=\sqrt3\int_0^1y^2\dy\int_0^{1-y}\dx=\sqrt3\int_0^1y^2(1-y)\dy。

被积函数 y2y^2 不含 zz,不用代换;先对 xx 积,xx 从 0 到 1−y1-y。

③ 算出结果。3(13−14)=312\sqrt3\Big(\dfrac13-\dfrac14\Big)=\dfrac{\sqrt3}{12}。

∫01y2 dy=13\int_0^1y^2\dy=\frac13,∫01y3 dy=14\int_0^1y^3\dy=\frac14。Maki 书里的答案被文字层截成了“\sqrt{}”,重算为 312\frac{\sqrt3}{12}。

答案:312\frac{\sqrt3}{12}

3.2对称性与代入:能不算就不算

大白话:第一型曲面积分的对称性和三重积分完全一样:曲面关于哪个坐标面对称,就看被积函数对垂直于它的那个变量是奇是偶;曲面在 x,y,zx,y,z 轮换下不变,就可以把 ∣x∣|x|、∣y∣|y|、∣z∣|z| 互相替换。再加上“代入”(被积函数里出现曲面方程的左边,直接换成右边),很多题最后只剩“面积”。

xyzO第一卦限的面:x+y+z=1
正八面体表面 ∣x∣+∣y∣+∣z∣=1|x|+|y|+|z|=1:关于三个坐标面对称,也轮换对称。
第一型曲面积分的对称性(李林 p341)
  • 奇偶:SS 关于 xOyxOy 面对称,ff 关于 zz 是奇函数 ⟹ ∬Sf dS=0\iint_Sf\dS=0;偶函数 ⟹ 上半片的 2 倍。关于 xOzxOz 面看 yy,关于 yOzyOz 面看 xx。
  • 轮换:SS 关于 x=y=zx=y=z 对称 ⟹ ∬Sf(x,y,z) dS=∬Sf(y,z,x) dS=∬Sf(z,x,y) dS\iint_Sf(x,y,z)\dS=\iint_Sf(y,z,x)\dS=\iint_Sf(z,x,y)\dS。
  • 代入:ff 只在 SS 上取值,SS 的方程可以直接代进被积函数。
方法卡 · 对称、轮换、代入
什么时候用
被积函数是几项之和或含绝对值;曲面是球面、锥面、八面体这类对称图形。
步骤
  1. 逐项看奇偶:曲面关于哪个坐标面对称,该变量为奇的项划掉。
  2. 剩下的项看能否轮换,凑成曲面方程的左边。
  3. 代入曲面方程,常常只剩“常数 × 面积”。
最容易错
只看被积函数、不看曲面是否对称(例如锥面被 x2+y2=2axx^2+y^2=2ax 截下的部分关于 xOzxOz 面对称,但不关于 yOzyOz 面对称)。
xyzOS:锥面在柱面里的部分D:x²+y²≤2ax
锥面被圆柱面 x2+y2=2axx^2+y^2=2ax 截下的部分,关于 xOzxOz 面对称。
例 3.3李林 第十三章 §3 例 2 · p342—343
计算 I=∬S(xy+yz+xz) dSI=\displaystyle\iint_S(xy+yz+xz)\dS,其中 SS 是锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 被圆柱面 x2+y2=2ax (a>0)x^2+y^2=2ax\ (a>0) 所截下的有限部分。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 对称性划掉两项。SS 关于 xOzxOz 面对称(把 yy 换成 −y-y,两个方程都不变);xyxy、yzyz 关于 yy 是奇函数,所以 ∬Sxy dS=∬Syz dS=0\iint_Sxy\dS=\iint_Syz\dS=0。

圆柱面 x2+y2=2axx^2+y^2=2ax 的轴线在 xOzxOz 面里,截出的部分上下(沿 yy)对称;xzxz 关于 yy 是偶函数,不能划掉。

② 投影与  dS\dS。SS 投到 xOyxOy 面是 D:x2+y2≤2axD:x^2+y^2\le2ax;锥面上  dS=2 dx dy\dS=\sqrt2\dx\dy,z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2}。所以 I=∬Dxx2+y2⋅2 dx dyI=\displaystyle\iint_Dx\sqrt{x^2+y^2}\cdot\sqrt2\dx\dy。

被积函数里的 zz 用锥面方程换成 x2+y2\sqrt{x^2+y^2};锥面的倾斜因子是常数 2\sqrt2。

③ 极坐标。DD 的极坐标:−π2≤θ≤π2-\frac\pi2\le\theta\le\frac\pi2,0≤r≤2acos⁡θ0\le r\le2a\cos\theta。I=2∫−π/2π/2cos⁡θ dθ∫02acos⁡θr3 dr=2∫−π/2π/2cos⁡θ⋅4a4cos⁡4θ dθI=\sqrt2\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\dth\int_0^{2a\cos\theta}r^3\dr=\sqrt2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos\theta\cdot4a^4\cos^4\theta\dth。

xx2+y2=rcos⁡θ⋅rx\sqrt{x^2+y^2}=r\cos\theta\cdot r,再乘面积元素的 rr,一共 r3cos⁡θr^3\cos\theta;对 rr 积出 (2acos⁡θ)44\frac{(2a\cos\theta)^4}4。

④ 华里士公式。∫−π/2π/2cos⁡5θ dθ=2⋅45⋅23=1615\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^5\theta\dth=2\cdot\frac45\cdot\frac23=\frac{16}{15},所以 I=42a4⋅1615=64215a4I=4\sqrt2a^4\cdot\dfrac{16}{15}=\dfrac{64\sqrt2}{15}a^4。

cos⁡5θ\cos^5\theta 是偶函数,对称区间上等于 [0,π2][0,\frac\pi2] 上的 2 倍;奇数次幂的华里士公式 45⋅23\frac45\cdot\frac23。

答案:64215a4\frac{64\sqrt2}{15}a^4

练习 2李林 第十三章 §3 例 4 · p343—344
设曲面 S:∣x∣+∣y∣+∣z∣=1S:|x|+|y|+|z|=1,则 I=∯S(x+∣y∣) dS=I=\displaystyle\oiint_S(x+|y|)\dS= ______。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 奇函数项。SS 关于 yOzyOz 面对称,xx 关于 xx 是奇函数,所以 ∯Sx dS=0\oiint_Sx\dS=0。

把 xx 换成 −x-x,∣x∣|x| 不变,曲面不变;被积函数 xx 变号,两半抵消。

② 轮换。SS 在 x,y,zx,y,z 互换下不变,所以 ∯S∣x∣ dS=∯S∣y∣ dS=∯S∣z∣ dS\oiint_S|x|\dS=\oiint_S|y|\dS=\oiint_S|z|\dS,于是 ∯S∣y∣ dS=13∯S(∣x∣+∣y∣+∣z∣) dS\oiint_S|y|\dS=\dfrac13\displaystyle\oiint_S(|x|+|y|+|z|)\dS。

三个积分相等,取平均,凑出曲面方程的左边。

③ 代入。在 SS 上 ∣x∣+∣y∣+∣z∣=1|x|+|y|+|z|=1,所以 I=13∯S1 dS=13×(S 的面积)I=\dfrac13\displaystyle\oiint_S1\dS=\dfrac13\times(S\text{ 的面积})。

被积函数恒等于 1,积分就是面积。

④ 八面体的面积。SS 由 8 个正三角形组成,边长都是 2\sqrt2(例如 (1,0,0)(1,0,0) 到 (0,1,0)(0,1,0) 的距离),每个面积 34(2)2=32\dfrac{\sqrt3}4(\sqrt2)^2=\dfrac{\sqrt3}2,总面积 434\sqrt3。所以 I=433I=\dfrac{4\sqrt3}3。

正三角形面积 =34×=\frac{\sqrt3}4\times 边长²;也可以用“第一卦限那一面  dS=3 dx dy\dS=\sqrt3\dx\dy、投影面积 12\frac12”算出每面 32\frac{\sqrt3}2。

答案:433\frac{4\sqrt3}3

3.3分片投影与隐式曲面

大白话:立体的表面常常由几片拼成:顶、底、侧面。每一片单独投影,往它“不重叠”的那个坐标面上投:顶面、底面投到 xOyxOy 面;竖直的柱面投到 xOyxOy 面是一条线(面积为 0),所以要投到 xOzxOz 或 yOzyOz 面,前后两半分开。曲面不好解出 zz 时(隐式方程 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0),用隐函数求导, dS=Fx2+Fy2+Fz2∣Fz∣ dx dy\dS=\dfrac{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}}{|F_z|}\dx\dy。

xyzOS1:z=x+RS3:柱面S2:z=0
三片:斜顶 S1S_1、底面 S2S_2、侧面 S3S_3(侧面要投到 xOzxOz 面)。
分片与隐式曲面
  • 柱面 x2+y2=R2x^2+y^2=R^2 的侧面:投到 xOzxOz 面,分成 y=±R2−x2y=\pm\sqrt{R^2-x^2} 前后两片,每片  dS=1+yx2+yz2 dx dz=RR2−x2 dx dz\dS=\sqrt{1+y_x^2+y_z^2}\dx\dz=\dfrac R{\sqrt{R^2-x^2}}\dx\dz。
  • 隐式曲面 F=0F=0: dS=Fx2+Fy2+Fz2∣Fz∣ dx dy\dS=\dfrac{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}}{|F_z|}\dx\dy(投到 xOyxOy 面);投到其他坐标面把分母换成 ∣Fx∣|F_x| 或 ∣Fy∣|F_y|。
  • Fz=0F_z=0 的点:切平面竖直,是曲面在 xOyxOy 面上投影的“轮廓线”。
方法卡 · 分片投影
什么时候用
封闭曲面由平面、柱面、曲面拼成;或者曲面方程是隐式的。
步骤
  1. 把表面分成几片,每片说清楚方程和投影区域。
  2. 顶、底投到 xOyxOy 面;侧面(柱面)投到 xOzxOz 或 yOzyOz 面,前后或左右两片分开。
  3. 隐式曲面用  dS=∣∇F∣∣Fz∣ dx dy\dS=\frac{|\nabla F|}{|F_z|}\dx\dy,留意 ∣∇F∣|\nabla F| 能否与被积函数约掉。
最容易错
柱面投到 xOyxOy 面(投影是一条线,积分算成 0);前后两片只算了一片;隐式曲面硬解出 zz 再求偏导,根号套根号。
例 3.4李林 第十三章 §3 例 3 · p343
求 I=∯Sz dSI=\displaystyle\oiint_Sz\dS,其中 SS 是由圆柱面 x2+y2=R2 (R>0)x^2+y^2=R^2\ (R>0)、平面 z=0z=0 和 z−x=Rz-x=R 所围立体的表面。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 分三片。S1:z=x+RS_1:z=x+R(斜顶),S2:z=0S_2:z=0(底面),S3S_3:柱面侧面。S1,S2S_1,S_2 投到 xOyxOy 面都是 D:x2+y2≤R2D:x^2+y^2\le R^2。

斜顶在 x=−Rx=-R 处降到 z=0z=0,和底面相接;侧面夹在 z=0z=0 与 z=x+Rz=x+R 之间。

② 斜顶 S1S_1。 dS=1+1+0 dx dy=2 dx dy\dS=\sqrt{1+1+0}\dx\dy=\sqrt2\dx\dy:∬S1z dS=2∬D(R+x) dx dy=2⋅R⋅πR2=2πR3\displaystyle\iint_{S_1}z\dS=\sqrt2\iint_D(R+x)\dx\dy=\sqrt2\cdot R\cdot\pi R^2=\sqrt2\pi R^3。

zz 用平面方程换成 x+Rx+R;∬Dx dx dy=0\iint_Dx\dx\dy=0(圆盘关于 yy 轴对称),∬DR dx dy=R⋅πR2\iint_DR\dx\dy=R\cdot\pi R^2。

③ 底面 S2S_2。z=0z=0,∬S2z dS=0\displaystyle\iint_{S_2}z\dS=0。

被积函数在底面上恒为 0。

④ 侧面 S3S_3:投到 xOzxOz 面。前后两片 y=±R2−x2y=\pm\sqrt{R^2-x^2},投影都是 Dxz:−R≤x≤R, 0≤z≤R+xD_{xz}:-R\le x\le R,\ 0\le z\le R+x, dS=RR2−x2 dx dz\dS=\dfrac R{\sqrt{R^2-x^2}}\dx\dz。∬S3z dS=2∫−RRRR2−x2 dx∫0R+xz dz=∫−RRR(R+x)2R2−x2 dx\displaystyle\iint_{S_3}z\dS=2\int_{-R}^R\frac R{\sqrt{R^2-x^2}}\dx\int_0^{R+x}z\dz=\int_{-R}^R\frac{R(R+x)^2}{\sqrt{R^2-x^2}}\dx。

柱面对 xOyxOy 面是竖直的,影子是一个圆周、没有面积,只能往 xOzxOz 面投;前后两片被积函数和  dS\dS 一样,所以乘 2。

⑤ 换元 x=Rsin⁡tx=R\sin t。∫−π/2π/2R⋅R2(1+sin⁡t)2 dt=R3∫−π/2π/2(1+2sin⁡t+sin⁡2t) dt=R3(π+0+π2)=3πR32\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}R\cdot R^2(1+\sin t)^2\dt=R^3\int_{-\pi/2}^{\pi/2}(1+2\sin t+\sin^2t)\dt=R^3\Big(\pi+0+\frac\pi2\Big)=\frac{3\pi R^3}2。

R2−x2=Rcos⁡t\sqrt{R^2-x^2}=R\cos t 与  dx=Rcos⁡t dt\dx=R\cos t\dt 约掉;sin⁡t\sin t 是奇函数积分为 0,∫sin⁡2t=π2\int\sin^2t=\frac\pi2。

⑥ 相加。I=2πR3+0+32πR3=22+32πR3I=\sqrt2\pi R^3+0+\dfrac32\pi R^3=\dfrac{2\sqrt2+3}2\pi R^3。

三片的结果加起来就是整个封闭曲面上的积分。

答案:22+32πR3\frac{2\sqrt2+3}2\pi R^3

xyzOC:y=2z,x²+3z²=1Σ:C 上方的部分
椭球面上 Fz=0F_z=0 的点组成曲线 CC,Σ\Sigma 是 CC 上方的半张。
例 3.52010 数一(19)
设 PP 为椭球面 S:x2+y2+z2−yz=1S:x^2+y^2+z^2-yz=1 上的动点,若 SS 在点 PP 处的切平面与 xOyxOy 面垂直,求点 PP 的轨迹 CC,并计算曲面积分 I=∬Σ(x+3)∣y−2z∣4+y2+z2−4yz dSI=\displaystyle\iint_\Sigma\frac{(x+\sqrt3)|y-2z|}{\sqrt{4+y^2+z^2-4yz}}\dS,其中 Σ\Sigma 是椭球面 SS 位于曲线 CC 上方的部分。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 求轨迹 CC。记 F=x2+y2+z2−yz−1F=x^2+y^2+z^2-yz-1,法向量 (Fx,Fy,Fz)=(2x, 2y−z, 2z−y)(F_x,F_y,F_z)=(2x,\ 2y-z,\ 2z-y)。切平面与 xOyxOy 面垂直 ⟺ 法向量与 k\boldsymbol k 垂直 ⟺ Fz=2z−y=0F_z=2z-y=0,即 y=2zy=2z。代回 SS:x2+4z2+z2−2z2=1x^2+4z^2+z^2-2z^2=1,即 x2+3z2=1x^2+3z^2=1。所以 C:{x2+3z2=1y=2zC:\begin{cases}x^2+3z^2=1\\y=2z\end{cases}。

两个平面垂直,等价于它们的法向量垂直;xOyxOy 面的法向量是 k\boldsymbol k,所以只要法向量的 zz 分量为 0。空间曲线要写两个方程。

② Σ\Sigma 的投影。CC 投到 xOyxOy 面:z=y2z=\frac y2 代入 x2+3z2=1x^2+3z^2=1,得 x2+34y2=1x^2+\dfrac34y^2=1。Σ\Sigma 的投影 D:x2+34y2≤1D:x^2+\dfrac34y^2\le1。

Fz=0F_z=0 的地方正是曲面在 xOyxOy 面上投影的边界(切平面竖直的轮廓线),所以 CC 的投影围成了 Σ\Sigma 的投影。

③ 隐式曲面的  dS\dS。 dS=Fx2+Fy2+Fz2∣Fz∣ dx dy\dS=\dfrac{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}}{|F_z|}\dx\dy。而 Fx2+Fy2+Fz2=4x2+(2y−z)2+(2z−y)2=4x2+5y2+5z2−8yzF_x^2+F_y^2+F_z^2=4x^2+(2y-z)^2+(2z-y)^2=4x^2+5y^2+5z^2-8yz,用 SS 的方程 x2=1−y2−z2+yzx^2=1-y^2-z^2+yz 代掉 x2x^2:=4+y2+z2−4yz=4+y^2+z^2-4yz。

这正是被积函数分母根号里的式子;把曲面方程代进去,才看得出题目的设计。

④ 约分。∣Fz∣=∣2z−y∣=∣y−2z∣|F_z|=|2z-y|=|y-2z|,所以 (x+3)∣y−2z∣4+y2+z2−4yz dS=(x+3) dx dy\dfrac{(x+\sqrt3)|y-2z|}{\sqrt{4+y^2+z^2-4yz}}\dS=(x+\sqrt3)\dx\dy,I=∬D(x+3) dx dyI=\displaystyle\iint_D(x+\sqrt3)\dx\dy。

被积函数里的 ∣y−2z∣|y-2z| 和分母的根号,恰好与  dS\dS 的因子 ⋯∣Fz∣\frac{\sqrt{\cdots}}{|F_z|} 抵消。

⑤ 算二重积分。DD 关于 yy 轴对称,∬Dx dx dy=0\iint_Dx\dx\dy=0;DD 是半轴 1 和 23\frac2{\sqrt3} 的椭圆,面积 π⋅1⋅23\pi\cdot1\cdot\frac2{\sqrt3}。所以 I=3⋅2π3=2πI=\sqrt3\cdot\dfrac{2\pi}{\sqrt3}=2\pi。

椭圆 x2a2+y2b2≤1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}\le1 的面积是 πab\pi ab;x2+34y2≤1x^2+\frac34y^2\le1 的 b2=43b^2=\frac43。

答案:C:{x2+3z2=1y=2zC:\begin{cases}x^2+3z^2=1\\y=2z\end{cases};I=2πI=2\pi

3.4小结

看到什么怎么做例子
曲面是 z=z(x,y)z=z(x,y)投到 xOyxOy 面, dS=1+zx2+zy2 dx dy\dS=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy例 3.1、例 3.2
被积函数几项之和、曲面对称奇的划掉,轮换凑出曲面方程,再代入例 3.3、练习 2
封闭曲面有柱面侧面分片;侧面投到 xOzxOz 或 yOzyOz 面,前后两片例 3.4
隐式曲面、被积函数里有怪分母 dS=∣∇F∣∣Fz∣ dx dy\dS=\frac{|\nabla F|}{|F_z|}\dx\dy,看能否约掉例 3.5
第 4 部分

第二型曲线积分与格林公式

第二型曲线积分是“变力沿曲线做的功”,有方向。这一部分讲直接计算、格林公式、补线、挖洞、路径无关与原函数、对称性。它是这一章考得最多的内容:Maki 收的 10 道平面真题全在这里。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十四章第 1—4 条)
  1. 理解第二型曲线积分的概念。
  2. 理解两类曲线积分的关系。
  3. 掌握第二型曲线积分的计算方法。
  4. 掌握格林公式并会运用平面曲线积分与路径无关的条件,会求二元函数全微分的原函数。

对应李林讲义第十四章第一节“第二型曲线积分”(p348—359)和第三节“奇偶对称性”(p368—370)。Maki 第三十五讲第 2 节的 10 道平面真题全在这里;空间曲线(2015 数一(19))放在第 6 部分和斯托克斯公式一起讲。

4.1概念与直接计算:变力沿曲线做的功

大白话:一个力 F=(P,Q)\bF=(P,Q) 推着质点沿曲线 LL 从 AA 走到 BB,做了多少功?每走一小段 (dx,dy)(\dd x,\dd y),做功 P dx+Q dyP\dx+Q\dy,加起来就是第二型曲线积分(对坐标的曲线积分)。它和第一型最大的不同是有方向:反着走,每一小段的 dx,dy\dd x,\dd y 都变号,积分也变号。所以化成定积分时,下限对应起点、上限对应终点,不管谁大谁小。

xyOA 起点B 终点F=(P, Q)
变力 F=(P,Q)\bF=(P,Q) 沿 LL 从 AA 到 BB 做功:每一小段做功 P dx+Q dyP\dx+Q\dy。
第二型曲线积分(李林 p348—350) ∫LP(x,y) dx+Q(x,y) dy=lim⁡d→0∑i=1n[P(ξi,ηi)Δxi+Q(ξi,ηi)Δyi].\displaystyle \int_LP(x,y)\dx+Q(x,y)\dy=\lim_{d\to0}\sum_{i=1}^n\big[P(\xi_i,\eta_i)\Delta x_i+Q(\xi_i,\eta_i)\Delta y_i\big].
  • 参数方程 x=x(t), y=y(t)x=x(t),\ y=y(t),起点 t=αt=\alpha、终点 t=βt=\beta:∫LP dx+Q dy=∫αβ[P x′(t)+Q y′(t)] dt\displaystyle\int_LP\dx+Q\dy=\int_\alpha^\beta\big[P\,x'(t)+Q\,y'(t)\big]\dt,α\alpha 不一定小于 β\beta。
  • 方向性:∫L−=−∫L\int_{L^-}=-\int_L(L−L^- 是反方向的 LL)。
  • 与第一型的关系:∫LP dx+Q dy=∫L(Pcos⁡α+Qcos⁡β) ds\int_LP\dx+Q\dy=\int_L(P\cos\alpha+Q\cos\beta)\ds,(cos⁡α,cos⁡β)(\cos\alpha,\cos\beta) 是 LL 上与方向一致的单位切向量。

例如(李林 p350):ABAB 为椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1 在第一象限从 A(0,b)A(0,b) 到 B(a,0)B(a,0) 的弧,x=acos⁡t, y=bsin⁡tx=a\cos t,\ y=b\sin t,tt 从 π2\frac\pi2 到 0:∫ABx dy−y dx=∫π/20(abcos⁡2t+absin⁡2t) dt=−πab2\displaystyle\int_{AB}x\dy-y\dx=\int_{\pi/2}^0(ab\cos^2t+ab\sin^2t)\dt=-\frac{\pi ab}2。这里下限 π2\frac\pi2 比上限 0 大,因为起点对应 t=π2t=\frac\pi2。

方法卡 · 直接化为定积分
什么时候用
曲线是直线段、折线、圆弧,被积函数不复杂;或者曲线不封闭、也不方便补线。
步骤
  1. 把 LL 写成参数方程(y=y(x)y=y(x) 时就用 xx 当参数),分段曲线分段写。
  2. 把 x,y,dx,dyx,y,\dd x,\dd y 全部换成参数的式子。
  3. 下限 = 起点的参数,上限 = 终点的参数,然后算定积分。
最容易错
按第一型的习惯把下限写成小的那个(方向错了,答案差一个负号);折线没有在拐点处分段。
例 4.1李林 第十四章 §1 例如 · p350
计算 ∫L2x3y dy+3x2y2 dx\displaystyle\int_L2x^3y\dy+3x^2y^2\dx,其中 LL 分别为从点 O(0,0)O(0,0) 到点 B(1,1)B(1,1) 的:(1)抛物线 y=x2y=x^2;(2)直线 y=xy=x;(3)折线 OABOAB,A(1,0)A(1,0)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 认出 P,QP,Q。P=3x2y2P=3x^2y^2( dx\dx 前面的),Q=2x3yQ=2x^3y( dy\dy 前面的)。

第二型曲线积分总是写成 P dx+Q dyP\dx+Q\dy;题目把两项的顺序颠倒了,先认清谁跟着  dx\dx、谁跟着  dy\dy。

② (1) 抛物线 y=x2y=x^2。dy=2x dx\dd y=2x\dx,xx 从 0 到 1:∫01[3x2⋅x4+2x3⋅x2⋅2x] dx=∫017x6 dx=1\displaystyle\int_0^1\big[3x^2\cdot x^4+2x^3\cdot x^2\cdot2x\big]\dx=\int_0^17x^6\dx=1。

用 xx 作参数,yy、dy\dd y 都换成 xx 的式子;起点 x=0x=0 是下限,终点 x=1x=1 是上限。

③ (2) 直线 y=xy=x。∫01[3x4+2x4] dx=∫015x4 dx=1\displaystyle\int_0^1\big[3x^4+2x^4\big]\dx=\int_0^15x^4\dx=1。

和 (1) 一样用 xx 作参数:y=xy=x,dy= dx\dd y=\dx,同样从 0 积到 1。

④ (3) 折线 OABOAB。OAOA:y=0y=0,dy=0\dd y=0,积分为 0;ABAB:x=1x=1,dx=0\dd x=0,yy 从 0 到 1,∫012y dy=1\displaystyle\int_0^12y\dy=1。合计 1。

每段上一个坐标不动,对应的微分为 0,只剩一项。

⑤ 为什么三条路径结果一样。∂Q∂x=6x2y=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x}=6x^2y=\dfrac{\partial P}{\partial y},被积式是 d(x3y2)\dd(x^3y^2) 的全微分,积分等于 x3y2∣(0,0)(1,1)=1x^3y^2\big|_{(0,0)}^{(1,1)}=1,与路径无关(4.5 节)。

一个全微分沿曲线积分,只看终点和起点的函数值差,和中间怎么走无关。

答案:三条路径都等于 1(被积式为 d(x3y2)\dd(x^3y^2))

xyOL1:y=1+xL2:y=1−x−111
折线 y=1−∣x∣y=1-|x|:在 x=0x=0 处拆成两段。
例 4.22010 数一(11)
已知曲线 LL 的方程为 y=1−∣x∣ (x∈[−1,1])y=1-|x|\ (x\in[-1,1]),起点是 (−1,0)(-1,0),终点为 (1,0)(1,0),则曲线积分 ∫Lxy dx+x2 dy=\displaystyle\int_Lxy\dx+x^2\dy= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 拆成两段。L1:y=1+xL_1:y=1+x,xx 从 −1-1 到 0;L2:y=1−xL_2:y=1-x,xx 从 0 到 1。

绝对值在 x=0x=0 处改变表达式,必须拆开;两段上 xx 都是从左往右走,与曲线方向一致。

② 算 L1L_1。dy= dx\dd y=\dx:∫−10[x(1+x)+x2] dx=∫−10(x+2x2) dx=−12+23=16\displaystyle\int_{-1}^0\big[x(1+x)+x^2\big]\dx=\int_{-1}^0(x+2x^2)\dx=-\frac12+\frac23=\frac16。

这一段在 y=1+xy=1+x 上,yy 换成 1+x1+x,dy\dd y 换成  dx\dx;∫−10x dx=−12\int_{-1}^0x\dx=-\frac12,∫−102x2 dx=23\int_{-1}^02x^2\dx=\frac23。

③ 算 L2L_2。dy=− dx\dd y=-\dx:∫01[x(1−x)−x2] dx=∫01(x−2x2) dx=12−23=−16\displaystyle\int_0^1\big[x(1-x)-x^2\big]\dx=\int_0^1(x-2x^2)\dx=\frac12-\frac23=-\frac16。

这一段 y=1−xy=1-x,斜率是 −1-1,所以 dy=− dx\dd y=-\dx。

④ 相加。16−16=0\dfrac16-\dfrac16=0。

第二型曲线积分可以按段相加。也可以补上从 (1,0)(1,0) 到 (−1,0)(-1,0) 的线段用格林公式:Qx−Py=2x−x=xQ_x-P_y=2x-x=x,区域关于 yy 轴对称,二重积分为 0,补线上 y=0y=0 积分也为 0。

答案:0

4.2格林公式:闭曲线上的积分换成二重积分

大白话:沿一条封闭曲线绕一圈做的功,等于它所围区域里“每一点的旋转强度 Qx−PyQ_x-P_y”加起来。这就是格林公式,它把一个曲线积分换成一个二重积分。用它要满足两个条件:曲线是正向(沿着走,区域在左手边;外圈就是逆时针);P,QP,Q 在整个区域里都有连续的偏导数(区域里不能有让分母为 0 的点)。Qx−PyQ_x-P_y 是常数时,二重积分就是“常数 × 面积”,一步出答案。

xyOD正向:D 在左手边
正向边界:沿 LL 走,区域 DD 在左手边。
格林公式(李林 p350—351) ∮LP dx+Q dy=∬D(∂Q∂x−∂P∂y) dx dy.\displaystyle \oint_LP\dx+Q\dy=\iint_D\Big(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Big)\dx\dy .
  • 条件:LL 是 DD 的正向边界(分段光滑);P,QP,Q 在 DD(含边界)上有一阶连续偏导数。
  • LL 是反向(顺时针)时,右边加负号。
  • 面积公式:SD=12∮Lx dy−y dx=∮Lx dy=−∮Ly dxS_D=\dfrac12\displaystyle\oint_Lx\dy-y\dx=\oint_Lx\dy=-\oint_Ly\dx。

例如(李林 p351):L:∣x∣+∣y∣=1L:|x|+|y|=1 正向,∮Ly dx+2x dy=∬D(2−1) dx dy=SD=2\displaystyle\oint_Ly\dx+2x\dy=\iint_D(2-1)\dx\dy=S_D=2(DD 是对角线长 2 的正方形,面积 12×2×2=2\frac12\times2\times2=2)。

方法卡 · 格林公式直接用
什么时候用
曲线封闭;Qx−PyQ_x-P_y 比原被积式简单(常数、或 x,yx,y 的简单多项式);区域内没有奇点。
步骤
  1. 算 Qx−PyQ_x-P_y(注意是 QQ 对 xx 减 PP 对 yy)。
  2. 查条件:方向是不是正向?区域里 P,QP,Q 有没有定义不了的点?
  3. 写成二重积分,用对称性、极坐标或“常数 × 面积”算出来。
最容易错
把 Qx−PyQ_x-P_y 写反成 Py−QxP_y-Q_x;曲线顺时针却没加负号;区域里有奇点(分母为 0)还直接用。
xyOL1L2L3L41−x²−y²/2>0
1−x2−y221-x^2-\frac{y^2}2 在浅红椭圆内为正;L4L_4 恰好就是这个椭圆。
例 4.32013 数一(4)
设 L1:x2+y2=1L_1:x^2+y^2=1,L2:x2+y2=2L_2:x^2+y^2=2,L3:x2+2y2=2L_3:x^2+2y^2=2,L4:2x2+y2=2L_4:2x^2+y^2=2 为四条逆时针方向的平面曲线。记 Ii=∮Li(y+y36) dx+(2x−x33) dy (i=1,2,3,4)I_i=\displaystyle\oint_{L_i}\Big(y+\frac{y^3}6\Big)\dx+\Big(2x-\frac{x^3}3\Big)\dy\ (i=1,2,3,4),则 max⁡{I1,I2,I3,I4}=\max\{I_1,I_2,I_3,I_4\}=( )
(A)I1I_1 (B)I2I_2 (C)I3I_3 (D)I4I_4
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 格林公式。∂Q∂x−∂P∂y=(2−x2)−(1+y22)=1−x2−y22\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}=(2-x^2)-\Big(1+\dfrac{y^2}2\Big)=1-x^2-\dfrac{y^2}2,所以 Ii=∬Di(1−x2−y22) dx dyI_i=\displaystyle\iint_{D_i}\Big(1-x^2-\frac{y^2}2\Big)\dx\dy。

四条曲线都是逆时针、都封闭,P,QP,Q 是多项式,处处可导,格林公式直接能用。

② 看被积函数的正负。被积函数在椭圆 E:x2+y22<1E:x^2+\dfrac{y^2}2<1(也就是 2x2+y2<22x^2+y^2<2)里为正,外面为负。

区域越大不一定积分越大:多围进来的部分如果被积函数是负的,积分反而变小。

③ 最优区域。D4D_4 恰好就是 EE:它把被积函数为正的点全部围进来,一个负的点也不包含。其他三个区域要么少围了正的部分,要么多围了负的部分,所以 I4I_4 最大。所以选(D)。

积分 = 正的部分之和 + 负的部分之和;想让它最大,就应该“只要正的、全要正的”,也就是积分区域取 {被积函数≥0}\{被积函数\ge0\}。

④ 算出来核对。椭圆 x=arcos⁡θ, y=brsin⁡θx=ar\cos\theta,\ y=br\sin\theta, dx dy=ab r dr dθ\dx\dy=ab\,r\dr\dth,∬(1−x2−y22)=πab(1−a24−b28)\iint(1-x^2-\frac{y^2}2)=\pi ab\Big(1-\frac{a^2}4-\frac{b^2}8\Big):I1=5π8I_1=\frac{5\pi}8,I2=π2I_2=\frac\pi2,I3=32π8≈1.67I_3=\frac{3\sqrt2\pi}8\approx1.67,I4=2π2≈2.22I_4=\frac{\sqrt2\pi}2\approx2.22,最大的是 I4I_4。

∬椭圆x2=πa3b4\iint_{\text{椭圆}}x^2=\frac{\pi a^3b}4,∬y2=πab34\iint y^2=\frac{\pi ab^3}4;四条曲线分别取 (a,b)=(1,1),(2,2),(2,1),(1,2)(a,b)=(1,1),(\sqrt2,\sqrt2),(\sqrt2,1),(1,\sqrt2)。

答案:D

4.3补线:曲线不封闭时

大白话:曲线不封闭,但被积函数很难直接积(比如有 ex2\e^{x^2}、cos⁡4y\cos^4y 这种积不出来的东西),而 Qx−PyQ_x-P_y 却很简单。办法是补一段线把它封起来:∫L=∮L+L0−∫L0\int_L=\oint_{L+L_0}-\int_{L_0}。封闭的部分用格林公式,补的那段单独算。补的线尽量选平行于坐标轴的线段,这样 dx=0\dd x=0 或 dy=0\dd y=0,被积式只剩一半。

补线三件事(Maki 35.3 的结论)
  1. 补的线好算:首选平行于坐标轴的线段,其次是过原点的直线。
  2. 判定方向:补的线要从 LL 的终点走回 LL 的起点;围成的区域在行进方向的左边是正向,否则二重积分前加负号。
  3. 最后减掉补线上的积分:∫L=±∬D(Qx−Py) dx dy−∫L0\displaystyle\int_L=\pm\iint_D(Q_x-P_y)\dx\dy-\int_{L_0}。
方法卡 · 补线用格林
什么时候用
曲线不封闭;原被积式难积,但 Qx−PyQ_x-P_y 简单(常数最好)。
步骤
  1. 算 Qx−PyQ_x-P_y,确认它简单。
  2. 从终点补一段线回到起点(平行于坐标轴或过原点),画图判断正向还是反向。
  3. 封闭曲线上用格林公式;补线上把参数代进去单独算;相减。
最容易错
补线的方向画反(应从 LL 的终点回到起点);忘了减去补线上的积分;补线上的积分算错符号(下限是补线的起点)。
xyOA(1, 0)B(0, 1)C(−1, 0)补线 CAD
补上 xx 轴上的线段 CACA,围成的区域 DD 是正向。
例 4.4李林 第十四章 §1 例 1 · p352—353
计算 I=∫L(x2−2y) dx+(3x+yey) dyI=\displaystyle\int_L(x^2-2y)\dx+(3x+y\e^y)\dy,其中 LL 是由直线 x+y=1x+y=1 位于第一象限的线段与圆弧 x2+y2=1x^2+y^2=1 位于第二象限的部分组成,方向从 A(1,0)A(1,0) 经 B(0,1)B(0,1) 到 C(−1,0)C(-1,0)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 算 Qx−PyQ_x-P_y。P=x2−2yP=x^2-2y,Q=3x+yeyQ=3x+y\e^y,∂Q∂x−∂P∂y=3−(−2)=5\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}=3-(-2)=5。

常数!二重积分就是“5 × 面积”,而 yeyy\e^y 这一项也在求导时消失了,所以补线用格林公式。

② 补线。补 xx 轴上从 C(−1,0)C(-1,0) 到 A(1,0)A(1,0) 的线段 CACA。L+CAL+CA 逆时针围成区域 DD = 三角形 OABOAB + 第二象限的四分之一圆盘,面积 12+π4\dfrac12+\dfrac\pi4。

从终点 CC 沿 xx 轴回到起点 AA,路上 y=0y=0、dy=0\dd y=0,最好算;走一圈 A→B→C→AA\to B\to C\to A 是逆时针,区域在左边。

③ 格林公式。∮L+CA=∬D5 dx dy=5(12+π4)=52+5π4\displaystyle\oint_{L+CA}=\iint_D5\dx\dy=5\Big(\frac12+\frac\pi4\Big)=\frac52+\frac{5\pi}4。

被积函数是常数,积分就是常数乘面积。

④ 补线上的积分。CACA:y=0y=0,dy=0\dd y=0,xx 从 −1-1 到 1:∫CA=∫−11x2 dx=23\displaystyle\int_{CA}=\int_{-1}^1x^2\dx=\frac23。

PP 里的 −2y-2y 变成 0,Q dyQ\dy 整项为 0,只剩 x2 dxx^2\dx。

⑤ 相减。I=52+5π4−23=5π4+116I=\dfrac52+\dfrac{5\pi}4-\dfrac23=\dfrac{5\pi}4+\dfrac{11}6。

补线法的最后一步:封闭曲线上的积分减去补上的那段,剩下的就是原来的 LL。∫L=∮L+CA−∫CA\int_L=\oint_{L+CA}-\int_{CA}。

答案:5π4+116\frac{5\pi}4+\frac{11}6

xyO小圆 x²+y²=2xx²+y²=4补 L0D22
补上 yy 轴上的线段 L0L_0 回到原点。
例 4.52012 数一(19)李林 第十四章 习题 (7) · p374
已知 LL 是第一象限中从点 (0,0)(0,0) 沿圆周 x2+y2=2xx^2+y^2=2x 到点 (2,0)(2,0),再沿圆周 x2+y2=4x^2+y^2=4 到点 (0,2)(0,2) 的曲线段,计算曲线积分 I=∫L3x2y dx+(x3+x−2y) dyI=\displaystyle\int_L3x^2y\dx+(x^3+x-2y)\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 算 Qx−PyQ_x-P_y。∂Q∂x−∂P∂y=(3x2+1)−3x2=1\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}=(3x^2+1)-3x^2=1。

差是常数 1,二重积分就是面积,补线用格林。

② 补线并判断方向。补 yy 轴上从 (0,2)(0,2) 到 (0,0)(0,0) 的线段 L0L_0。L+L0L+L_0 围成的 DD 是“大圆的四分之一减去小圆的上半”,沿 LL 走时 DD 在左边,是正向。

LL 先沿小圆上半周从原点走到 (2,0)(2,0),再沿大圆往上到 (0,2)(0,2),最后沿 yy 轴下来:整条路绕 DD 逆时针一圈。

③ 面积。SD=14π⋅22−12π⋅12=π−π2=π2S_D=\dfrac14\pi\cdot2^2-\dfrac12\pi\cdot1^2=\pi-\dfrac\pi2=\dfrac\pi2,所以 ∮L+L0=π2\oint_{L+L_0}=\dfrac\pi2。

大圆半径 2 的四分之一,减去小圆(半径 1)在 xx 轴上方的那一半。

④ 补线上的积分。L0L_0:x=0x=0,dx=0\dd x=0,yy 从 2 到 0:∫L0=∫20(0+0−2y) dy=[−y2]20=4\displaystyle\int_{L_0}=\int_2^0(0+0-2y)\dy=\big[-y^2\big]_2^0=4。

x=0x=0 让 3x2y dx3x^2y\dx 与 x3+xx^3+x 都消失,只剩 −2y dy-2y\dy;起点 y=2y=2 是下限。

⑤ 相减。I=π2−4I=\dfrac\pi2-4。

补线法的最后一步,封闭曲线上的值减去补线上的值:∫L=∮L+L0−∫L0=π2−4\int_L=\oint_{L+L_0}-\int_{L_0}=\frac\pi2-4。

答案:π2−4\frac\pi2-4

xyOL:y=1−x²补 L0D−11
补上 xx 轴上从 (−1,0)(-1,0) 到 (1,0)(1,0) 的线段。
例 4.62025 数一(14)
已知有向曲线 LL 是沿抛物线 y=1−x2y=1-x^2 从点 (1,0)(1,0) 到 (−1,0)(-1,0) 的一段,则曲线积分 ∫L(y+cos⁡x) dx+(2x+cos⁡y) dy=\displaystyle\int_L(y+\cos x)\dx+(2x+\cos y)\dy= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 算 Qx−PyQ_x-P_y。∂Q∂x−∂P∂y=2−1=1\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}=2-1=1。

cos⁡x\cos x 只含 xx,对 yy 求导为 0;cos⁡y\cos y 对 xx 求导为 0;剩下常数 1。

② 补线。补 xx 轴上从 (−1,0)(-1,0) 到 (1,0)(1,0) 的线段 L0L_0,L+L0L+L_0 围成抛物线下的区域 DD,逆时针(正向)。SD=∫−11(1−x2) dx=43S_D=\displaystyle\int_{-1}^1(1-x^2)\dx=\frac43。

LL 从右端点越过顶点走到左端点,再沿 xx 轴回到右端点,绕 DD 逆时针一圈。

③ 补线上的积分。y=0y=0,dy=0\dd y=0:∫L0=∫−11cos⁡x dx=2sin⁡1\displaystyle\int_{L_0}=\int_{-1}^1\cos x\dx=2\sin1。

补的线在 xx 轴上,y=0y=0、dy=0\dd y=0,只剩 P dxP\dx 一项,P=y+cos⁡xP=y+\cos x 在 xx 轴上变成 cos⁡x\cos x。

④ 相减。原式 =43−2sin⁡1=\dfrac43-2\sin1。

Maki 书里的答案被文字层截成了“4”,完整答案是 43−2sin⁡1≈−0.350\frac43-2\sin1\approx-0.350。

答案:43−2sin⁡1\frac43-2\sin1

xyOA(−½, −½)B(½, ½)D补 L0
补上弦 BABA,围成右下半个椭圆 DD。
例 4.72026 数一(19)
设有向曲线 LL 为椭圆 x2+3y2=1x^2+3y^2=1 上沿逆时针方向从点 A(−12,−12)A\big(-\frac12,-\frac12\big) 到点 B(12,12)B\big(\frac12,\frac12\big) 的部分,计算曲线积分 I=∫L(ex2sin⁡x−2xy) dx+(6x−x2−ycos⁡4y) dyI=\displaystyle\int_L\big(\e^{x^2}\sin x-2xy\big)\dx+\big(6x-x^2-y\cos^4y\big)\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 算 Qx−PyQ_x-P_y。∂P∂y=−2x\dfrac{\partial P}{\partial y}=-2x,∂Q∂x=6−2x\dfrac{\partial Q}{\partial x}=6-2x,差 =6=6。

ex2sin⁡x\e^{x^2}\sin x 不含 yy,ycos⁡4yy\cos^4y 不含 xx,两个积不出来的函数在求导时都消失了,这就是要用格林公式的信号。

② 看清 LL 是哪一半。椭圆参数化 x=cos⁡t, y=sin⁡t3x=\cos t,\ y=\frac{\sin t}{\sqrt3}。AA 对应 t=4π3t=\frac{4\pi}3,BB 对应 t=7π3t=\frac{7\pi}3(即 π3\frac\pi3);逆时针 tt 增大,途中经过 t=2πt=2\pi 即最右点 (1,0)(1,0)。所以 LL 是经过 (1,0)(1,0) 的那一半。

A,BA,B 关于原点对称,弦 ABAB 过中心,把椭圆分成两半;逆时针从 AA 出发先往右下走,所以是右下那一半。

③ 补弦并用格林。补弦 L0L_0:从 BB 沿 y=xy=x 回到 AA。L+L0L+L_0 逆时针围成半个椭圆 DD,面积 12⋅π⋅1⋅13=π23\dfrac12\cdot\pi\cdot1\cdot\dfrac1{\sqrt3}=\dfrac\pi{2\sqrt3}。∮L+L0=6⋅π23=3π\oint_{L+L_0}=6\cdot\dfrac\pi{2\sqrt3}=\sqrt3\pi。

椭圆 x2+y21/3=1x^2+\frac{y^2}{1/3}=1 的半轴是 1 和 13\frac1{\sqrt3},面积 π3\frac\pi{\sqrt3};过中心的弦平分它。

④ 弦上的积分。L0L_0:x=y=sx=y=s,ss 从 12\frac12 到 −12-\frac12,dx=dy=ds\dd x=\dd y=\dd s。被积式 =es2sin⁡s−2s2+6s−s2−scos⁡4s=\e^{s^2}\sin s-2s^2+6s-s^2-s\cos^4s。其中 es2sin⁡s\e^{s^2}\sin s、6s6s、scos⁡4ss\cos^4s 是奇函数,在对称区间上积分为 0,只剩 ∫1/2−1/2(−3s2)ds=∫−1/21/23s2ds=14\displaystyle\int_{1/2}^{-1/2}(-3s^2)\dd s=\int_{-1/2}^{1/2}3s^2\dd s=\frac14。

积分区间关于 0 对称(只是方向反了),奇函数部分自动为 0;方向反了等于积分号前加负号,负负得正。

⑤ 相减。I=3π−14I=\sqrt3\pi-\dfrac14。

∫L=∮L+L0−∫L0\int_L=\oint_{L+L_0}-\int_{L_0};数值 ≈5.191\approx5.191,和直接参数化数值积分的结果一致。

答案:3π−14\sqrt3\pi-\frac14

例 4.8李林 第十四章 §1 例 4 · p354
求 I=∫AmB⌢[f(y)ex−3y] dx+[f′(y)ex−3] dyI=\displaystyle\int_{\overset\frown{AmB}}\big[f(y)\e^x-3y\big]\dx+\big[f'(y)\e^x-3\big]\dy,其中 f(y)f(y) 有一阶连续导数,AmB⌢\overset\frown{AmB} 为连接 A(2,3)A(2,3)、B(4,1)B(4,1) 且与线段 AB‾\overline{AB} 围成的图形面积为 5 的任一路径(弧在线段 ABAB 的右上方,见李林图 14-15)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 拆开被积式。f(y)ex dx+f′(y)ex dy=d(f(y)ex)f(y)\e^x\dx+f'(y)\e^x\dy=\dd\big(f(y)\e^x\big) 是全微分;剩下 −3y dx−3 dy-3y\dx-3\dy。

ff 是未知函数,没法直接积,只能看它能不能凑成某个函数的全微分:∂∂x(f(y)ex)=f(y)ex\frac{\partial}{\partial x}(f(y)\e^x)=f(y)\e^x,∂∂y(f(y)ex)=f′(y)ex\frac{\partial}{\partial y}(f(y)\e^x)=f'(y)\e^x,正好是前两项。

② 全微分部分。只看端点:f(y)ex∣A(2,3)B(4,1)=f(1)e4−f(3)e2f(y)\e^x\Big|_{A(2,3)}^{B(4,1)}=f(1)\e^4-f(3)\e^2。

全微分沿任何路径的积分都等于终点值减起点值。

③ 剩余部分补线用格林。对 −3y dx−3 dy-3y\dx-3\dy:Qx−Py=0−(−3)=3Q_x-P_y=0-(-3)=3。补线段 BABA,弧在右上方时 A→m→B→AA\to m\to B\to A 是顺时针,所以 ∮=−∬D3 dx dy=−3×5=−15\oint=-\iint_D3\dx\dy=-3\times5=-15。

区域在行进方向的右边,是负向,格林公式前加负号;面积题目给了是 5。

④ 线段 ABAB 上的积分。ABAB:y=5−xy=5-x,xx 从 2 到 4,dy=− dx\dd y=-\dx:∫24[−3(5−x)+3] dx=∫24(3x−12) dx=18−24=−6\displaystyle\int_2^4\big[-3(5-x)+3\big]\dx=\int_2^4(3x-12)\dx=18-24=-6。

沿线段从 AA 到 BB(和 LL 同起点同终点);∫L=∮L+BA+∫AB\int_L=\oint_{L+BA}+\int_{AB}。

⑤ 合起来。I=f(1)e4−f(3)e2−15−6=f(1)e4−f(3)e2−21I=f(1)\e^4-f(3)\e^2-15-6=f(1)\e^4-f(3)\e^2-21。

全微分部分与剩余部分相加。

答案:f(1)e4−f(3)e2−21f(1)\e^4-f(3)\e^2-21

4.4挖洞:区域里有奇点

大白话:被积函数像 x dy−y dxx2+y2\dfrac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2} 这样分母会等于 0 时,分母为 0 的点(奇点)不能包在格林公式的区域里。如果算出来 Qx=PyQ_x=P_y(旋转强度处处为 0),就用挖洞:在奇点周围画一条小曲线 ll,它和 LL 之间的环形区域里没有奇点,可以用格林公式,结果是 ∮L=∮l\oint_L=\oint_l。小曲线的形状跟着分母走:分母是 x2+y2x^2+y^2 就挖小圆,分母是 4x2+y24x^2+y^2 就挖小椭圆 4x2+y2=δ24x^2+y^2=\delta^2,这样分母在 ll 上是常数,可以提出去。

xyOLl:4x²+y²=δ²D:环形区域
挖掉一个小椭圆 ll,环形区域里可以用格林公式。
挖洞的依据(李林 p351、p353)
  • Qx=PyQ_x=P_y 在去掉奇点的区域内成立,LL、ll 同为逆时针,则 ∮LP dx+Q dy=∮lP dx+Q dy\displaystyle\oint_LP\dx+Q\dy=\oint_lP\dx+Q\dy(ll 可以任意选,只要把奇点圈住)。
  • 基本环量:∮x dy−y dxx2+y2=2π\displaystyle\oint\frac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2}=2\pi(逆时针绕原点一圈);没绕原点时为 0。
  • 小曲线上分母是常数 δ2\delta^2:∮lx dy−y dxδ2=1δ2∬Dl2 dx dy=2Slδ2\displaystyle\oint_l\frac{x\dy-y\dx}{\delta^2}=\frac1{\delta^2}\iint_{D_l}2\dx\dy=\frac{2S_l}{\delta^2}。

例如(李林 p351):L:x2+y2=R2L:x^2+y^2=R^2 逆时针,∮L−y dx+x dyx2+y2=∫02πR2cos⁡2t+R2sin⁡2tR2 dt=2π≠0\displaystyle\oint_L\frac{-y\dx+x\dy}{x^2+y^2}=\int_0^{2\pi}\frac{R^2\cos^2t+R^2\sin^2t}{R^2}\dt=2\pi\ne0。可见虽然 Qx=PyQ_x=P_y,积分却不为 0:原点是奇点,区域“有洞”。

方法卡 · 挖洞
什么时候用
被积式有分母,分母在 LL 所围区域里某点为 0;算出来 Qx=PyQ_x=P_y。
步骤
  1. 先验证 Qx=PyQ_x=P_y(不成立就不能挖洞,只能直接算或另想办法)。
  2. 选小曲线 ll:让分母在 ll 上等于常数 δ2\delta^2,方向与 LL 相同(都逆时针)。
  3. ∮L=∮l\oint_L=\oint_l;在 ll 上把分母换成 δ2\delta^2,分子用格林公式或参数方程算,结果与 δ\delta 无关。
最容易错
分母是 4x2+y24x^2+y^2 却挖小圆(分母提不出来);小椭圆的面积算错;LL 不绕奇点时也去挖洞(此时直接用格林,结果为 0)。
例 4.9李林 第十四章 §1 例 2 · p353
计算 I=∮Lx dy−y dx4x2+y2I=\displaystyle\oint_L\frac{x\dy-y\dx}{4x^2+y^2},其中 LL 是以 (1,0)(1,0) 为圆心、R>1R>1 为半径的圆,方向取逆时针。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 验证 Qx=PyQ_x=P_y。P=−y4x2+y2P=\dfrac{-y}{4x^2+y^2},Q=x4x2+y2Q=\dfrac x{4x^2+y^2},∂Q∂x=∂P∂y=y2−4x2(4x2+y2)2\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{y^2-4x^2}{(4x^2+y^2)^2},(x,y)≠(0,0)(x,y)\ne(0,0)。

商的求导法则分别算出来,两者相等;这说明除了原点,旋转强度处处为 0。

② 原点在 LL 里面。圆心 (1,0)(1,0) 到原点的距离是 1<R1<R,所以原点在圆内,不能直接用格林公式。

格林公式要求区域内 P,QP,Q 处处有连续偏导,原点处分母为 0,不满足。

③ 挖一个小椭圆。作 l:4x2+y2=δ2l:4x^2+y^2=\delta^2(δ\delta 很小,逆时针),参数化 x=δ2cos⁡θ, y=δsin⁡θx=\frac\delta2\cos\theta,\ y=\delta\sin\theta。在 LL 与 ll 之间的环形区域上用格林公式得 ∮L=∮l\oint_L=\oint_l。

小椭圆的形状和分母一致,分母在 ll 上恒等于 δ2\delta^2。

④ 在 ll 上算。∮lx dy−y dxδ2=1δ2∫02π(δ2cos⁡θ⋅δcos⁡θ+δsin⁡θ⋅δ2sin⁡θ) dθ=1δ2⋅δ22⋅2π=π\displaystyle\oint_l\frac{x\dy-y\dx}{\delta^2}=\frac1{\delta^2}\int_0^{2\pi}\Big(\frac\delta2\cos\theta\cdot\delta\cos\theta+\delta\sin\theta\cdot\frac\delta2\sin\theta\Big)\dth=\frac1{\delta^2}\cdot\frac{\delta^2}2\cdot2\pi=\pi。

分子 x dy−y dxx\dy-y\dx 在参数下每一项都带 δ2\delta^2,与分母约掉,结果与 δ\delta 无关。也可用“∮lx dy−y dx=2Sl=2⋅π⋅δ2⋅δ\oint_lx\dy-y\dx=2S_l=2\cdot\pi\cdot\frac\delta2\cdot\delta”。

答案:π\pi

例 4.102020 数一(16)
计算曲线积分 I=∮L4x−y4x2+y2 dx+x+y4x2+y2 dyI=\displaystyle\oint_L\frac{4x-y}{4x^2+y^2}\dx+\frac{x+y}{4x^2+y^2}\dy,其中 LL 是 x2+y2=2x^2+y^2=2,方向为逆时针方向。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 验证 Qx=PyQ_x=P_y。记 u=4x2+y2u=4x^2+y^2。∂P∂y=−u−(4x−y)⋅2yu2=−4x2−8xy+y2u2\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{-u-(4x-y)\cdot2y}{u^2}=\dfrac{-4x^2-8xy+y^2}{u^2},∂Q∂x=u−(x+y)⋅8xu2=−4x2−8xy+y2u2\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{u-(x+y)\cdot8x}{u^2}=\dfrac{-4x^2-8xy+y^2}{u^2},相等。

商的求导:分子求导乘分母,减分子乘分母的导数;ux=8xu_x=8x,uy=2yu_y=2y。

② 挖洞。原点在圆 x2+y2=2x^2+y^2=2 内,挖掉小椭圆 l:4x2+y2=δ2l:4x^2+y^2=\delta^2(逆时针),I=∮l(4x−y) dx+(x+y) dyδ2I=\displaystyle\oint_l\frac{(4x-y)\dx+(x+y)\dy}{\delta^2}。

分母是 4x2+y24x^2+y^2,挖同形状的小椭圆,分母变成常数 δ2\delta^2。

③ 在 ll 上用格林公式。分子 (4x−y) dx+(x+y) dy(4x-y)\dx+(x+y)\dy 没有奇点:Qx−Py=1−(−1)=2Q_x-P_y=1-(-1)=2。∮l=1δ2∬4x2+y2≤δ22 dx dy=2δ2⋅π⋅δ2⋅δ=π\displaystyle\oint_l=\frac1{\delta^2}\iint_{4x^2+y^2\le\delta^2}2\dx\dy=\frac2{\delta^2}\cdot\pi\cdot\frac\delta2\cdot\delta=\pi。

分母提出去之后,剩下的被积式是多项式,可以放心对小椭圆内部用格林公式;小椭圆半轴 δ2\frac\delta2 和 δ\delta,面积 πδ22\frac{\pi\delta^2}2。

答案:π\pi

xyO∂D1:x²+y²=4x²+4y²=ε²4−x²−y²≥0
4−x2−y2≥04-x^2-y^2\ge0 的区域就是 D1D_1;(II) 挖掉小椭圆 x2+4y2=ε2x^2+4y^2=\varepsilon^2。
例 4.112021 数一(20)
设 D⊂R2D\subset\mathbb R^2 是有界单连通闭区域,I(D)=∬D(4−x2−y2) dx dyI(D)=\displaystyle\iint_D(4-x^2-y^2)\dx\dy 取得最大值的积分区域为 D1D_1。(I)求 I(D1)I(D_1) 的值;(II)计算 ∫∂D1(xex2+4y2+y) dx+(4yex2+4y2−x) dyx2+4y2\displaystyle\int_{\partial D_1}\frac{\big(x\e^{x^2+4y^2}+y\big)\dx+\big(4y\e^{x^2+4y^2}-x\big)\dy}{x^2+4y^2},其中 ∂D1\partial D_1 是 D1D_1 的正向边界。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (I) 找最优区域。被积函数 4−x2−y24-x^2-y^2 在圆 x2+y2≤4x^2+y^2\le4 内非负、外面为负。I(D)I(D) 要最大,就要把非负的部分全部包进来、负的部分一点不要,所以 D1={x2+y2≤4}D_1=\{x^2+y^2\le4\}。

和 2013 数一(4) 同一个道理:积分 = 正的部分 + 负的部分,区域取“被积函数 ≥0\ge0”的那一块时最大。

② (I) 算值。I(D1)=∫02π dθ∫02(4−r2)r dr=2π(8−4)=8πI(D_1)=\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^2(4-r^2)r\dr=2\pi\Big(8-4\Big)=8\pi。

圆盘上用极坐标,被积函数只含 rr:极坐标:∫024r dr=8\int_0^24r\dr=8,∫02r3 dr=4\int_0^2r^3\dr=4。

③ (II) 拆成两部分。被积式 =ex2+4y2(x dx+4y dy)x2+4y2+y dx−x dyx2+4y2=\dfrac{\e^{x^2+4y^2}(x\dx+4y\dy)}{x^2+4y^2}+\dfrac{y\dx-x\dy}{x^2+4y^2}。第一部分:令 u=x2+4y2u=x^2+4y^2,x dx+4y dy=12dux\dx+4y\dy=\frac12\dd u,它是 eu2udu\dfrac{\e^u}{2u}\dd u,是一个全微分,沿闭曲线积分为 0。

直接算 Qx−PyQ_x-P_y 会很繁;看出 x dx+4y dyx\dx+4y\dy 正好是 12d(x2+4y2)\frac12\dd(x^2+4y^2),这部分就只和 uu 有关,闭路积分自动为 0。

④ (II) 第二部分挖洞。y dx−x dyx2+4y2\dfrac{y\dx-x\dy}{x^2+4y^2} 满足 Qx=PyQ_x=P_y(除原点外),原点在 D1D_1 内。挖小椭圆 l:x2+4y2=ε2l:x^2+4y^2=\varepsilon^2(逆时针):∮ly dx−x dyε2=1ε2∬x2+4y2≤ε2(−1−1) dx dy=−2ε2⋅π⋅ε⋅ε2=−π\displaystyle\oint_l\frac{y\dx-x\dy}{\varepsilon^2}=\frac1{\varepsilon^2}\iint_{x^2+4y^2\le\varepsilon^2}(-1-1)\dx\dy=\frac{-2}{\varepsilon^2}\cdot\pi\cdot\varepsilon\cdot\frac\varepsilon2=-\pi。

分母 x2+4y2x^2+4y^2 对应的小椭圆半轴是 ε\varepsilon 和 ε2\frac\varepsilon2,面积 πε22\frac{\pi\varepsilon^2}2;分子用格林公式,Qx−Py=−1−1=−2Q_x-P_y=-1-1=-2。

⑤ 结论。(I)I(D1)=8πI(D_1)=8\pi;(II)原积分 =0+(−π)=−π=0+(-\pi)=-\pi。

全微分那部分沿闭曲线是 0,剩下的就是挖洞算出的 −π-\pi;两部分相加即得。

答案:(I) 8π8\pi;(II) −π-\pi

xyOA(1, 1)B(−1, 0)C(1, 0)D(−1, 1)y=x²−1
LL 从 AA 到 BB 再沿抛物线到 CC,绕过原点下方。
例 4.12李林 第十四章 §1 例 8 · p356
计算 I=∫Lx dy−y dxx2+y2I=\displaystyle\int_L\frac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2},其中 LL 是先从 A(1,1)A(1,1) 沿直线到 B(−1,0)B(-1,0),再沿曲线 y=x2−1y=x^2-1 到 C(1,0)C(1,0)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 可以换路径,但不能跨过原点。∂Q∂x=∂P∂y=y2−x2(x2+y2)2\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{y^2-x^2}{(x^2+y^2)^2},在不含原点的区域里积分与路径无关。LL 从原点下方绕过去,换的新路径也必须从原点下方经过。

路径无关只在“不含奇点的单连通区域”里成立;原路径和新路径之间夹的区域不能包含原点。

② 选新路径。A(1,1)→D(−1,1)→B(−1,0)A(1,1)\to D(-1,1)\to B(-1,0) 走两条线段,再沿单位圆的下半周 x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,tt 从 π\pi 到 2π2\pi 到 C(1,0)C(1,0)。

直线段上一个坐标不变;单位圆上分母 x2+y2=1x^2+y^2=1,最好算。新路径和原路径都在原点下方绕过,中间不夹原点。

③ 三段分别算。ADAD:y=1y=1,∫1−1− dx1+x2=π2\displaystyle\int_1^{-1}\frac{-\dx}{1+x^2}=\frac\pi2;DBDB:x=−1x=-1,∫10− dy1+y2=π4\displaystyle\int_1^0\frac{-\dy}{1+y^2}=\frac\pi4;圆弧:∫π2π(cos⁡2t+sin⁡2t) dt=π\displaystyle\int_\pi^{2\pi}(\cos^2t+\sin^2t)\dt=\pi。

ADAD 上 xx 从 1 到 −1-1,被积式 − dx1+x2-\frac{\dx}{1+x^2},积出 −[arctan⁡x]1−1=π2-[\arctan x]_1^{-1}=\frac\pi2;DBDB 上 yy 从 1 到 0,被积式 − dy1+y2\frac{-\dy}{1+y^2},积出 π4\frac\pi4。

④ 相加。I=π2+π4+π=7π4I=\dfrac\pi2+\dfrac\pi4+\pi=\dfrac{7\pi}4。

李林还给了另一种做法:补 CACA 并挖掉原点处的小圆,结果相同。

答案:7π4\frac{7\pi}4

4.5与路径无关、原函数与全微分方程

大白话:如果 P dx+Q dyP\dx+Q\dy 恰好是某个函数 uu 的全微分 du\dd u,那沿曲线积分就像“爬山只看起点和终点的海拔”:积分 = uu(终点) − uu(起点),与中间走哪条路无关。判断的办法是看 Qx=PyQ_x=P_y 是否成立(区域里没有洞)。反过来,题目说“与路径无关”或“对任意闭曲线积分为 0”,就等于告诉你 Qx=PyQ_x=P_y,可以用它反求未知函数或参数。

路径无关的四个等价命题(李林 p358)

设 DD 是平面单连通区域(没有洞),P,QP,Q 在 DD 内有一阶连续偏导数,则下面四条等价:

  1. 对 DD 内任意闭曲线 LL,∮LP dx+Q dy=0\oint_LP\dx+Q\dy=0;
  2. ∫LP dx+Q dy\int_LP\dx+Q\dy 在 DD 内与路径无关;
  3. 存在 u(x,y)u(x,y) 使 du=P dx+Q dy\dd u=P\dx+Q\dy(uu 叫原函数);
  4. 在 DD 内处处 ∂Q∂x=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{\partial P}{\partial y}。

求原函数的三种方法:(1)公式法 u=∫x0xP(x,y0) dx+∫y0yQ(x,y) dyu=\displaystyle\int_{x_0}^xP(x,y_0)\dx+\int_{y_0}^yQ(x,y)\dy(折线路径);(2)积分法:对 ∂u∂x=P\frac{\partial u}{\partial x}=P 积分,常数写成 φ(y)\varphi(y),再用 ∂u∂y=Q\frac{\partial u}{\partial y}=Q 定 φ\varphi;(3)凑微分:把被积式凑成 d(⋯ )\dd(\cdots)。

方法卡 · 路径无关的三类题
什么时候用
(A)求沿某条难走的路径的积分;(B)已知积分与路径无关,求参数或未知函数;(C)求原函数。
步骤
  1. (A)验证 Qx=PyQ_x=P_y,然后换成折线(平行于坐标轴),或直接求原函数,用终点值减起点值。
  2. (B)写出 Qx=PyQ_x=P_y,比较两边:得到参数的方程,或一个关于未知函数的微分方程。
  3. (C)积分法:u=∫P dx+φ(y)u=\int P\dx+\varphi(y),再对 yy 求导定 φ\varphi;别忘了题目给的初值。
最容易错
区域有洞(奇点)时用“Qx=PyQ_x=P_y 就与路径无关”;换路径时新路径跨过了奇点;积分法里 φ(y)\varphi(y) 写成常数 CC。
例 4.132019 数一(4)
设函数 Q(x,y)=xy2Q(x,y)=\dfrac x{y^2}。如果对上半平面 (y>0)(y>0) 内的任意有向光滑封闭曲线 CC 都有 ∮CP(x,y) dx+Q(x,y) dy=0\displaystyle\oint_CP(x,y)\dx+Q(x,y)\dy=0,那么函数 P(x,y)P(x,y) 可取为( )
(A)y−x2y3y-\dfrac{x^2}{y^3} (B)1y−x2y3\dfrac1y-\dfrac{x^2}{y^3} (C)1x−1y\dfrac1x-\dfrac1y (D)x−1yx-\dfrac1y
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 条件翻译成 Py=QxP_y=Q_x。上半平面是单连通区域,闭路积分恒为 0 ⟺ ∂P∂y=∂Q∂x=1y2\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac1{y^2},并且 PP 要在整个上半平面有连续偏导数。

四个等价命题中的第 1 条和第 4 条;前提是 P,QP,Q 在区域里处处有连续偏导。

② 逐个求 PyP_y。(A)1+3x2y41+\dfrac{3x^2}{y^4};(B)−1y2+3x2y4-\dfrac1{y^2}+\dfrac{3x^2}{y^4};(C)1y2\dfrac1{y^2};(D)1y2\dfrac1{y^2}。

对 yy 求偏导时 xx 当常数;1y\frac1y 的导数是 −1y2-\frac1{y^2},−1y-\frac1y 的导数是 1y2\frac1{y^2}。

③ 排除(C)。(C)的 1x\dfrac1x 在 x=0x=0(yy 轴正半轴,属于上半平面)处没有定义,不满足“在上半平面内有连续偏导数”,取一条绕过 yy 轴某段的闭曲线,结论就不成立。所以选(D)。

Py=QxP_y=Q_x 只是条件之一,PP 本身还必须在整个区域里好好的。

答案:D

例 4.142017 数一(11)
若曲线积分 ∫Lx dx−ay dyx2+y2−1\displaystyle\int_L\frac{x\dx-ay\dy}{x^2+y^2-1} 在区域 D={(x,y)∣x2+y2<1}D=\{(x,y)\mid x^2+y^2<1\} 内与路径无关,则 a=a= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 写出 P,QP,Q 并求偏导。P=xx2+y2−1P=\dfrac x{x^2+y^2-1},Q=−ayx2+y2−1Q=\dfrac{-ay}{x^2+y^2-1}。∂P∂y=−2xy(x2+y2−1)2\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{-2xy}{(x^2+y^2-1)^2},∂Q∂x=2axy(x2+y2−1)2\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{2axy}{(x^2+y^2-1)^2}。

单位圆内部分母不为 0,而且区域单连通,路径无关 ⟺ Qx=PyQ_x=P_y。

② 比较。2axy=−2xy2axy=-2xy 对 DD 内所有点成立,所以 a=−1a=-1。

两个分式分母相同,比较分子;xyxy 不恒为 0,系数必须相等。

答案:−1-1

例 4.152016 数一(17)李林 第十四章 §1 例 7 · p355—356
设函数 f(x,y)f(x,y) 满足 ∂f(x,y)∂x=(2x+1)e2x−y\dfrac{\partial f(x,y)}{\partial x}=(2x+1)\e^{2x-y},且 f(0,y)=y+1f(0,y)=y+1,LtL_t 是从点 (0,0)(0,0) 到点 (1,t)(1,t) 的光滑曲线。计算曲线积分 I(t)=∫Lt∂f(x,y)∂x dx+∂f(x,y)∂y dyI(t)=\displaystyle\int_{L_t}\frac{\partial f(x,y)}{\partial x}\dx+\frac{\partial f(x,y)}{\partial y}\dy,并求 I(t)I(t) 的最小值。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 被积式是全微分。∂f∂x dx+∂f∂y dy=df\dfrac{\partial f}{\partial x}\dx+\dfrac{\partial f}{\partial y}\dy=\dd f,所以 I(t)=f(1,t)−f(0,0)I(t)=f(1,t)-f(0,0),与路径无关。

这是曲线积分版的牛顿—莱布尼茨公式:全微分的积分 = 终点值 − 起点值。

② 还原 ff。对 xx 积分:f=e−y∫(2x+1)e2x dx+φ(y)=xe2x−y+φ(y)f=\e^{-y}\displaystyle\int(2x+1)\e^{2x}\dx+\varphi(y)=x\e^{2x-y}+\varphi(y)。由 f(0,y)=φ(y)=y+1f(0,y)=\varphi(y)=y+1,得 f(x,y)=xe2x−y+y+1f(x,y)=x\e^{2x-y}+y+1。

∫(2x+1)e2x dx=xe2x+C\int(2x+1)\e^{2x}\dx=x\e^{2x}+C(求导验证:e2x+2xe2x\e^{2x}+2x\e^{2x});对 xx 积分时“常数”可以依赖 yy,写成 φ(y)\varphi(y)。

③ 写出 I(t)I(t)。I(t)=f(1,t)−f(0,0)=(e2−t+t+1)−1=t+e2−tI(t)=f(1,t)-f(0,0)=(\e^{2-t}+t+1)-1=t+\e^{2-t}。

起点是原点,代入还原出的 ff:f(0,0)=0+0+1=1f(0,0)=0+0+1=1。

④ 求最小值。I′(t)=1−e2−t=0I'(t)=1-\e^{2-t}=0 得 t=2t=2;t<2t<2 时 I′<0I'<0,t>2t>2 时 I′>0I'>0,所以 t=2t=2 是全局最小点,I(2)=2+1=3I(2)=2+1=3。

tt 取遍全体实数,没有端点,只有一个驻点且左减右增,它就是最小值点。

答案:I(t)=t+e2−tI(t)=t+\e^{2-t},最小值 I(2)=3I(2)=3

例 4.16李林 第十四章 §1 例 3 · p353—354
设 f(u)f(u) 有连续导数,且 ∫04f(u)du=A≠0\displaystyle\int_0^4f(u)\dd u=A\ne0,LL 为上半圆周 y=2x−x2y=\sqrt{2x-x^2},起点为 (0,0)(0,0),终点为 B(2,0)B(2,0)。(1)计算 I=∫Lf(x2+y2)(x dx+y dy)I=\displaystyle\int_Lf(x^2+y^2)(x\dx+y\dy);(2)若将“f(u)f(u) 有连续导数”改为“f(u)f(u) 连续”,问(1)的计算结果是否正确?
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (1) 验证路径无关。P=xf(x2+y2)P=xf(x^2+y^2),Q=yf(x2+y2)Q=yf(x^2+y^2),∂Q∂x=2xyf′(x2+y2)=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x}=2xyf'(x^2+y^2)=\dfrac{\partial P}{\partial y}。

复合函数求导:f(x2+y2)f(x^2+y^2) 对 xx 求导得 f′⋅2xf'\cdot2x;两个偏导相等,全平面都成立。

② (1) 换成 xx 轴上的线段。取 OBOB:y=0y=0,xx 从 0 到 2:I=∫02f(x2) x dx=u=x2∫0412f(u)du=A2I=\displaystyle\int_0^2f(x^2)\,x\dx\xlongequal{u=x^2}\int_0^4\frac12f(u)\dd u=\frac A2。

路径无关就走最简单的直线;x dx=12d(x2)x\dx=\frac12\dd(x^2),换元后正好是题目给的积分。

③ (2) 只知道 ff 连续时。不能再用 Qx=PyQ_x=P_y(f′f' 不一定存在)。但令 F(u)=∫0uf(t) dtF(u)=\displaystyle\int_0^uf(t)\dt,则 f(x2+y2)(x dx+y dy)=d[12F(x2+y2)]f(x^2+y^2)(x\dx+y\dy)=\dd\Big[\dfrac12F(x^2+y^2)\Big],被积式仍是全微分,积分仍与路径无关,结果 A2\frac A2 正确。

ff 连续就有原函数 FF;d[12F(x2+y2)]=12f(x2+y2)⋅(2x dx+2y dy)\dd\big[\frac12F(x^2+y^2)\big]=\frac12f(x^2+y^2)\cdot(2x\dx+2y\dy),正是被积式。所以判断路径无关不一定要求导,找到原函数也行。

答案:(1) A2\frac A2;(2) 仍正确

xyOA(1, 0)B(2, 3)C(2, 0)原路径 L
路径无关时把 LL 换成折线 A→C→BA\to C\to B。
例 4.17李林 第十四章 §1 例 5 · p354—355
设 x>0x>0 时,y=f(x)y=f(x) 可微,且 f(1)=2f(1)=2,对 x>0x>0 内的任何光滑闭曲线 CC,都有 ∮C4x3y dx+xf(x) dy=0\displaystyle\oint_C4x^3y\dx+xf(x)\dy=0,求:(1)f(x)f(x);(2)I=∫L4x3y dx+xf(x) dyI=\displaystyle\int_L4x^3y\dx+xf(x)\dy,其中 LL 是从 A(1,0)A(1,0) 到 B(2,3)B(2,3) 的一段弧。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 条件翻译成微分方程。右半平面单连通,闭路积分为 0 ⟺ ∂Q∂x=∂P∂y\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{\partial P}{\partial y}:f(x)+xf′(x)=4x3f(x)+xf'(x)=4x^3,即 f′(x)+1xf(x)=4x2f'(x)+\dfrac1xf(x)=4x^2。

Q=xf(x)Q=xf(x) 对 xx 求导用乘积法则;P=4x3yP=4x^3y 对 yy 求导得 4x34x^3。

② (1) 解一阶线性方程。(xf)′=4x3(xf)'=4x^3,积分得 xf=x4+Cxf=x^4+C,f=x3+Cxf=x^3+\dfrac Cx。由 f(1)=2f(1)=2 得 C=1C=1,f(x)=x3+1xf(x)=x^3+\dfrac1x。

左边 f+xf′f+xf' 正好是 (xf)′(xf)',不用套通解公式,直接积分。

③ (2) 换成折线。A(1,0)→C(2,0)→B(2,3)A(1,0)\to C(2,0)\to B(2,3):ACAC 上 y=0y=0、dy=0\dd y=0,积分为 0;CBCB 上 x=2x=2,∫032f(2) dy=2(8+12)⋅3=51\displaystyle\int_0^32f(2)\dy=2\Big(8+\frac12\Big)\cdot3=51。

积分与路径无关,折线都在 x>0x>0 内;ACAC 上 P=4x3⋅0=0P=4x^3\cdot0=0。

④ 用原函数核对。4x3y dx+(x4+1) dy=d(x4y+y)4x^3y\dx+(x^4+1)\dy=\dd(x^4y+y),I=(x4y+y)∣(1,0)(2,3)=48+3=51I=(x^4y+y)\Big|_{(1,0)}^{(2,3)}=48+3=51。

把 (1) 求出的 ff 代回被积式,凑出一个全微分:xf(x)=x4+1xf(x)=x^4+1;d(x4y)=4x3y dx+x4 dy\dd(x^4y)=4x^3y\dx+x^4\dy,再加 dy\dd y。

答案:(1) f(x)=x3+1xf(x)=x^3+\frac1x;(2) 5151

练习 3李林 第十四章 §1 例 6 · p355
设 f(x)f(x) 有二阶连续导数,且 f(1)=f′(1)=1f(1)=f'(1)=1,曲线积分 I=∮L[y2x+xf(yx)] dx+[y−xf′(yx)] dy=0I=\displaystyle\oint_L\Big[\frac{y^2}x+xf\Big(\frac yx\Big)\Big]\dx+\Big[y-xf'\Big(\frac yx\Big)\Big]\dy=0,其中 LL 是任一不与 yy 轴相交的简单光滑闭曲线,求 f(x)f(x)。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 写出 Qx=PyQ_x=P_y。∂Q∂x=−f′(yx)−xf′′(yx)⋅(−yx2)=−f′+yxf′′\dfrac{\partial Q}{\partial x}=-f'\Big(\dfrac yx\Big)-xf''\Big(\dfrac yx\Big)\cdot\Big(-\dfrac y{x^2}\Big)=-f'+\dfrac yxf'';∂P∂y=2yx+xf′(yx)⋅1x=2yx+f′\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{2y}x+xf'\Big(\dfrac yx\Big)\cdot\dfrac1x=\dfrac{2y}x+f'。

不与 yy 轴相交的闭曲线都在左半平面或右半平面里,两个都是单连通区域,闭路积分为 0 ⟺ Qx=PyQ_x=P_y。

② 令 t=yxt=\frac yx 化成常微分方程。Qx=PyQ_x=P_y 即 tf′′(t)−2f′(t)=2ttf''(t)-2f'(t)=2t。

两边的 yx\frac yx 都换成 tt,方程里只剩 tt 和 ff 的导数。

③ 降阶。令 p=f′(t)p=f'(t):tp′−2p=2ttp'-2p=2t,即 p′−2tp=2p'-\dfrac2tp=2。通解 p=t2(∫2t2 dt+C1)=−2t+C1t2p=t^2\Big(\displaystyle\int\frac2{t^2}\dt+C_1\Big)=-2t+C_1t^2。

方程不含 ff 本身,是可降阶的二阶方程;一阶线性方程的积分因子是 1t2\frac1{t^2}。

④ 定常数。f′(1)=−2+C1=1f'(1)=-2+C_1=1 得 C1=3C_1=3,f′(t)=3t2−2tf'(t)=3t^2-2t,f(t)=t3−t2+C2f(t)=t^3-t^2+C_2;f(1)=1f(1)=1 得 C2=1C_2=1。所以 f(x)=x3−x2+1f(x)=x^3-x^2+1。

两个初始条件分别定两个常数;最后把自变量写回 xx。

答案:f(x)=x3−x2+1f(x)=x^3-x^2+1

练习 4李林 第十四章 §1 例 10 · p357
设 P(x,y)=axy2(x2+y2)2P(x,y)=\dfrac{axy^2}{(x^2+y^2)^2},Q(x,y)=−4yxb(x2+y2)2Q(x,y)=\dfrac{-4yx^b}{(x^2+y^2)^2},求 a,ba,b 的值,使得积分 ∫LP dx+Q dy\displaystyle\int_LP\dx+Q\dy 在区域 D={(x,y)∣x2+y2≠0}D=\{(x,y)\mid x^2+y^2\ne0\} 上与路径无关,并计算 I=∫LP dx+Q dyI=\displaystyle\int_LP\dx+Q\dy,LL 为从点 A(1,0)A(1,0) 到点 B(0,1)B(0,1) 的直线段。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 求偏导。∂Q∂x=−4xb−1y[b(x2+y2)−4x2](x2+y2)3\dfrac{\partial Q}{\partial x}=\dfrac{-4x^{b-1}y\big[b(x^2+y^2)-4x^2\big]}{(x^2+y^2)^3},∂P∂y=2axy(x2−y2)(x2+y2)3\dfrac{\partial P}{\partial y}=\dfrac{2axy(x^2-y^2)}{(x^2+y^2)^3}。

商的求导;(x2+y2)−2(x^2+y^2)^{-2} 对 xx 求导得 −4x(x2+y2)−3-4x(x^2+y^2)^{-3}。

② 比较分子定 a,ba,b。要 −4xb−1y[(b−4)x2+by2]=2axy(x2−y2)-4x^{b-1}y\big[(b-4)x^2+by^2\big]=2axy(x^2-y^2) 恒成立:比较 xx 的次数得 b−1=1b-1=1,b=2b=2;此时左边 =−4xy(−2x2+2y2)=8xy(x2−y2)=-4xy(-2x^2+2y^2)=8xy(x^2-y^2),所以 2a=82a=8,a=4a=4。

两边都是多项式,对所有 (x,y)(x,y) 成立只能各项对应相等;先由次数定 bb,再由系数定 aa。

③ 这里的“路径无关”为什么成立。DD 有洞(原点),光有 Qx=PyQ_x=P_y 还不够;但 a=4,b=2a=4,b=2 时 P dx+Q dy=d(−2y2x2+y2)P\dx+Q\dy=\dd\Big(\dfrac{-2y^2}{x^2+y^2}\Big),在整个 DD 上有原函数,所以确实与路径无关。

找到单值的原函数,就不怕区域有洞;这一点和 4.4 节的 x dy−y dxx2+y2\frac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2} 不同,后者没有单值原函数。

④ 计算 II。I=−2y2x2+y2∣(1,0)(0,1)=−2−0=−2I=\dfrac{-2y^2}{x^2+y^2}\Big|_{(1,0)}^{(0,1)}=-2-0=-2。

有了原函数,积分就等于原函数在终点的值减去起点的值;终点值减起点值。

答案:a=4a=4,b=2b=2;I=−2I=-2

4.6第二型曲线积分的对称性:要看方向

大白话:第二型曲线积分也能用对称性,但比第一型多一道手续:要看对称的两段曲线方向是否“相同”。关于 xx 轴对称的两段,如果走向一个向左一个向右(方向相反,比如逆时针一圈的上下两半),那么 ∫P dx\int P\dx 里 PP 对 yy 是偶函数时反而为 0。所以对第二型用对称性,要把 P dxP\dx 和 Q dyQ\dy 分开,各自判断,拿不准就别用。

xyOABCD
正方形逆时针:上下两半关于 xx 轴对称,但方向相反。
第二型曲线积分的奇偶性(李林 p368—369)

设 LL 关于 xx 轴对称,L1,L2L_1,L_2 为上、下两半:

  • L1L_1 与 L2L_2 方向相反(例如整条闭曲线逆时针):PP 关于 yy 是偶函数 ⟹ ∫LP dx=0\int_LP\dx=0;PP 关于 yy 是奇函数 ⟹ ∫LP dx=2∫L1P dx\int_LP\dx=2\int_{L_1}P\dx。
  • L1L_1 与 L2L_2 方向相同:结论与第一型相同(奇零偶倍)。
  • 关于 yy 轴对称时,对 ∫LQ dy\int_LQ\dy 看 QQ 关于 xx 的奇偶,规则相同。
练习 5李林 第十四章 §3 例如 · p369—370
计算 I=∮ABCDA dx+ dy∣x∣+∣y∣I=\displaystyle\oint_{ABCDA}\frac{\dx+\dy}{|x|+|y|},其中 ABCDAABCDA 是以 A(1,0)A(1,0),B(0,1)B(0,1),C(−1,0)C(-1,0),D(0,−1)D(0,-1) 为顶点的正方形正向边界曲线。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 分开两项。I=∮ dx∣x∣+∣y∣+∮ dy∣x∣+∣y∣=记I1+I2I=\displaystyle\oint\frac{\dx}{|x|+|y|}+\oint\frac{\dy}{|x|+|y|}\xlongequal{\text{记}}I_1+I_2。

对第二型用对称性, dx\dx 和  dy\dy 两项要分开各自判断。

② I1I_1:关于 xx 轴对称、方向相反。正方形关于 xx 轴对称,上半 A→B→CA\to B\to C 从右往左、下半 C→D→AC\to D\to A 从左往右,方向相反;P=1∣x∣+∣y∣P=\dfrac1{|x|+|y|} 关于 yy 是偶函数,所以 I1=0I_1=0。

对称点 (x,y)(x,y) 与 (x,−y)(x,-y) 上 PP 相同,但上面那一小段 dx<0\dd x<0、下面那一小段 dx>0\dd x>0,一正一负抵消。

③ I2I_2:关于 yy 轴对称、方向相反。右半 D→A→BD\to A\to B 向上走、左半 B→C→DB\to C\to D 向下走,方向相反;Q=1∣x∣+∣y∣Q=\dfrac1{|x|+|y|} 关于 xx 是偶函数,所以 I2=0I_2=0,I=0I=0。

同样的道理,这次看 dy\dd y 的符号:右边向上 dy>0\dd y>0,左边向下 dy<0\dd y<0。

④ 直接算核对。在正方形上 ∣x∣+∣y∣=1|x|+|y|=1,I=∮ dx+ dy=∮d(x+y)=0I=\oint\dx+\dy=\oint\dd(x+y)=0。

被积式的分母在曲线上恒为 1,剩下 d(x+y)\dd(x+y) 是全微分,闭路积分为 0。

答案:0

4.7小结

看到什么怎么做例子
折线、直线段、圆弧参数化;下限是起点,上限是终点例 4.1、例 4.2
闭曲线,Qx−PyQ_x-P_y 简单格林公式;比较大小时区域取被积函数 ≥0\ge0 的部分例 4.3
不封闭,被积式有积不出的函数补线(平行坐标轴或过原点),格林,再减补线例 4.5、例 4.6、例 4.7、例 4.4
被积式一部分是全微分拆开:全微分只看端点,其余补线或直接算例 4.8、例 4.11
分母为 0 的点在曲线里面验证 Qx=PyQ_x=P_y,挖与分母同形的小曲线例 4.9、例 4.10、例 4.11
路径难走、绕过奇点换路径,但不能跨过奇点例 4.12
已知路径无关,求参数或函数Qx=PyQ_x=P_y 比较系数或解微分方程;区域要单连通例 4.13、例 4.14、例 4.17、练习 3、练习 4
被积式是 ∂f/∂x dx+∂f/∂y dy\partial f/\partial x\dx+\partial f/\partial y\dy终点值减起点值,先还原 ff例 4.15、例 4.16
闭曲线关于坐标轴对称 dx\dx、 dy\dy 分开,看方向同反再用奇偶练习 5
第 5 部分

第二型曲面积分与高斯公式

第二型曲面积分是“流体穿过曲面的流量”,要先选定曲面的侧。这一部分讲分面投影、合一投影、高斯公式(直接用、补面、挖奇点)和对称性。Maki 收的 9 道真题全在这里,6 道用高斯公式。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十四章第 1、2、3、5 条)
  1. 理解第二型曲面积分的概念。
  2. 理解两类曲面积分的关系。
  3. 掌握第二型曲面积分的计算方法。
  4. 掌握高斯公式。

对应李林讲义第十四章第二节“第二型曲面积分”(p359—368)和第三节里曲面积分的奇偶性(p370—371)。Maki 第三十六讲第 2 节的 9 道真题全在这里,其中 6 道用高斯公式。

5.1有向曲面与概念:流体穿过曲面的流量

大白话:水以速度 v=(P,Q,R)\boldsymbol v=(P,Q,R) 流动,一张网(曲面)放在水里,每秒有多少水穿过这张网?穿过的量要分“从哪边穿到哪边”,所以曲面先要选定一侧:用法向量 n\bn 指向的那边当“正面”。一小块曲面  dS\dS 上穿过的水量是 v⋅n dS\boldsymbol v\cdot\bn\dS,加起来就是第二型曲面积分(对坐标的曲面积分)。换了一侧,积分变号。dydz, dzdx, dxdy\dd y\dd z,\ \dd z\dd x,\ \dd x\dd y 分别是小块曲面在三个坐标面上带正负号的投影。

xyzO上侧:cos γ>0下侧:cos γ<0
选定法向量指向哪一边,就选定了“侧”。上侧 cos⁡γ>0\cos\gamma>0,下侧 cos⁡γ<0\cos\gamma<0。
第二型曲面积分(李林 p359—360) ∬SPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬S(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ) dS,\displaystyle \iint_SP\dd y\dd z+Q\dd z\dd x+R\dd x\dd y=\iint_S(P\cos\alpha+Q\cos\beta+R\cos\gamma)\dS ,

(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma) 是 SS 上与所选侧一致的单位法向量。

  • 侧:上侧/下侧(看 cos⁡γ\cos\gamma 的正负)、前侧/后侧(看 cos⁡α\cos\alpha)、右侧/左侧(看 cos⁡β\cos\beta);封闭曲面分外侧、内侧。
  • 方向性:∬S−=−∬S\iint_{S^-}=-\iint_S(S−S^- 是另一侧)。
  • 转换公式:dydzcos⁡α=dzdxcos⁡β=dxdycos⁡γ= dS\dfrac{\dd y\dd z}{\cos\alpha}=\dfrac{\dd z\dd x}{\cos\beta}=\dfrac{\dd x\dd y}{\cos\gamma}=\dS。

5.2方法① 分面投影:一投、二代、三定号

大白话:∬R dx dy\iint R\dx\dy 投到 xOyxOy 面,∬P dy dz\iint P\dy\dz 投到 yOzyOz 面,∬Q dz dx\iint Q\dz\dx 投到 zOxzOx 面,三项各投各的。投影后变成二重积分,被积函数里的第三个变量用曲面方程换掉,最后按侧定正负号:上侧、前侧、右侧取“+”,另一侧取“−”。一张曲面在某个方向上“有两层”(比如整个球面对 xOyxOy 面有上下两半),就分成两片分别投。

投影公式(李林 p360—361)
  • S:z=z(x,y)S:z=z(x,y),投影 DxyD_{xy}:∬SR dx dy=±∬DxyR(x,y,z(x,y)) dx dy\displaystyle\iint_SR\dx\dy=\pm\iint_{D_{xy}}R\big(x,y,z(x,y)\big)\dx\dy,上侧取“+”,下侧取“−”。
  • S:x=x(y,z)S:x=x(y,z):∬SP dy dz=±∬DyzP(x(y,z),y,z) dy dz\displaystyle\iint_SP\dy\dz=\pm\iint_{D_{yz}}P\big(x(y,z),y,z\big)\dy\dz,前侧“+”,后侧“−”。
  • S:y=y(z,x)S:y=y(z,x):∬SQ dz dx=±∬DzxQ(x,y(z,x),z) dz dx\displaystyle\iint_SQ\dz\dx=\pm\iint_{D_{zx}}Q\big(x,y(z,x),z\big)\dz\dx,右侧“+”,左侧“−”。
  • 竖直的柱面投到 xOyxOy 面是一条线:∬R dx dy=0\iint R\dx\dy=0。

例如(李林 p361):SS 为球面 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 中 x≥0,y≥0x\ge0,y\ge0 的部分,取外侧,求 ∬Sxyz dx dy\iint_Sxyz\dx\dy。上半 S2:z=1−x2−y2S_2:z=\sqrt{1-x^2-y^2}(外侧即上侧,“+”),下半 S1:z=−1−x2−y2S_1:z=-\sqrt{1-x^2-y^2}(外侧即下侧,“−”):

∬Sxyz dx dy=∬Dxy1−x2−y2 dx dy−∬Dxy(−1−x2−y2) dx dy=2∫0π/2 dθ∫01r3sin⁡θcos⁡θ1−r2 dr=215.\displaystyle \iint_Sxyz\dx\dy=\iint_{D}xy\sqrt{1-x^2-y^2}\dx\dy-\iint_Dxy\big(-\sqrt{1-x^2-y^2}\big)\dx\dy=2\int_0^{\pi/2}\dth\int_0^1r^3\sin\theta\cos\theta\sqrt{1-r^2}\dr=\frac2{15}.

两半的正负号和被积函数里的 ±\pm 号叠在一起,结果是 2 倍而不是 0。

方法卡 · 分面投影
什么时候用
曲面对某个坐标面是单值的(能解出 z=z(x,y)z=z(x,y)),被积式只有一两项,或者被积函数能用曲面方程化简。
步骤
  1. 投:R dx dyR\dx\dy 投 xOyxOy 面,P dy dzP\dy\dz 投 yOzyOz 面,Q dz dxQ\dz\dx 投 zOxzOx 面;曲面有两层就分片。
  2. 代:被积函数里的第三个变量用曲面方程代掉;能化简的先化简。
  3. 定号:看这一片取的是哪一侧,上/前/右取正,下/后/左取负。
最容易错
忘了定号(第二型积分的投影要带正负号,第一型才永远取正);把整个球面一次投下去(上下两半必须分开);竖直柱面去投 xOyxOy 面(结果是 0,但别把 0 当成 P dy dzP\dy\dz 那项的值)。
xyzOΣ:上半椭球面,上侧Dxy:x²+y²≤4
上半椭球面投到 xOyxOy 面是圆盘 x2+y2≤4x^2+y^2\le4。
例 5.12019 数一(12)
设 Σ\Sigma 为曲面 x2+y2+4z2=4 (z≥0)x^2+y^2+4z^2=4\ (z\ge0) 的上侧,则 ∬Σ4−x2−4z2 dx dy=\displaystyle\iint_\Sigma\sqrt{4-x^2-4z^2}\dx\dy= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 代入。在 Σ\Sigma 上 x2+y2+4z2=4x^2+y^2+4z^2=4,所以 4−x2−4z2=y24-x^2-4z^2=y^2,4−x2−4z2=∣y∣\sqrt{4-x^2-4z^2}=|y|。

被积函数只在曲面上取值,曲面方程可以代进去;代完之后没有 zz 了,投影时不用再换 zz。

② 投影定号。只有  dx dy\dx\dy 一项,投到 xOyxOy 面:Σ\Sigma 的投影是 D:x2+y2≤4D:x^2+y^2\le4(z=0z=0 时的边界),上侧取“+”。所以原式 =∬D∣y∣ dx dy=\displaystyle\iint_D|y|\dx\dy。

上半椭球面对 xOyxOy 面是单值的(一层),不用分片;上侧的法向量 zz 分量为正。

③ 算二重积分。∣y∣|y| 关于 x,yx,y 都是偶函数,DD 关于两轴对称:4∫0π/2 dθ∫02rsin⁡θ⋅r dr=4⋅1⋅83=3234\displaystyle\int_0^{\pi/2}\dth\int_0^2r\sin\theta\cdot r\dr=4\cdot1\cdot\frac83=\frac{32}3。

对称性把绝对值去掉,只算第一象限再乘 4;极坐标下 ∣y∣=rsin⁡θ|y|=r\sin\theta,再乘面积元素的 rr。

答案:323\frac{32}3

5.3方法② 合一投影:三项一起投到 xOyxOy 面

大白话:分面投影要投三次,曲面对 yOzyOz、zOxzOx 面又常常不是单值的,很麻烦。转换公式把 dydz\dd y\dd z、dzdx\dd z\dd x 都换成 dxdy\dd x\dd y:它们的比就是法向量的分量之比。对 z=z(x,y)z=z(x,y) 上侧,法向量是 (−zx,−zy,1)(-z_x,-z_y,1),于是 dydz=−zx dx dy\dd y\dd z=-z_x\dx\dy,dzdx=−zy dx dy\dd z\dd x=-z_y\dx\dy,三项合成一项,只投一次。

合一投影(转换公式,李林 p361—362)

S:z=z(x,y)S:z=z(x,y),投影 DxyD_{xy}:

∬SP dy dz+Q dz dx+R dx dy=±∬Dxy[P⋅(−zx)+Q⋅(−zy)+R] dx dy,\displaystyle \iint_SP\dy\dz+Q\dz\dx+R\dx\dy=\pm\iint_{D_{xy}}\big[P\cdot(-z_x)+Q\cdot(-z_y)+R\big]\dx\dy ,

上侧取“+”,下侧取“−”;P,Q,RP,Q,R 里的 zz 换成 z(x,y)z(x,y)。一般地,dydz=cos⁡αcos⁡γ dx dy\dd y\dd z=\dfrac{\cos\alpha}{\cos\gamma}\dx\dy,dzdx=cos⁡βcos⁡γ dx dy\dd z\dd x=\dfrac{\cos\beta}{\cos\gamma}\dx\dy。

例如(李林 p361—362):SS 为 z=12(x2+y2)z=\frac12(x^2+y^2) 介于 z=0z=0 与 z=2z=2 之间部分的下侧,求 ∬S(z2+x) dy dz−z dx dy\iint_S(z^2+x)\dy\dz-z\dx\dy。下侧法向量 (x,y,−1)(x,y,-1),dydz=x−1 dx dy=−x dx dy\dd y\dd z=\dfrac x{-1}\dx\dy=-x\dx\dy,所以原式 =∬S[−(z2+x)x−z] dx dy=\iint_S\big[-(z^2+x)x-z\big]\dx\dy。下侧取“−”,zz 换成 12(x2+y2)\frac12(x^2+y^2),14(x2+y2)2x\frac14(x^2+y^2)^2x 是奇函数积分为 0:

=∬x2+y2≤4[x2+12(x2+y2)] dx dy=∫02π dθ∫02(r2cos⁡2θ+r22)r dr=4π+4π=8π.\displaystyle =\iint_{x^2+y^2\le4}\Big[x^2+\frac12(x^2+y^2)\Big]\dx\dy=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^2\Big(r^2\cos^2\theta+\frac{r^2}2\Big)r\dr=4\pi+4\pi=8\pi .
方法卡 · 合一投影
什么时候用
曲面是 z=z(x,y)z=z(x,y)(单值),被积式有 dydz\dd y\dd z 或 dzdx\dd z\dd x 项,分开投影很麻烦;选择题问“等于哪个  dx dy\dx\dy 形式”。
步骤
  1. 写出所选侧的法向量:上侧 (−zx,−zy,1)(-z_x,-z_y,1),下侧 (zx,zy,−1)(z_x,z_y,-1)。
  2. 把 dydz,dzdx\dd y\dd z,\dd z\dd x 换成“法向量分量之比 ×  dx dy\dx\dy”。
  3. 合成一项,按上侧“+”、下侧“−”投到 DxyD_{xy},zz 用曲面方程代掉。
最容易错
法向量的方向与所选侧不一致;换成  dx dy\dx\dy 以后又按侧加了一次负号(下侧时符号只能处理一次);zz 忘了代。
xyzO上侧:n=(x, y, z)Σ:z=√(1−x²−y²),x,y≥0
第一卦限的四分之一个上半球面,上侧法向量是 (x,y,z)(x,y,z)。
例 5.22024 数一(2)
设 P=P(x,y,z)P=P(x,y,z),Q=Q(x,y,z)Q=Q(x,y,z) 均为连续函数,Σ\Sigma 为曲面 z=1−x2−y2 (x≥0,y≥0)z=\sqrt{1-x^2-y^2}\ (x\ge0,y\ge0) 的上侧,则 ∬ΣP dy dz+Q dz dx=\displaystyle\iint_\Sigma P\dy\dz+Q\dz\dx=( )
(A)∬Σ(xzP+yzQ) dx dy\displaystyle\iint_\Sigma\Big(\frac xzP+\frac yzQ\Big)\dx\dy
(B)∬Σ(−xzP+yzQ) dx dy\displaystyle\iint_\Sigma\Big(-\frac xzP+\frac yzQ\Big)\dx\dy
(C)∬Σ(xzP−yzQ) dx dy\displaystyle\iint_\Sigma\Big(\frac xzP-\frac yzQ\Big)\dx\dy
(D)∬Σ(−xzP−yzQ) dx dy\displaystyle\iint_\Sigma\Big(-\frac xzP-\frac yzQ\Big)\dx\dy
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 上侧的法向量。z=1−x2−y2z=\sqrt{1-x^2-y^2},zx=−xzz_x=-\dfrac xz,zy=−yzz_y=-\dfrac yz。上侧法向量 (−zx,−zy,1)=(xz,yz,1)(-z_x,-z_y,1)=\Big(\dfrac xz,\dfrac yz,1\Big)。

也可以直接看:单位球面外侧的法向量是 (x,y,z)(x,y,z),上半球面的外侧就是上侧,除以 zz 得到同一个方向。

② 转换。dydz=cos⁡αcos⁡γ dx dy=xz dx dy\dd y\dd z=\dfrac{\cos\alpha}{\cos\gamma}\dx\dy=\dfrac xz\dx\dy,dzdx=cos⁡βcos⁡γ dx dy=yz dx dy\dd z\dd x=\dfrac{\cos\beta}{\cos\gamma}\dx\dy=\dfrac yz\dx\dy。

两个投影之比等于法向量对应分量之比;xz,yz\frac xz,\frac yz 都是正的,因为这一片在第一卦限、法向量指向外上方。

③ 选出答案。∬ΣP dy dz+Q dz dx=∬Σ(xzP+yzQ) dx dy\displaystyle\iint_\Sigma P\dy\dz+Q\dz\dx=\iint_\Sigma\Big(\frac xzP+\frac yzQ\Big)\dx\dy。所以选(A)。

选项里仍写成 ∬Σ⋯ dx dy\iint_\Sigma\cdots\dx\dy(还没投影),侧也还是上侧,所以只换元、不加负号;两个系数都为正,只有(A)。

答案:A

例 5.3李林 第十四章 §2 例 2 · p363—364
求 I=∬Sy dz dx+2 dx dyI=\displaystyle\iint_Sy\dz\dx+2\dx\dy,其中 S:z=8−(x2+y2)S:z=8-(x^2+y^2) 在 xOyxOy 面上方的部分,取上侧。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 解法一:转换公式。上侧法向量 (−zx,−zy,1)=(2x,2y,1)(-z_x,-z_y,1)=(2x,2y,1),dzdx=2y1 dx dy\dd z\dd x=\dfrac{2y}1\dx\dy,所以 I=∬S(2y2+2) dx dyI=\displaystyle\iint_S(2y^2+2)\dx\dy。

z=8−x2−y2z=8-x^2-y^2,zy=−2yz_y=-2y,上侧法向量的 yy 分量是 −zy=2y-z_y=2y;y dz dxy\dz\dx 变成 y⋅2y dx dyy\cdot2y\dx\dy。

② 投影计算。投影 D:x2+y2≤8D:x^2+y^2\le8,上侧取“+”:I=2∫02π dθ∫08(r2sin⁡2θ+1)r dr=2(π⋅16+8π)=48πI=2\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt8}(r^2\sin^2\theta+1)r\dr=2\big(\pi\cdot16+8\pi\big)=48\pi。

这是圆盘上的二重积分,用极坐标逐项积分:∫02πsin⁡2θ dθ=π\int_0^{2\pi}\sin^2\theta\dth=\pi,∫08r3 dr=16\int_0^{\sqrt8}r^3\dr=16;∬D1=8π\iint_D1=8\pi。

③ 解法二:补面用高斯。补 S1:z=0, x2+y2≤8S_1:z=0,\ x^2+y^2\le8,取下侧,S+S1S+S_1 是外侧。div⁡(0,y,2)=1\Div(0,y,2)=1,∯S+S1=∭Ω1 dV=∫02π dθ∫08(8−r2)r dr=32π\displaystyle\oiint_{S+S_1}=\iiint_\Omega1\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt8}(8-r^2)r\dr=32\pi。

抛物面盖住底面圆盘,围成立体 Ω\Omega;散度是常数 1,积分就是体积。

④ 减去底面。S1S_1 上 dzdx=0\dd z\dd x=0(水平面),∬S12 dx dy=−2×8π=−16π\displaystyle\iint_{S_1}2\dx\dy=-2\times8\pi=-16\pi(下侧取负),所以 I=32π−(−16π)=48πI=32\pi-(-16\pi)=48\pi。

两种方法结果相同;补的面在水平面上时, dy dz\dy\dz、 dz dx\dz\dx 两项都为 0。

答案:48π48\pi

xyzO下侧:n ∝ (x, y, −z)
锥面在 1≤x2+y2≤41\le x^2+y^2\le4 之间的部分,取下侧。
例 5.42020 数一(18)
设 Σ\Sigma 为曲面 z=x2+y2 (1≤x2+y2≤4)z=\sqrt{x^2+y^2}\ (1\le x^2+y^2\le4) 的下侧,f(x)f(x) 是连续函数,计算 I=∬Σ[xf(xy)+2x−y] dy dz+[yf(xy)+2y+x] dz dx+[zf(xy)+z] dx dyI=\displaystyle\iint_\Sigma\big[xf(xy)+2x-y\big]\dy\dz+\big[yf(xy)+2y+x\big]\dz\dx+\big[zf(xy)+z\big]\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 下侧法向量。记 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2},zx=xrz_x=\dfrac xr,zy=yrz_y=\dfrac yr。下侧法向量 (zx,zy,−1)=(xr,yr,−1)(z_x,z_y,-1)=\Big(\dfrac xr,\dfrac yr,-1\Big)。

ff 只知道连续,不能求导,高斯公式里会出现 f′f',所以不用高斯;合一投影只要乘法向量分量,不用对 ff 求导。

② 合一投影。下侧取“−”:I=−∬D(−Pzx−Qzy+R) dx dy=∬D(Pzx+Qzy−R) dx dyI=-\displaystyle\iint_D\big(-Pz_x-Qz_y+R\big)\dx\dy=\iint_D\big(Pz_x+Qz_y-R\big)\dx\dy,D:1≤x2+y2≤4D:1\le x^2+y^2\le4,P,Q,RP,Q,R 里的 zz 换成 rr。

合一投影公式 ±∬D(−Pzx−Qzy+R) dx dy\pm\iint_D(-Pz_x-Qz_y+R)\dx\dy 对上侧取“+”、下侧取“−”;把负号乘进括号,括号里三项全部变号。

③ 化简被积函数。Pzx+Qzy=x2f+2x2−xy+y2f+2y2+xyr=rf+2rPz_x+Qz_y=\dfrac{x^2f+2x^2-xy+y^2f+2y^2+xy}r=rf+2r;R=zf+z=rf+rR=zf+z=rf+r(锥面上 z=rz=r)。差为 rr。

交叉项 −xy-xy、+xy+xy 抵消;含未知函数 ff 的项也正好抵消,所以题目不需要知道 ff。

④ 算二重积分。I=∬Dr dx dy=∫02π dθ∫12r⋅r dr=2π⋅73=14π3I=\displaystyle\iint_Dr\dx\dy=\int_0^{2\pi}\dth\int_1^2r\cdot r\dr=2\pi\cdot\frac73=\frac{14\pi}3。

被积函数 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2},极坐标下再乘一个 rr。

答案:14π3\frac{14\pi}3

5.4方法③ 高斯公式:封闭曲面换成三重积分

大白话:从一个封闭的袋子里往外流出的水,等于袋子里面每一点“往外冒水的强度”(散度)加起来。这就是高斯公式:封闭曲面外侧上的第二型曲面积分 = 所围立体上散度 Px+Qy+RzP_x+Q_y+R_z 的三重积分。散度常常比原被积函数简单得多(常数、一次式),再配合第 1 部分的三重积分技巧(对称性、形心、截面法),计算量一下子就小了。条件是:曲面封闭、取外侧,P,Q,RP,Q,R 在整个立体里有连续偏导数。

xyzOΩ外侧法向量
封闭曲面取外侧:流出的总量 = 里面散度之和。
高斯公式(李林 p362) ∯Σ外P dy dz+Q dz dx+R dx dy=∭Ω(∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z) dV.\displaystyle \oiint_{\Sigma\text{外}}P\dy\dz+Q\dz\dx+R\dx\dy=\iiint_\Omega\Big(\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z}\Big)\dV .
  • 内侧时右边加负号。Ω\Omega 可以是“有洞”的区域(两层边界),外层取外侧、内层取内侧(都指向 Ω\Omega 的外面)。
  • 三种用法:直接用(曲面封闭);补面(曲面不封闭,补上简单的平面再减掉);挖奇点(立体里有 P,Q,RP,Q,R 无定义的点,挖一个小球,形状跟着分母走)。
  • 散度 div⁡F=Px+Qy+Rz\Div\bF=P_x+Q_y+R_z。
方法卡 · 高斯公式直接用
什么时候用
曲面封闭(立体的整个表面);P,Q,RP,Q,R 简单,散度更简单;立体里没有奇点。
步骤
  1. 算散度 Px+Qy+RzP_x+Q_y+R_z。
  2. 查条件:外侧还是内侧?立体里有没有让分母为 0 的点?
  3. 算三重积分:先用对称性划掉奇函数项,常数项用体积,一次项用形心(∭x dV=xˉV\iiint x\dV=\bar xV)。
最容易错
内侧没加负号;散度算成 Px+Qx+RxP_x+Q_x+R_x;立体里有奇点还直接用。
xyzO1212x+y+2z=2
平面 2x+y+2z=22x+y+2z=2 与三个坐标面围成的四面体。
例 5.52016 数一(18)
设有界区域 Ω\Omega 由平面 2x+y+2z=22x+y+2z=2 与三个坐标平面围成,Σ\Sigma 为 Ω\Omega 整个表面的外侧,计算曲面积分 I=∬Σ(x2+1) dy dz−2y dz dx+3z dx dyI=\displaystyle\iint_\Sigma(x^2+1)\dy\dz-2y\dz\dx+3z\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 散度。∂∂x(x2+1)+∂∂y(−2y)+∂∂z(3z)=2x−2+3=2x+1\dfrac{\partial}{\partial x}(x^2+1)+\dfrac{\partial}{\partial y}(-2y)+\dfrac{\partial}{\partial z}(3z)=2x-2+3=2x+1。

Σ\Sigma 是四面体的整个表面、取外侧,被积函数都是多项式,高斯公式直接用。

② 化成三重积分。I=∭Ω(2x+1) dV=2∭Ωx dV+VI=\displaystyle\iiint_\Omega(2x+1)\dV=2\iiint_\Omega x\dV+V。四面体的三条棱长 1、2、1,V=16⋅1⋅2⋅1=13V=\dfrac16\cdot1\cdot2\cdot1=\dfrac13。

直角四面体的体积是三条直角棱乘积的 16\frac16;平面与三轴交于 (1,0,0)(1,0,0)、(0,2,0)(0,2,0)、(0,0,1)(0,0,1)。

③ ∭x dV\iiint x\dV。截面法:固定 xx,截面是 y+2z≤2−2xy+2z\le2-2x 的直角三角形,两直角边 2−2x2-2x 与 1−x1-x,面积 (1−x)2(1-x)^2。∭Ωx dV=∫01x(1−x)2 dx=112\displaystyle\iiint_\Omega x\dV=\int_0^1x(1-x)^2\dx=\frac1{12}。

也可以用形心:四面体的形心是四个顶点坐标的平均,xˉ=0+1+0+04=14\bar x=\frac{0+1+0+0}4=\frac14,∭x dV=14⋅13=112\iiint x\dV=\frac14\cdot\frac13=\frac1{12}。

④ 结果。I=2⋅112+13=12I=2\cdot\dfrac1{12}+\dfrac13=\dfrac12。

2∭x dV2\iiint x\dV 与体积 VV 两部分相加就是散度 2x+12x+1 的三重积分。

答案:12\frac12

xyzOx²+4y²=4z=2
椭圆柱体 x2+4y2≤4x^2+4y^2\le4,0≤z≤20\le z\le2。
例 5.62021 数一(14)
设 Σ\Sigma 为空间区域 {(x,y,z)∣x2+4y2≤4, 0≤z≤2}\{(x,y,z)\mid x^2+4y^2\le4,\ 0\le z\le2\} 表面的外侧,则曲面积分 ∯Σx2 dy dz+y2 dz dx+z dx dy=\displaystyle\oiint_\Sigma x^2\dy\dz+y^2\dz\dx+z\dx\dy= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 散度。div⁡=2x+2y+1\Div=2x+2y+1。

封闭曲面外侧,被积函数是多项式,直接用高斯公式。

② 对称性。椭圆柱体关于 yOzyOz 面、xOzxOz 面都对称,2x2x、2y2y 分别是 xx、yy 的奇函数,积分为 0。

x2+4y2≤4x^2+4y^2\le4 里 x,yx,y 都只以平方出现,把 xx 换成 −x-x 或 yy 换成 −y-y 区域都不变。

③ 体积。原式 =∭Ω1 dV=V=π⋅2⋅1⋅2=4π=\displaystyle\iiint_\Omega1\dV=V=\pi\cdot2\cdot1\cdot2=4\pi。

底面椭圆 x24+y2≤1\frac{x^2}4+y^2\le1 的面积 π⋅2⋅1=2π\pi\cdot2\cdot1=2\pi,高 2。

答案:4π4\pi

xyzO顶:x+z=1柱面 x²+y²=1
柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1、平面 z=0z=0 与 x+z=1x+z=1 围成的立体。
例 5.72023 数一(19)
设空间有界区域 Ω\Omega 由柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1 与平面 z=0z=0 和 x+z=1x+z=1 围成,Σ\Sigma 为 Ω\Omega 边界的外侧,计算曲面积分 I=∬Σ2xz dy dz+xzcos⁡y dz dx+3yzsin⁡x dx dyI=\displaystyle\iint_\Sigma2xz\dy\dz+xz\cos y\dz\dx+3yz\sin x\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 散度。∂∂x(2xz)=2z\dfrac{\partial}{\partial x}(2xz)=2z,∂∂y(xzcos⁡y)=−xzsin⁡y\dfrac{\partial}{\partial y}(xz\cos y)=-xz\sin y,∂∂z(3yzsin⁡x)=3ysin⁡x\dfrac{\partial}{\partial z}(3yz\sin x)=3y\sin x。div⁡=2z−xzsin⁡y+3ysin⁡x\Div=2z-xz\sin y+3y\sin x。

三项分别只对自己那个变量求导;cos⁡y\cos y、sin⁡x\sin x 是求导时要保留的因子。

② 对称性划掉两项。Ω\Omega 关于 xOzxOz 面对称(y→−yy\to-y 不改变 x2+y2=1x^2+y^2=1、z=0z=0、x+z=1x+z=1),−xzsin⁡y-xz\sin y 与 3ysin⁡x3y\sin x 都是 yy 的奇函数,积分为 0。所以 I=∭Ω2z dVI=\displaystyle\iiint_\Omega2z\dV。

关于 yy 对称,就看每一项是不是 yy 的奇函数;sin⁡y\sin y 是奇函数,乘上不含 yy 的 xzxz 仍是奇函数。

③ 先一后二。投影 D:x2+y2≤1D:x^2+y^2\le1,竖着穿针 zz 从 0 到 1−x1-x:∭Ω2z dV=∬D(1−x)2 dx dy=∬D(1−2x+x2) dx dy\displaystyle\iiint_\Omega2z\dV=\iint_D(1-x)^2\dx\dy=\iint_D(1-2x+x^2)\dx\dy。

∫01−x2z dz=(1−x)2\int_0^{1-x}2z\dz=(1-x)^2;顶面 x+z=1x+z=1 在单位圆盘上方始终 ≥0\ge0,所以立体在 z=0z=0 与 z=1−xz=1-x 之间。

④ 算二重积分。∬D1=π\iint_D1=\pi,∬D2x=0\iint_D2x=0(对称),∬Dx2=12∬D(x2+y2)=12⋅π2=π4\iint_Dx^2=\dfrac12\iint_D(x^2+y^2)=\dfrac12\cdot\dfrac\pi2=\dfrac\pi4。所以 I=π+π4=5π4I=\pi+\dfrac\pi4=\dfrac{5\pi}4。

单位圆盘上 ∬(x2+y2)=∫02π∫01r3 dr dθ=π2\iint(x^2+y^2)=\int_0^{2\pi}\int_0^1r^3\dr\dth=\frac\pi2,由轮换 x2x^2 占一半。

答案:5π4\frac{5\pi}4

例 5.8李林 第十四章 §2 例 7 · p366—367
设对于半空间 x>0x>0 内任意的光滑有向封闭曲面 SS,都有 ∯Sxf(x) dy dz−xyf(x) dz dx−e2xz dx dy=0\displaystyle\oiint_Sxf(x)\dy\dz-xyf(x)\dz\dx-\e^{2x}z\dx\dy=0,其中函数 f(x)f(x) 在 (0,+∞)(0,+\infty) 内具有连续的一阶导数,且 lim⁡x→0+f(x)=1\lim\limits_{x\to0^+}f(x)=1,求 f(x)f(x)。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 由高斯公式得出散度为 0。对 SS 所围区域 VV 用高斯公式:0=±∭V[xf′(x)+f(x)−xf(x)−e2x] dV0=\pm\displaystyle\iiint_V\big[xf'(x)+f(x)-xf(x)-\e^{2x}\big]\dV。SS 任意,所以被积函数处处为 0:xf′+f−xf−e2x=0xf'+f-xf-\e^{2x}=0。

如果被积函数在某点不为 0,由连续性它在这点附近同号,取一个包住这点的小球面,积分就不为 0,与条件矛盾。

② 一阶线性方程。f′+(1x−1)f=e2xxf'+\Big(\dfrac1x-1\Big)f=\dfrac{\e^{2x}}x。积分因子 e∫(1x−1) dx=xe−x\e^{\int(\frac1x-1)\dx}=x\e^{-x},(xe−xf)′=ex\big(x\e^{-x}f\big)'=\e^x,所以 xe−xf=ex+Cx\e^{-x}f=\e^x+C,f=exx(ex+C)f=\dfrac{\e^x}x(\e^x+C)。

两边乘积分因子后,左边正好是一个乘积的导数,直接积分。

③ 由极限定常数。lim⁡x→0+e2x+Cexx=1\lim\limits_{x\to0^+}\dfrac{\e^{2x}+C\e^x}x=1 存在,分子必须趋于 0:1+C=01+C=0,C=−1C=-1。此时 lim⁡e2x−exx=2−1=1\lim\dfrac{\e^{2x}-\e^x}x=2-1=1,符合。所以 f(x)=exx(ex−1)f(x)=\dfrac{\e^x}x(\e^x-1)。

ff 在 x=0x=0 没有定义,不能用 f(0)f(0) 定常数,只能用极限条件:分母趋于 0,分子也必须趋于 0。

答案:f(x)=exx(ex−1)f(x)=\frac{\e^x}x(\e^x-1)

5.5补面与挖奇点

大白话:曲面不封闭时,补一块平面把它封起来:∬Σ=∯Σ+Σ1−∬Σ1\iint_\Sigma=\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}-\iint_{\Sigma_1}。补的面尽量取坐标面或平行于坐标面的平面,这样三项里有两项为 0,剩下一项往往是常数乘面积。补的面的侧要和原曲面“配套”:合起来要么都朝外(外侧),要么都朝里(内侧,高斯公式加负号)。被积函数有分母、立体里有让分母为 0 的点,先看能不能用曲面方程把分母代成常数;代不掉就挖一个小球(小椭球),在两层之间用高斯公式。

补面与挖奇点
  • 补面:∬Σ=∯Σ+Σ1−∬Σ1\displaystyle\iint_\Sigma=\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}-\iint_{\Sigma_1},其中 ∯\oiint 用高斯公式(外侧 +,内侧 −),∬Σ1\iint_{\Sigma_1} 在平面上直接算。
  • 先代入:分母是 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 而曲面是球面时,先代成常数 RR,分母消失,再用高斯。
  • 挖奇点:散度在奇点外为 0 时,∯Σ=∯Σε\oiint_\Sigma=\oiint_{\Sigma_\varepsilon}(小球面,同为外侧),小球面上分母是常数;散度不为 0 时挖洞没有用,只能分面投影。
方法卡 · 补面用高斯
什么时候用
曲面不封闭;散度简单;补一块平面后能围成立体。
步骤
  1. 补面 Σ1\Sigma_1(平面),侧取成与 Σ\Sigma 配套:画图看两者的法向量是都朝外还是都朝里。
  2. ∯Σ+Σ1=±∭Ωdiv⁡ dV\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}=\pm\iiint_\Omega\Div\dV。
  3. 单独算 ∬Σ1\iint_{\Sigma_1}:平面上只有一项不为 0,按侧定号。
  4. 相减。
最容易错
补面的侧取反;分母含 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 却不先代入就用高斯(原点在立体边界上,条件不满足);忘了减去补面上的积分。
xyzOΣ1:z=1,取下侧Σ:z=x²+y²,上侧(朝里)
抛物面上侧朝里;补上顶盖 z=1z=1 取下侧,合起来是内侧。
例 5.92014 数一(18)
设 Σ\Sigma 为曲面 z=x2+y2 (z≤1)z=x^2+y^2\ (z\le1) 的上侧,计算曲面积分 I=∬Σ(x−1)3 dy dz+(y−1)3 dz dx+(z−1) dx dyI=\displaystyle\iint_\Sigma(x-1)^3\dy\dz+(y-1)^3\dz\dx+(z-1)\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 补面并看侧。补 Σ1:z=1, x2+y2≤1\Sigma_1:z=1,\ x^2+y^2\le1,取下侧。Σ\Sigma 的上侧指向碗里,Σ1\Sigma_1 的下侧也指向碗里,所以 Σ+Σ1\Sigma+\Sigma_1 是立体 Ω={x2+y2≤z≤1}\Omega=\{x^2+y^2\le z\le1\} 的内侧。

补面的侧要和原曲面配套:两片的法向量要么都指向立体外面,要么都指向里面;这里原曲面指向里面,补面也取指向里面的那一侧。

② 高斯公式(内侧加负号)。div⁡=3(x−1)2+3(y−1)2+1\Div=3(x-1)^2+3(y-1)^2+1,∯Σ+Σ1=−∭Ω[3(x−1)2+3(y−1)2+1] dV\displaystyle\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}=-\iiint_\Omega\big[3(x-1)^2+3(y-1)^2+1\big]\dV。

高斯公式对外侧成立,内侧时整体变号。

③ 展开并用对称性。3(x−1)2+3(y−1)2+1=3(x2+y2)−6x−6y+73(x-1)^2+3(y-1)^2+1=3(x^2+y^2)-6x-6y+7;Ω\Omega 关于 yOzyOz、xOzxOz 面对称,−6x−6y-6x-6y 积分为 0。柱面坐标:∭Ω[3r2+7] dV=∫02π dθ∫01(3r2+7)(1−r2)r dr=2π(34−12+72−74)=4π\displaystyle\iiint_\Omega\big[3r^2+7\big]\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^1(3r^2+7)(1-r^2)r\dr=2\pi\Big(\frac34-\frac12+\frac72-\frac74\Big)=4\pi。

竖着穿针,zz 从 r2r^2 到 1,长度 1−r21-r^2;展开后逐项积分:∫013r3(1−r2)=34−12\int_0^13r^3(1-r^2)=\frac34-\frac12,∫017r(1−r2)=72−74\int_0^17r(1-r^2)=\frac72-\frac74。

④ 补面上的积分。Σ1\Sigma_1 在平面 z=1z=1 上, dy dz= dz dx=0\dy\dz=\dz\dx=0,而 R=z−1=0R=z-1=0,所以 ∬Σ1=0\displaystyle\iint_{\Sigma_1}=0。

水平面对 yOzyOz、zOxzOx 面的投影面积为 0;剩下的 RR 在 z=1z=1 上恰好是 0。

⑤ 结果。I=−4π−0=−4πI=-4\pi-0=-4\pi。

补面法的最后一步,封闭曲面上的值减去补面上的值:∬Σ=∯Σ+Σ1−∬Σ1\iint_\Sigma=\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}-\iint_{\Sigma_1}。

答案:−4π-4\pi

xyzOΣ:x=√(1−3y²−3z²),前侧Σ1:x=0,取后侧
半椭球面前侧;补 yOzyOz 面里的椭圆,取后侧。
例 5.102018 数一(17)李林 第十四章 习题 (17) · p374
设 Σ\Sigma 是曲面 x=1−3y2−3z2x=\sqrt{1-3y^2-3z^2} 的前侧,计算曲面积分 I=∬Σx dy dz+(y3+2) dz dx+z3 dx dyI=\displaystyle\iint_\Sigma x\dy\dz+(y^3+2)\dz\dx+z^3\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看出曲面并补面。x2+3y2+3z2=1, x≥0x^2+3y^2+3z^2=1,\ x\ge0:半个椭球面,半轴 1,13,131,\frac1{\sqrt3},\frac1{\sqrt3},前侧朝外。补 Σ1:x=0, 3y2+3z2≤1\Sigma_1:x=0,\ 3y^2+3z^2\le1,取后侧,合起来是半椭球体 Ω\Omega 的外侧。

x≥0x\ge0 的半椭球面张口对着 yOzyOz 面,补上 yOzyOz 面里的椭圆盘就封闭了;后侧指向 xx 负方向,也是朝外。

② 高斯公式。div⁡=1+3y2+3z2\Div=1+3y^2+3z^2,∯Σ+Σ1=∭Ω dV+3∭Ω(y2+z2) dV\displaystyle\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}=\iiint_\Omega\dV+3\iiint_\Omega(y^2+z^2)\dV。V=12⋅43π⋅1⋅13⋅13=2π9V=\dfrac12\cdot\dfrac43\pi\cdot1\cdot\dfrac1{\sqrt3}\cdot\dfrac1{\sqrt3}=\dfrac{2\pi}9。

半椭球体的体积用椭球体积公式取一半:椭球体积 43πabc\frac43\pi abc,取一半。

③ ∭(y2+z2) dV\iiint(y^2+z^2)\dV:按 xx 切片。固定 xx,截面是半径 ρ=1−x23\rho=\sqrt{\frac{1-x^2}3} 的圆盘,∬(y2+z2)=πρ42=π(1−x2)218\displaystyle\iint(y^2+z^2)=\frac{\pi\rho^4}2=\frac{\pi(1-x^2)^2}{18}。∫01π(1−x2)218 dx=π18⋅815=4π135\displaystyle\int_0^1\frac{\pi(1-x^2)^2}{18}\dx=\frac\pi{18}\cdot\frac8{15}=\frac{4\pi}{135}。

每个截面都是圆盘,圆盘上 y2+z2y^2+z^2 的积分用极坐标算:圆盘上 ∬r2dσ=2π⋅ρ44\iint r^2\dd\sigma=2\pi\cdot\frac{\rho^4}4;∫01(1−x2)2 dx=1−23+15=815\int_0^1(1-x^2)^2\dx=1-\frac23+\frac15=\frac8{15}。

④ 合起来。∯Σ+Σ1=2π9+3⋅4π135=10π45+4π45=14π45\oiint_{\Sigma+\Sigma_1}=\dfrac{2\pi}9+3\cdot\dfrac{4\pi}{135}=\dfrac{10\pi}{45}+\dfrac{4\pi}{45}=\dfrac{14\pi}{45}。

2π9=10π45\frac{2\pi}9=\frac{10\pi}{45},与 4π45\frac{4\pi}{45} 通分相加;这就是封闭曲面上的总流量。

⑤ 补面上的积分。Σ1\Sigma_1 在 x=0x=0 上:P=x=0P=x=0,而  dz dx= dx dy=0\dz\dx=\dx\dy=0(竖直平面对 zOxzOx、xOyxOy 面投影面积为 0),所以 ∬Σ1=0\iint_{\Sigma_1}=0,I=14π45I=\dfrac{14\pi}{45}。

补在坐标面上的好处:三项全是 0。

答案:14π45\frac{14\pi}{45}

xyzO轴 x=y=zΣ2:x+y+z=1Σ1:锥面 xy+yz+zx=0
zz 轴绕 x=y=zx=y=z 旋转得圆锥面;补上平面 x+y+z=1x+y+z=1 里的圆盘。
例 5.112025 数一(20)
设 Σ\Sigma 是由直线 {x=0y=0\begin{cases}x=0\\y=0\end{cases} 绕直线 {x=ty=tz=t\begin{cases}x=t\\y=t\\z=t\end{cases}(tt 为参数)旋转一周得到的曲面,Σ1\Sigma_1 是 Σ\Sigma 介于平面 x+y+z=0x+y+z=0 与 x+y+z=1x+y+z=1 之间部分的外侧,计算曲面积分 ∬Σ1x dy dz+(y+1) dz dx+(z+2) dx dy\displaystyle\iint_{\Sigma_1}x\dy\dz+(y+1)\dz\dx+(z+2)\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 求 Σ\Sigma 的方程。母线是 zz 轴(方向 k\boldsymbol k),轴是 x=y=zx=y=z(单位方向 e=13(1,1,1)\boldsymbol e=\frac1{\sqrt3}(1,1,1)),两者交于原点,所以 Σ\Sigma 是顶点在原点的圆锥面,半顶角 θ\theta 满足 cos⁡θ=k⋅e=13\cos\theta=\boldsymbol k\cdot\boldsymbol e=\frac1{\sqrt3}。点 MM 在 Σ\Sigma 上 ⟺ ∣OM→⋅e∣=∣OM→∣cos⁡θ|\overrightarrow{OM}\cdot\boldsymbol e|=|\overrightarrow{OM}|\cos\theta,平方得 (x+y+z)23=x2+y2+z23\dfrac{(x+y+z)^2}3=\dfrac{x^2+y^2+z^2}3,即 xy+yz+zx=0xy+yz+zx=0。

一条直线绕和它相交的另一条直线旋转,得到圆锥面;锥面上每一点与轴的夹角都等于两直线的夹角。

② 补面。Σ1\Sigma_1 是锥的侧面(从顶点到平面 x+y+z=1x+y+z=1),补上 Σ2\Sigma_2:平面 x+y+z=1x+y+z=1 上被锥面围住的圆盘,法向量 e\boldsymbol e(背离顶点,朝外)。Σ1+Σ2\Sigma_1+\Sigma_2 是实心圆锥 Ω\Omega 的外侧。

平面 x+y+z=0x+y+z=0 过顶点,只截到一个点,所以锥体只有一个底面,就在 x+y+z=1x+y+z=1 上。

③ 高斯公式。div⁡=1+1+1=3\Div=1+1+1=3。锥高 hh = 原点到平面 x+y+z=1x+y+z=1 的距离 =13=\dfrac1{\sqrt3},底半径 ρ=htan⁡θ=13⋅2\rho=h\tan\theta=\dfrac1{\sqrt3}\cdot\sqrt2。V=13πρ2h=13π⋅23⋅13=23π27V=\dfrac13\pi\rho^2h=\dfrac13\pi\cdot\dfrac23\cdot\dfrac1{\sqrt3}=\dfrac{2\sqrt3\pi}{27},∯=3V=23π9\oiint=3V=\dfrac{2\sqrt3\pi}9。

cos⁡θ=13\cos\theta=\frac1{\sqrt3} 时 sin⁡θ=23\sin\theta=\sqrt{\frac23},tan⁡θ=2\tan\theta=\sqrt2;锥高不是 1(1 是平面方程的常数),是距离 13\frac1{\sqrt3}。

④ 底面上的积分。Σ2\Sigma_2 上 F⋅e=x+(y+1)+(z+2)3=(x+y+z)+33=43\bF\cdot\boldsymbol e=\dfrac{x+(y+1)+(z+2)}{\sqrt3}=\dfrac{(x+y+z)+3}{\sqrt3}=\dfrac4{\sqrt3},是常数。面积 πρ2=2π3\pi\rho^2=\dfrac{2\pi}3,所以 ∬Σ2=43⋅2π3=83π9\displaystyle\iint_{\Sigma_2}=\frac4{\sqrt3}\cdot\frac{2\pi}3=\frac{8\sqrt3\pi}9。

平面上用 ∬F⋅n dS\iint\bF\cdot\bn\dS 最快:法向量是常向量,平面方程 x+y+z=1x+y+z=1 代进去,被积函数变成常数。

⑤ 相减。∬Σ1=23π9−83π9=−23π3\displaystyle\iint_{\Sigma_1}=\frac{2\sqrt3\pi}9-\frac{8\sqrt3\pi}9=-\frac{2\sqrt3\pi}3。

结果是负的:总流出量比从底面流出的少,说明有水从侧面流进来。

答案:−23π3-\frac{2\sqrt3\pi}3

例 5.12李林 第十四章 §2 例 1 · p362—363
计算 I=∬S1x2+y2+z2(xz dy dz+yz dz dx+z2 dx dy)I=\displaystyle\iint_S\frac1{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}\big(xz\dy\dz+yz\dz\dx+z^2\dx\dy\big),其中 SS 为半球面 z=R2−x2−y2 (R>0)z=\sqrt{R^2-x^2-y^2}\ (R>0) 的上侧。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 先代入。在 SS 上 x2+y2+z2=R\sqrt{x^2+y^2+z^2}=R,所以 I=1R∬Sxz dy dz+yz dz dx+z2 dx dyI=\dfrac1R\displaystyle\iint_Sxz\dy\dz+yz\dz\dx+z^2\dx\dy。

原被积函数在原点没有定义,而补面后原点在立体的边界上,不能直接用高斯;先用曲面方程把分母代成常数,奇点就消失了。

② 补面。补 S1:z=0, x2+y2≤R2S_1:z=0,\ x^2+y^2\le R^2,取下侧,S+S1S+S_1 是上半球体 Ω\Omega 的外侧。

上半球面的上侧就是外侧,底面的下侧也朝外,两片配套。

③ 高斯公式。div⁡(xz,yz,z2)=z+z+2z=4z\Div(xz,yz,z^2)=z+z+2z=4z。1R∭Ω4z dV=4R∫02π dθ∫0π/2 dφ∫0Rρcos⁡φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=4R⋅2π⋅12⋅R44=πR3\displaystyle\frac1R\iiint_\Omega4z\dV=\frac4R\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/2}\dphi\int_0^R\rho\cos\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=\frac4R\cdot2\pi\cdot\frac12\cdot\frac{R^4}4=\pi R^3。

球面坐标:z=ρcos⁡φz=\rho\cos\varphi,体积元素 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi;∫0π/2sin⁡φcos⁡φ dφ=12\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\cos\varphi\dphi=\frac12。

④ 底面上的积分。S1S_1 上 z=0z=0,xzxz、yzyz、z2z^2 全为 0,积分为 0。所以 I=πR3I=\pi R^3。

三个被积函数都含 zz,在 z=0z=0 上全部为 0。李林还给了分面投影的解法(I1=I2=14πR4I_1=I_2=\frac14\pi R^4,I3=12πR4I_3=\frac12\pi R^4),结果相同。

答案:πR3\pi R^3

例 5.13李林 第十四章 §2 例 3 · p364
设 S:z=−a2−x2−y2 (a>0)S:z=-\sqrt{a^2-x^2-y^2}\ (a>0) 的上侧,求 I=∬Sax dy dz+(a+z)2 dx dyx2+y2+z2I=\displaystyle\iint_S\frac{ax\dy\dz+(a+z)^2\dx\dy}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 代入。在 SS 上分母 =a=a,I=1a∬Sax dy dz+(a+z)2 dx dyI=\dfrac1a\displaystyle\iint_Sax\dy\dz+(a+z)^2\dx\dy。

先把分母代成常数,消掉原点处的奇点。

② 补面并看侧。补 S1:z=0, x2+y2≤a2S_1:z=0,\ x^2+y^2\le a^2,取下侧。下半球面的上侧指向球心(朝里),S1S_1 的下侧也朝里,所以 S+S1S+S_1 是下半球体 VV 的内侧。

下半球面是碗底,上侧指向碗里;补的盖子取下侧,也指向碗里。

③ 高斯公式(内侧加负号)。div⁡=a+2(a+z)=3a+2z\Div=a+2(a+z)=3a+2z。−1a∭V(3a+2z) dV=−1a(3a⋅23πa3+2∭Vz dV)\dfrac{-1}a\displaystyle\iiint_V(3a+2z)\dV=\frac{-1}a\Big(3a\cdot\frac23\pi a^3+2\iiint_Vz\dV\Big)。下半球的 ∭Vz dV=∫02π dθ∫π/2π dφ∫0aρcos⁡φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=−πa44\iiint_Vz\dV=\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_{\pi/2}^\pi\dphi\int_0^a\rho\cos\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=-\frac{\pi a^4}4。所以 ∯=−1a(2πa4−πa42)=−32πa3\oiint=\dfrac{-1}a\Big(2\pi a^4-\dfrac{\pi a^4}2\Big)=-\dfrac32\pi a^3。

下半球在 xOyxOy 面下方,φ\varphi 从 π2\frac\pi2 到 π\pi,cos⁡φ≤0\cos\varphi\le0,所以 ∭z dV\iiint z\dV 是负的。

④ 盖子上的积分。S1S_1 上 z=0z=0、 dy dz=0\dy\dz=0:1a∬S1a2 dx dy=1a⋅a2⋅(−πa2)=−πa3\dfrac1a\displaystyle\iint_{S_1}a^2\dx\dy=\frac1a\cdot a^2\cdot(-\pi a^2)=-\pi a^3(下侧取负)。

水平面对 yOzyOz 面投影为 0;(a+z)2(a+z)^2 在 z=0z=0 上是 a2a^2;下侧投影取负号。

⑤ 相减。I=−32πa3−(−πa3)=−12πa3I=-\dfrac32\pi a^3-(-\pi a^3)=-\dfrac12\pi a^3。

补面法的最后一步,封闭曲面上的值减去盖子上的值:∬S=∯S+S1−∬S1\iint_S=\oiint_{S+S_1}-\iint_{S_1}。

答案:−12πa3-\frac12\pi a^3

例 5.14李林 第十四章 §2 例 4 · p364—365
求 I=∬S(x3cos⁡α+y3cos⁡β+z3cos⁡γ) dSI=\displaystyle\iint_S(x^3\cos\alpha+y^3\cos\beta+z^3\cos\gamma)\dS,S:z2=x2+y2, −1≤z≤0S:z^2=x^2+y^2,\ -1\le z\le0,其中 cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma 是 SS 上任一点 (x,y,z)(x,y,z) 处法向量的方向余弦,且 cos⁡γ<0\cos\gamma<0。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 化成第二型。I=∬Sx3 dy dz+y3 dz dx+z3 dx dyI=\displaystyle\iint_Sx^3\dy\dz+y^3\dz\dx+z^3\dx\dy,SS 取 cos⁡γ<0\cos\gamma<0 的一侧,即下侧。

两类曲面积分的关系:∬(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ) dS=∬P dy dz+Q dz dx+R dx dy\iint(P\cos\alpha+Q\cos\beta+R\cos\gamma)\dS=\iint P\dy\dz+Q\dz\dx+R\dx\dy,侧由方向余弦决定。

② 补面并看侧。SS 是倒立的锥面(顶点在原点、开口朝下),立体 Ω={−1≤z≤−x2+y2}\Omega=\{-1\le z\le-\sqrt{x^2+y^2}\} 在锥面下方。补 S1:z=−1, x2+y2≤1S_1:z=-1,\ x^2+y^2\le1,取上侧。SS 的下侧和 S1S_1 的上侧都指向 Ω\Omega 里面,是内侧。

锥面是 Ω\Omega 的顶,下侧朝下,正好指进 Ω\Omega;底面的上侧朝上,也指进 Ω\Omega。

③ 高斯公式。∯S+S1=−∭Ω3(x2+y2+z2) dV\oiint_{S+S_1}=-\displaystyle\iiint_\Omega3(x^2+y^2+z^2)\dV。球面坐标:3π4≤φ≤π\frac{3\pi}4\le\varphi\le\pi,平面 z=−1z=-1 是 ρ=−1cos⁡φ\rho=-\dfrac1{\cos\varphi}:−3∫02π dθ∫3π/4πsin⁡φ dφ∫0−1/cos⁡φρ4 dρ=6π5∫3π/4πsin⁡φcos⁡5φ dφ=6π5⋅14[1cos⁡4φ]3π/4π=−9π10-3\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_{3\pi/4}^\pi\sin\varphi\dphi\int_0^{-1/\cos\varphi}\rho^4\drho=\frac{6\pi}5\int_{3\pi/4}^\pi\frac{\sin\varphi}{\cos^5\varphi}\dphi=\frac{6\pi}5\cdot\frac14\Big[\frac1{\cos^4\varphi}\Big]_{3\pi/4}^\pi=-\frac{9\pi}{10}。

开口朝下的锥面对应 φ=3π4\varphi=\frac{3\pi}4;ρcos⁡φ=−1\rho\cos\varphi=-1 解出 ρ\rho;sin⁡φcos⁡5φ\frac{\sin\varphi}{\cos^5\varphi} 的原函数是 14cos⁡4φ\frac1{4\cos^4\varphi},在 π\pi 处为 14\frac14,在 3π4\frac{3\pi}4 处为 1。

④ 底面上的积分。S1S_1 的单位法向量 (0,0,1)(0,0,1):∬S1z3 dS=∬x2+y2≤1(−1)3 dx dy=−π\displaystyle\iint_{S_1}z^3\dS=\iint_{x^2+y^2\le1}(-1)^3\dx\dy=-\pi。

用第一型的写法最直接:cos⁡α=cos⁡β=0\cos\alpha=\cos\beta=0,cos⁡γ=1\cos\gamma=1。

⑤ 相减。I=−9π10−(−π)=π10I=-\dfrac{9\pi}{10}-(-\pi)=\dfrac\pi{10}。

补面法的最后一步,封闭曲面上的值减去底面上的值:∬S=∯S+S1−∬S1\iint_S=\oiint_{S+S_1}-\iint_{S_1}。

答案:π10\frac\pi{10}

xyzOS1:x²+y²+z²=r²,取内侧S:2x²+2y²+z²=4
挖掉小球 S1S_1,在两层之间用高斯公式。
例 5.15李林 第十四章 §2 例 5 · p365—366
计算 I=∯Sx dy dz+y dz dx+z dx dy(x2+y2+z2)3/2I=\displaystyle\oiint_S\frac{x\dy\dz+y\dz\dx+z\dx\dy}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}},其中 SS 是 2x2+2y2+z2=42x^2+2y^2+z^2=4 的外侧。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 散度在原点外为 0。记 r=x2+y2+z2r=\sqrt{x^2+y^2+z^2},∂∂xxr3=r2−3x2r5\dfrac{\partial}{\partial x}\dfrac x{r^3}=\dfrac{r^2-3x^2}{r^5},三项相加 =3r2−3r2r5=0=\dfrac{3r^2-3r^2}{r^5}=0(r≠0r\ne0)。

三项结构相同,轮换写出另外两项再相加,分子恰好抵消。

② 挖小球。原点在椭球里面,不能直接用高斯。作小球面 S1:x2+y2+z2=ε2S_1:x^2+y^2+z^2=\varepsilon^2(ε<2\varepsilon<\sqrt2,在椭球内),取内侧。在 SS 与 S1S_1 之间的区域上用高斯公式:∯S+S1=∭0 dV=0\oiint_{S+S_1}=\iiint0\dV=0。

两层之间没有奇点;外层取外侧、内层取内侧,都指向这个区域的外面。

③ 小球面上计算。I=−∯S1内=∯S1外I=-\oiint_{S_1\text{内}}=\oiint_{S_1\text{外}}。小球面外侧 n=(x,y,z)ε\bn=\dfrac{(x,y,z)}\varepsilon,F⋅n=x2+y2+z2ε3⋅ε=1ε2\bF\cdot\bn=\dfrac{x^2+y^2+z^2}{\varepsilon^3\cdot\varepsilon}=\dfrac1{\varepsilon^2},所以 I=1ε2⋅4πε2=4πI=\dfrac1{\varepsilon^2}\cdot4\pi\varepsilon^2=4\pi。

小球面上分母是常数 ε3\varepsilon^3;用两类积分的关系把  dy dz\dy\dz 等写成 cos⁡α dS\cos\alpha\dS,被积函数变成常数,积分等于常数乘球面面积。

答案:4π4\pi

xyzO原点:奇点S1:z=±RS3:柱面
原点在圆柱体里面,是奇点。
例 5.16李林 第十四章 §2 例 6 · p366
求 I=∯S外x dy dz+z2 dx dyx2+y2+z2I=\displaystyle\oiint_{S\text{外}}\frac{x\dy\dz+z^2\dx\dy}{x^2+y^2+z^2},其中 SS 是 x2+y2=R2 (R>0)x^2+y^2=R^2\ (R>0)、z=Rz=R、z=−Rz=-R 所围成的圆柱体的表面。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 为什么不用高斯。原点在圆柱体里面,P=xx2+y2+z2P=\dfrac x{x^2+y^2+z^2} 在原点没有定义;而且散度 y2+z2−x2(x2+y2+z2)2+2z(x2+y2)(x2+y2+z2)2\dfrac{y^2+z^2-x^2}{(x^2+y^2+z^2)^2}+\dfrac{2z(x^2+y^2)}{(x^2+y^2+z^2)^2} 不为 0,挖洞也没用。只能分面投影。

挖洞只在“散度在奇点外处处为 0”时有效,那样挖掉的小球上的积分才等于原积分。

② 分三片。S1S_1:顶 z=Rz=R(上侧),S2S_2:底 z=−Rz=-R(下侧),S3S_3:侧面(外侧)。

每一片都说清楚方程和侧,再逐项投影。

③ z2 dx dyz^2\dx\dy 这一项。顶和底投影都是 D:x2+y2≤R2D:x^2+y^2\le R^2,被积函数都是 R2x2+y2+R2\dfrac{R^2}{x^2+y^2+R^2},顶取“+”、底取“−”,抵消为 0;侧面投到 xOyxOy 面是圆周,也为 0。

顶和底的 z2z^2 相同(都是 R2R^2),但侧相反,一正一负。

④ x dy dzx\dy\dz 这一项。顶、底是水平面,对 yOzyOz 面投影为 0。侧面分前后两片 x=±R2−y2x=\pm\sqrt{R^2-y^2},投影都是 Dyz:∣y∣≤R, ∣z∣≤RD_{yz}:|y|\le R,\ |z|\le R;前片取“+”,后片 xx 为负、取“−”,两片相加得 2∬DyzR2−y2R2+z2 dy dz2\displaystyle\iint_{D_{yz}}\frac{\sqrt{R^2-y^2}}{R^2+z^2}\dy\dz。

后片的被积函数 x=−R2−y2x=-\sqrt{R^2-y^2} 是负的,又取后侧的负号,负负得正,与前片相同。

⑤ 算出来。2∫−RRR2−y2 dy∫−RR dzR2+z2=2⋅πR22⋅1R⋅π2=π2R22\displaystyle\int_{-R}^R\sqrt{R^2-y^2}\dy\int_{-R}^R\frac{\dz}{R^2+z^2}=2\cdot\frac{\pi R^2}2\cdot\frac1R\cdot\frac\pi2=\frac{\pi^2R}2。

两个积分变量分开,各自是一个定积分:∫−RRR2−y2 dy\int_{-R}^R\sqrt{R^2-y^2}\dy 是半圆面积 πR22\frac{\pi R^2}2;∫−RR dzR2+z2=1R[arctan⁡zR]−RR=π2R\int_{-R}^R\frac{\dz}{R^2+z^2}=\frac1R\big[\arctan\frac zR\big]_{-R}^R=\frac\pi{2R}。

答案:π2R2\frac{\pi^2R}2

5.6第二型曲面积分的对称性:慎用

大白话:第二型曲面积分的奇偶规则和第一型正好相反:曲面关于 xOyxOy 面对称、上下两半取相反的侧(上半上侧、下半下侧,比如整个球面外侧)时,∬R dx dy\iint R\dx\dy 在 RR 关于 zz 是偶函数时为 0、是奇函数时为 2 倍。原因是:两半的投影区域一样,但侧相反,投影时一正一负。规则容易记反,所以要三项分开、逐项判断,拿不准就用投影法算一遍。

第二型曲面积分的奇偶性(李林 p370)
  • SS 关于 xOyxOy 面对称,上半 S1S_1 取上侧、下半取下侧:∬SR dx dy={2∬S1R dx dy,R 关于 z 是奇函数0,R 关于 z 是偶函数\displaystyle\iint_SR\dx\dy=\begin{cases}2\iint_{S_1}R\dx\dy,&R\text{ 关于 }z\text{ 是奇函数}\\0,&R\text{ 关于 }z\text{ 是偶函数}\end{cases}
  • 关于 yOzyOz 面对称(前半前侧、后半后侧)时看 PP 关于 xx 的奇偶;关于 zOxzOx 面对称时看 QQ 关于 yy 的奇偶。

例如(李林 p370):S:x2+y2+z2=1S:x^2+y^2+z^2=1 外侧,∬S1cos⁡2z dx dy=0\displaystyle\iint_S\frac1{\cos^2z}\dx\dy=0:球面关于 xOyxOy 面对称,上下两半侧相反,1cos⁡2z\frac1{\cos^2z} 关于 zz 是偶函数。

例 5.17李林 第十四章 §3 例如 · p370—371
设 S:z=x2+y2S:z=\sqrt{x^2+y^2} 介于 z=1z=1 与 z=2z=2 之间的部分,取下侧,计算 I=∬S dy dz+z dz dx+ezx2+y2 dx dyI=\displaystyle\iint_S\dy\dz+z\dz\dx+\frac{\e^z}{\sqrt{x^2+y^2}}\dx\dy。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① ∬ dy dz\iint\dy\dz。SS 关于 yOzyOz 面对称;取下侧时前半(x>0x>0)的法向量 ∝(xr,yr,−1)\propto\big(\frac xr,\frac yr,-1\big),cos⁡α>0\cos\alpha>0 是前侧,后半是后侧,侧相反。P=1P=1 关于 xx 是偶函数,所以 ∬S dy dz=0\iint_S\dy\dz=0。

前后两半投到 yOzyOz 面是同一块区域,被积函数相同,侧相反,一正一负抵消。

② ∬z dz dx\iint z\dz\dx。同理 SS 关于 zOxzOx 面对称、左右两半侧相反,Q=zQ=z 关于 yy 是偶函数,积分为 0。

zz 不含 yy,当然是 yy 的偶函数。

③ ∬ezx2+y2 dx dy\iint\frac{\e^z}{\sqrt{x^2+y^2}}\dx\dy。投到 D:1≤x2+y2≤4D:1\le x^2+y^2\le4,下侧取“−”,zz 换成 rr:−∫02π dθ∫12err⋅r dr=−2π(e2−e)-\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_1^2\frac{\e^r}r\cdot r\dr=-2\pi(\e^2-\e)。

锥面上 z=x2+y2=rz=\sqrt{x^2+y^2}=r;极坐标面积元素的 rr 与分母约掉。

④ 结果。I=0+0−2π(e2−e)=2πe(1−e)I=0+0-2\pi(\e^2-\e)=2\pi\e(1-\e)。

李林还用补面 + 高斯做了一遍(补 z=2z=2 上侧与 z=1z=1 下侧),结果相同,但对称性更省事。

答案:2πe(1−e)2\pi\e(1-\e)

5.7小结

看到什么怎么做例子
只有一项,曲面单值,被积函数能用方程化简分面投影:投、代、定号例 5.1
有 dydz\dd y\dd z、dzdx\dd z\dd x,曲面是 z=z(x,y)z=z(x,y)合一投影:换成法向量分量之比 ×  dx dy\dx\dy例 5.2、例 5.3、例 5.4
含只知连续的 ff不用高斯(要求导),用合一投影让 ff 抵消例 5.4
封闭曲面,散度简单高斯;对称划掉奇项,常数用体积,一次项用形心例 5.5、例 5.6、例 5.7
“任意封闭曲面积分为 0”散度处处为 0,得到微分方程例 5.8
不封闭补平面,侧要配套;减去补面例 5.9、例 5.10、例 5.11、例 5.13、例 5.14
分母是 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2},曲面是球面先代入消掉奇点,再补面高斯例 5.12、例 5.13
奇点在里面散度为 0 就挖小球;不为 0 就分面投影例 5.15、例 5.16
曲面关于坐标面对称三项分开,侧相反时“偶零奇倍”例 5.17
第 6 部分

空间曲线积分、斯托克斯公式与场论

空间闭曲线上的环流,用斯托克斯公式换成一张曲面上旋度的通量;再加上梯度、散度、旋度三个算子。真题 8 道:4 道斯托克斯、1 道空间曲线降维、3 道场论填空。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十四章第 3、5、6 条)
  1. 掌握第二型曲线积分的计算方法(空间曲线)。
  2. 掌握斯托克斯公式。
  3. 了解散度与旋度的概念,并会计算。

对应李林讲义第十四章第一节的斯托克斯公式(p352)、例 8(p367—368)和第四节“场论简介”(p372—373)。Maki 第三十五讲的 2015 数一(19)、第三十六讲第 3 节的 4 道斯托克斯真题、第三十七讲的 3 道场论真题都在这里。

6.1空间曲线积分:参数化,或降成平面

大白话:空间曲线上的第二型积分 ∫LP dx+Q dy+R dz\int_LP\dx+Q\dy+R\dz,最直接的办法仍然是参数化:x,y,zx,y,z 都写成 tt 的函数,下限对应起点、上限对应终点。另一个好办法是降维:曲线如果躺在一张平面上(比如 z=xz=x),就用平面方程把 zz 和 dz\dd z 全部换掉,问题变成平面曲线积分,第 4 部分的格林公式、补线都能用上。

空间曲线积分 ∫LP dx+Q dy+R dz=∫αβ[P x′(t)+Q y′(t)+R z′(t)] dt\displaystyle \int_LP\dx+Q\dy+R\dz=\int_\alpha^\beta\big[P\,x'(t)+Q\,y'(t)+R\,z'(t)\big]\dt(α 对应起点,β 对应终点).\displaystyle (\alpha\text{ 对应起点,}\beta\text{ 对应终点}).
  • 交线的参数化:先参数化柱面或投影曲线,再用另一个方程补出第三个坐标(A.4 节)。
  • 曲线在平面 z=ax+by+cz=ax+by+c 上:dz=a dx+b dy\dd z=a\dx+b\dy,代入后变成 xOyxOy 面上的曲线积分。
  • 闭曲线:用斯托克斯公式(6.2 节)。
方法卡 · 空间曲线积分
什么时候用
空间曲线不封闭,或者封闭但斯托克斯公式里的曲面不好找。
步骤
  1. 曲线在某张平面上:用平面方程消去 zz、dz\dd z,化成平面曲线积分。
  2. 否则参数化:先把投影曲线写成参数方程,再补出 z(t)z(t)。
  3. 定下限、上限:看起点、终点对应的参数值。
最容易错
参数的起止弄反;消去 zz 时忘了同时换掉 dz\dd z;投影曲线只取了一半却按整条算。
xyzOA(0, √2, 0)B(0, −√2, 0)L:在平面 z=x 上投影:x²+y²/2=1,x≥0
半球面被平面 z=xz=x 截出的半个椭圆 LL,投影是右半个椭圆。
例 6.12015 数一(19)李林 第十四章 习题 (13) · p374
已知曲线 LL 的方程为 {z=2−x2−y2,z=x,\begin{cases}z=\sqrt{2-x^2-y^2},\\z=x,\end{cases} 起点为 A(0,2,0)A(0,\sqrt2,0),终点为 B(0,−2,0)B(0,-\sqrt2,0),计算曲线积分 I=∫L(y+z) dx+(z2−x2+y) dy+x2y2 dzI=\displaystyle\int_L(y+z)\dx+(z^2-x^2+y)\dy+x^2y^2\dz。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看清 LL。联立并平方:x2=2−x2−y2x^2=2-x^2-y^2,即 2x2+y2=22x^2+y^2=2;又 z=⋅≥0z=\sqrt{\cdot}\ge0 且 z=xz=x,所以 x≥0x\ge0。LL 在平面 z=xz=x 上,投影 CC 是椭圆 x2+y22=1x^2+\frac{y^2}2=1 的右半支,从 (0,2)(0,\sqrt2) 经 (1,0)(1,0) 到 (0,−2)(0,-\sqrt2)。

空间曲线是两个方程联立;消去 zz 得到投影,再由 z≥0z\ge0 确定只取一半。

② 降成平面曲线积分。在 LL 上 z=xz=x,dz= dx\dd z=\dx:被积式 =(y+x) dx+(x2−x2+y) dy+x2y2 dx=(x+y+x2y2) dx+y dy=(y+x)\dx+(x^2-x^2+y)\dy+x^2y^2\dx=(x+y+x^2y^2)\dx+y\dy。所以 I=∫C(x+y+x2y2) dx+y dyI=\displaystyle\int_C(x+y+x^2y^2)\dx+y\dy。

zz 换成 xx,dz\dd z 换成  dx\dx,三项里  dx\dx 的系数合并;z2−x2z^2-x^2 恰好抵消。

③ 补线用格林。补 yy 轴上从 (0,−2)(0,-\sqrt2) 到 (0,2)(0,\sqrt2) 的线段 C0C_0。CC 从上经右到下是顺时针,C+C0C+C_0 围成右半个椭圆 DD,是负向:∮C+C0=−∬D(∂Q∂x−∂P∂y) dx dy=∬D(1+2x2y) dx dy\displaystyle\oint_{C+C_0}=-\iint_D\Big(\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y}\Big)\dx\dy=\iint_D(1+2x^2y)\dx\dy。

Q=yQ=y 对 xx 求导为 0,P=x+y+x2y2P=x+y+x^2y^2 对 yy 求导为 1+2x2y1+2x^2y;顺时针加负号,负负得正。

④ 算二重积分。DD 关于 xx 轴对称,2x2y2x^2y 是 yy 的奇函数,积分为 0;∬D1=12⋅π⋅1⋅2=2π2\iint_D1=\dfrac12\cdot\pi\cdot1\cdot\sqrt2=\dfrac{\sqrt2\pi}2。

半个椭圆的面积是 12πab\frac12\pi ab,a=1a=1,b=2b=\sqrt2。

⑤ 补线上的积分与结果。C0C_0 上 x=0x=0, dx=0\dx=0,∫C0y dy=∫−22y dy=0\displaystyle\int_{C_0}y\dy=\int_{-\sqrt2}^{\sqrt2}y\dy=0。所以 I=2π2I=\dfrac{\sqrt2\pi}2。

奇函数在对称区间上积分为 0。也可以直接参数化 x=cos⁡t, y=2sin⁡t, z=cos⁡tx=\cos t,\ y=\sqrt2\sin t,\ z=\cos t,tt 从 π2\frac\pi2 到 −π2-\frac\pi2 核对,数值相同。

答案:2π2\frac{\sqrt2\pi}2

例 6.22014 数一(12)
设 LL 是柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1 与平面 y+z=0y+z=0 的交线,从 zz 轴正向往 zz 轴负向看去为逆时针方向,则曲线积分 ∮Lz dx+y dz=\displaystyle\oint_Lz\dx+y\dz= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 参数化。柱面给出 x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t;平面给出 z=−y=−sin⁡tz=-y=-\sin t。从上往下看逆时针,tt 从 0 到 2π2\pi。

交线先用柱面参数化,第三个坐标由平面方程补出;投影是逆时针的单位圆,所以 tt 递增。

② 代入。z dx=(−sin⁡t)(−sin⁡t) dt=sin⁡2t dtz\dx=(-\sin t)(-\sin t)\dt=\sin^2t\dt,y dz=sin⁡t⋅(−cos⁡t) dty\dz=\sin t\cdot(-\cos t)\dt。

把参数方程求导,得到  dx\dx、 dz\dz: dx=−sin⁡t dt\dx=-\sin t\dt, dz=−cos⁡t dt\dz=-\cos t\dt。

③ 积分。∫02π(sin⁡2t−sin⁡tcos⁡t) dt=π−0=π\displaystyle\int_0^{2\pi}\big(\sin^2t-\sin t\cos t\big)\dt=\pi-0=\pi。

sin⁡2t\sin^2t 在一个周期上的积分是 π\pi;sin⁡tcos⁡t=12sin⁡2t\sin t\cos t=\frac12\sin2t 在整周期上积分为 0。

④ 用斯托克斯核对。rot⁡(z,0,y)=(1,1,0)\rot(z,0,y)=(1,1,0),取平面 z=−yz=-y 上被 LL 围住的部分、上侧,法向量 (0,1,1)(0,1,1):∬Σ(1,1,0)⋅(0,1,1) dx dy=∬x2+y2≤11 dx dy=π\displaystyle\iint_\Sigma(1,1,0)\cdot(0,1,1)\dx\dy=\iint_{x^2+y^2\le1}1\dx\dy=\pi。

下一节的方法;两种做法结果一样。

答案:π\pi

6.2斯托克斯公式:空间闭曲线换成曲面积分

大白话:格林公式说“平面闭曲线上的环流 = 围住的区域里旋转强度之和”。斯托克斯公式是它的空间版:空间闭曲线 LL 上的环流 = 以 LL 为边界的任意一张曲面 Σ\Sigma 上旋度的通量。曲面可以自己挑,一般挑平面(交线所在的那个平面),因为平面的法向量是常向量。方向由右手法则配对:四指沿 LL 弯曲,大拇指指向 Σ\Sigma 的法向量。算出旋度之后,很多题里 rot⁡F⋅n\rot\bF\cdot\bn 用平面方程化简成常数,答案就是“常数 × 投影面积”。

xyzOn(上侧)L:从上往下看逆时针Σ
右手法则:四指沿 LL,大拇指指向 Σ\Sigma 的法向量。
斯托克斯公式(李林 p352) ∮LP dx+Q dy+R dz=∬Σ∣dydzdzdxdxdy∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣=∬Σ∣cos⁡αcos⁡βcos⁡γ∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣ dS.\displaystyle \oint_LP\dx+Q\dy+R\dz=\iint_\Sigma\begin{vmatrix}\dd y\dd z&\dd z\dd x&\dd x\dd y\\\dfrac{\partial}{\partial x}&\dfrac{\partial}{\partial y}&\dfrac{\partial}{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}=\iint_\Sigma\begin{vmatrix}\cos\alpha&\cos\beta&\cos\gamma\\\dfrac{\partial}{\partial x}&\dfrac{\partial}{\partial y}&\dfrac{\partial}{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}\dS .
  • rot⁡F=(Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)\rot\bF=\big(R_y-Q_z,\ P_z-R_x,\ Q_x-P_y\big),公式即 ∮LF⋅dr=∬Σrot⁡F⋅n dS\oint_L\bF\cdot\dd\boldsymbol r=\iint_\Sigma\rot\bF\cdot\bn\dS。
  • LL 的方向与 Σ\Sigma 的侧符合右手法则;“从 zz 轴正向往下看逆时针”对应 Σ\Sigma 取上侧。
  • Σ\Sigma 是平面 z=ax+by+cz=ax+by+c 上的一块时,上侧 n dS=(−a,−b,1) dx dy\bn\dS=(-a,-b,1)\dx\dy,公式变成投影区域上的二重积分。

例如(李林 p352):LL 为平面 x+y+z=1x+y+z=1 被三个坐标面截得的三角形的边界,方向与三角形上侧符合右手法则,∮Lz dx+x dy+y dz=∬Σ dy dz+ dz dx+ dx dy=3∬Dxy dx dy=32\displaystyle\oint_Lz\dx+x\dy+y\dz=\iint_\Sigma\dy\dz+\dz\dx+\dx\dy=3\iint_{D_{xy}}\dx\dy=\frac32。这里 rot⁡(z,x,y)=(1,1,1)\rot(z,x,y)=(1,1,1);由轮换对称,三项投影积分相等,每项都是投影三角形的面积 12\frac12。

方法卡 · 斯托克斯公式
什么时候用
空间闭曲线,尤其是“柱面或球面与一张平面的交线”;直接参数化很繁。
步骤
  1. 算 rot⁡F=(Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)\rot\bF=(R_y-Q_z,\ P_z-R_x,\ Q_x-P_y)。
  2. 取 Σ\Sigma:交线所在的平面上被 LL 围住的那块;按右手法则定上侧或下侧,写出 n dS=(−zx,−zy,1) dx dy\bn\dS=(-z_x,-z_y,1)\dx\dy。
  3. rot⁡F⋅n\rot\bF\cdot\bn 里的 zz 用平面方程代掉,化简后投到 xOyxOy 面积分(常常是常数 × 面积)。
  4. 闭曲线由几段拼成、被积式有一部分是全微分:先“剥”掉全微分,只算剩下的。
最容易错
旋度的中间一项写成 Rx−PzR_x-P_z(应为 Pz−RxP_z-R_x);侧取反;投影区域算错(交线的投影一般是椭圆,要配方找中心和半轴)。
xyzOLΣ:平面 z=x+y 上被 L 围住的部分,上侧
平面 z=x+yz=x+y 上被 LL 围住的部分 Σ\Sigma,投影是单位圆盘。
例 6.32011 数一(12)李林 第十四章 习题 (12) · p374
设 LL 是柱面 x2+y2=1x^2+y^2=1 与平面 z=x+yz=x+y 的交线,从 zz 轴正向往 zz 轴负向看去为逆时针方向,则曲线积分 ∮Lxz dx+x dy+y22 dz=\displaystyle\oint_Lxz\dx+x\dy+\frac{y^2}2\dz= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 旋度。P=xz, Q=x, R=y22P=xz,\ Q=x,\ R=\dfrac{y^2}2:rot⁡F=(Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)=(y, x, 1)\rot\bF=(R_y-Q_z,\ P_z-R_x,\ Q_x-P_y)=(y,\ x,\ 1)。

旋度的三个分量,每个都是两个偏导数相减,逐项求偏导:Ry=yR_y=y,Qz=0Q_z=0;Pz=xP_z=x,Rx=0R_x=0;Qx=1Q_x=1,Py=0P_y=0。

② 选曲面与侧。Σ\Sigma:平面 z=x+yz=x+y 上被 LL 围住的部分,从上往下看逆时针对应上侧,n dS=(−1,−1,1) dx dy\bn\dS=(-1,-1,1)\dx\dy,投影 D:x2+y2≤1D:x^2+y^2\le1。

z=x+yz=x+y 的 zx=zy=1z_x=z_y=1,上侧法向量 (−zx,−zy,1)(-z_x,-z_y,1)。

③ 化成二重积分。rot⁡F⋅n=−y−x+1\rot\bF\cdot\bn=-y-x+1,I=∬D(1−x−y) dx dy=π−0−0=πI=\displaystyle\iint_D(1-x-y)\dx\dy=\pi-0-0=\pi。

单位圆盘关于两条坐标轴都对称,∬x=∬y=0\iint x=\iint y=0,只剩面积 π\pi。

答案:π\pi

xyzOL:半径 2/√5 的圆投影:5x²−6x+1+y²=0
平面 z=2x−1z=2x-1 截球面得圆 LL,圆盘投到 xOyxOy 面是椭圆。
例 6.42024 数一(20)
已知有向曲线 LL 为球面 x2+y2+z2=2xx^2+y^2+z^2=2x 与平面 2x−z−1=02x-z-1=0 的交线,从 zz 轴正向往 zz 轴负向看去为逆时针方向,计算曲线积分 ∫L(6xyz−yz2) dx+2x2z dy+xyz dz\displaystyle\int_L(6xyz-yz^2)\dx+2x^2z\dy+xyz\dz。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 认清曲线。球面 (x−1)2+y2+z2=1(x-1)^2+y^2+z^2=1,球心 (1,0,0)(1,0,0)、半径 1;球心到平面 2x−z−1=02x-z-1=0 的距离 ∣2−0−1∣5=15<1\dfrac{|2-0-1|}{\sqrt5}=\dfrac1{\sqrt5}<1,所以交线是一个圆,是闭曲线(题目写 ∫L\int_L,但它确实闭合)。

先确认 LL 封闭,才能用斯托克斯公式。

② 旋度。P=6xyz−yz2, Q=2x2z, R=xyzP=6xyz-yz^2,\ Q=2x^2z,\ R=xyz:Ry−Qz=xz−2x2R_y-Q_z=xz-2x^2,Pz−Rx=6xy−2yz−yz=6xy−3yzP_z-R_x=6xy-2yz-yz=6xy-3yz,Qx−Py=4xz−(6xz−z2)=z2−2xzQ_x-P_y=4xz-(6xz-z^2)=z^2-2xz。

Py=6xz−z2P_y=6xz-z^2,那个 −z2-z^2 的符号别丢,后面要靠它凑完全平方。

③ 取平面、上侧。Σ\Sigma:平面 z=2x−1z=2x-1 上被 LL 围住的圆盘,上侧 n dS=(−2,0,1) dx dy\bn\dS=(-2,0,1)\dx\dy。rot⁡F⋅(−2,0,1)=−2(xz−2x2)+(z2−2xz)=z2−4xz+4x2=(z−2x)2\rot\bF\cdot(-2,0,1)=-2(xz-2x^2)+(z^2-2xz)=z^2-4xz+4x^2=(z-2x)^2。

中间那项乘 0 不用算;剩下两项恰好凑成完全平方。

④ 用平面方程化成常数。在平面上 z−2x=−1z-2x=-1,所以 (z−2x)2=1(z-2x)^2=1,积分 =∬D1 dx dy=\iint_D1\dx\dy = 投影区域的面积。

曲面积分里可以把曲面方程代进被积函数。

⑤ 投影区域。把 z=2x−1z=2x-1 代入球面:x2+y2+(2x−1)2=2xx^2+y^2+(2x-1)^2=2x,即 5x2−6x+1+y2=05x^2-6x+1+y^2=0,配方 (x−35)24/25+y24/5=1\dfrac{(x-\frac35)^2}{4/25}+\dfrac{y^2}{4/5}=1,半轴 25\dfrac25 与 25\dfrac2{\sqrt5},面积 π⋅25⋅25=45π25\pi\cdot\dfrac25\cdot\dfrac2{\sqrt5}=\dfrac{4\sqrt5\pi}{25}。

投影椭圆的中心在 (35,0)(\frac35,0),不在原点;核对:圆的半径 1−15=25\sqrt{1-\frac15}=\frac2{\sqrt5},圆面积 4π5\frac{4\pi}5 乘上 ∣cos⁡γ∣=15|\cos\gamma|=\frac1{\sqrt5} 也是 45π25\frac{4\sqrt5\pi}{25}。

答案:45π25\frac{4\sqrt5\pi}{25}

xyzOL1L2L3
球面在第一卦限的部分,边界由三段四分之一圆弧组成。
例 6.5李林 第十四章 §2 例 8 · p367—368
设曲线 LL 是球面 Σ:x2+y2+z2=1\Sigma:x^2+y^2+z^2=1 在第一卦限与三个坐标面的交线,曲面 Σ\Sigma 的方向朝上,LL 的方向与 Σ\Sigma 的方向符合右手法则,计算 I=∮L(y2−z2) dx+(z2−x2) dy+(x2−y2) dzI=\displaystyle\oint_L(y^2-z^2)\dx+(z^2-x^2)\dy+(x^2-y^2)\dz。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 解法一:分三段参数化。L1L_1:z=0z=0,x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,tt 从 0 到 π2\frac\pi2:∫0π/2[sin⁡2t(−sin⁡t)+(−cos⁡2t)cos⁡t] dt=−(23+23)=−43\displaystyle\int_0^{\pi/2}\big[\sin^2t(-\sin t)+(-\cos^2t)\cos t\big]\dt=-\Big(\frac23+\frac23\Big)=-\frac43。

在 z=0z=0 上,dz=0\dd z=0,被积式只剩 y2 dx−x2 dyy^2\dx-x^2\dy;∫0π/2sin⁡3t dt=∫0π/2cos⁡3t dt=23\int_0^{\pi/2}\sin^3t\dt=\int_0^{\pi/2}\cos^3t\dt=\frac23。

② 另外两段由轮换得到。L2L_2(x=0x=0,从 (0,1,0)(0,1,0) 到 (0,0,1)(0,0,1))、L3L_3(y=0y=0,从 (0,0,1)(0,0,1) 到 (1,0,0)(1,0,0))的积分同样都是 −43-\dfrac43,所以 I=−4I=-4。

把 x→y→z→xx\to y\to z\to x 轮换,曲线的三段互相变换,被积式 (y2−z2) dx+(z2−x2) dy+(x2−y2) dz(y^2-z^2)\dx+(z^2-x^2)\dy+(x^2-y^2)\dz 也不变,三段积分相等。

③ 解法二:斯托克斯。rot⁡F=(−2y−2z, −2z−2x, −2x−2y)\rot\bF=(-2y-2z,\ -2z-2x,\ -2x-2y),所以 I=−2JI=-2J,其中 J=∬Σ(y+z) dy dz+(z+x) dz dx+(x+y) dx dyJ=\displaystyle\iint_\Sigma(y+z)\dy\dz+(z+x)\dz\dx+(x+y)\dx\dy(Σ\Sigma 取上侧,也就是球面外侧)。

Ry−Qz=−2y−2zR_y-Q_z=-2y-2z,其余两项轮换写出;把公共因子 −2-2 提出来,剩下的积分记作 JJ。

④ 补面用高斯求 JJ。补三个坐标面上的四分之一圆盘 Σ1\Sigma_1(x=0x=0,后侧)、Σ2\Sigma_2(y=0y=0,左侧)、Σ3\Sigma_3(z=0z=0,下侧),与 Σ\Sigma 一起围成八分之一球体的外侧。div⁡(y+z, z+x, x+y)=0\Div(y+z,\ z+x,\ x+y)=0,所以 J+J1+J2+J3=0J+J_1+J_2+J_3=0。

补的三个面都取指向立体外面的一侧,才能和 Σ\Sigma 的外侧配套;散度为 0,高斯公式右边是 0。

⑤ 算补面并得出结果。Σ1\Sigma_1 在 x=0x=0 上,只有  dy dz\dy\dz 项,后侧取负:J1=−∬Dyz(y+z) dy dz=−∫0π/2 dθ∫01r(cos⁡θ+sin⁡θ) r dr=−23J_1=-\displaystyle\iint_{D_{yz}}(y+z)\dy\dz=-\int_0^{\pi/2}\dth\int_0^1r(\cos\theta+\sin\theta)\,r\dr=-\frac23。由轮换 J2=J3=−23J_2=J_3=-\dfrac23,所以 J=2J=2,I=−2J=−4I=-2J=-4。

坐标面上的补面只剩一项;∫01r2 dr=13\int_0^1r^2\dr=\frac13,∫0π/2(cos⁡θ+sin⁡θ) dθ=2\int_0^{\pi/2}(\cos\theta+\sin\theta)\dth=2。两种解法结果一致。

答案:−4-4

xyzOx=0z=0y=0
椭球面在第一卦限的部分,边界是三段四分之一椭圆。
例 6.62022 数一(19)
已知曲线 LL 是曲面 Σ:4x2+y2+z2=1, x≥0, y≥0, z≥0\Sigma:4x^2+y^2+z^2=1,\ x\ge0,\ y\ge0,\ z\ge0 的边界,曲面 Σ\Sigma 方向朝上,曲线 LL 的方向和曲面 Σ\Sigma 的方向符合右手法则,计算 I=∮L(yz2−cos⁡z) dx+2xz2 dy+(2xyz+xsin⁡z) dzI=\displaystyle\oint_L(yz^2-\cos z)\dx+2xz^2\dy+(2xyz+x\sin z)\dz。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 找全微分。u=xyz2−xcos⁡zu=xyz^2-x\cos z 满足 ux=yz2−cos⁡zu_x=yz^2-\cos z,uz=2xyz+xsin⁡zu_z=2xyz+x\sin z,uy=xz2u_y=xz^2。所以被积式 =du+xz2 dy=\dd u+xz^2\dy。

先对 PP 关于 xx 积分得 xyz2−xcos⁡zxyz^2-x\cos z,再验证它对 zz 的偏导正好是 RR;对 yy 的偏导 xz2xz^2 只是 Q=2xz2Q=2xz^2 的一半,剩下的 xz2 dyxz^2\dy 就是余项。

② 全微分沿闭路为 0。LL 由三段首尾相接:(0,0,1)→(12,0,0)→(0,1,0)→(0,0,1)(0,0,1)\to(\frac12,0,0)\to(0,1,0)\to(0,0,1),是闭曲线,∮Ldu=0\oint_L\dd u=0,所以 I=∮Lxz2 dyI=\displaystyle\oint_Lxz^2\dy。

全微分的积分等于终点值减起点值,闭曲线起点就是终点。

③ 三段上逐一看。y=0y=0 那段: dy=0\dy=0;z=0z=0 那段:被积函数 xz2=0xz^2=0;x=0x=0 那段:被积函数 xz2=0xz^2=0。三段全为 0,所以 I=0I=0。

三段分别躺在三个坐标面上,每一段上总有一个因子为 0。

④ 用斯托克斯核对。rot⁡F=(Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)=(2xz−4xz, 2yz+sin⁡z−2yz−sin⁡z, 2z2−z2)=(−2xz,0,z2)\rot\bF=(R_y-Q_z,\ P_z-R_x,\ Q_x-P_y)=(2xz-4xz,\ 2yz+\sin z-2yz-\sin z,\ 2z^2-z^2)=(-2xz,0,z^2)。上侧 n dS=(−zx,−zy,1) dx dy=(4xz,yz,1) dx dy\bn\dS=(-z_x,-z_y,1)\dx\dy=\big(\frac{4x}z,\frac yz,1\big)\dx\dy,rot⁡F⋅n=−8x2+z2=1−12x2−y2\rot\bF\cdot\bn=-8x^2+z^2=1-12x^2-y^2。广义极坐标 x=r2cos⁡θ, y=rsin⁡θx=\frac r2\cos\theta,\ y=r\sin\theta:∫0π/2 dθ∫01(1−3r2cos⁡2θ−r2sin⁡2θ)r2 dr=π8−3π32−π32=0\displaystyle\int_0^{\pi/2}\dth\int_0^1(1-3r^2\cos^2\theta-r^2\sin^2\theta)\frac r2\dr=\frac\pi8-\frac{3\pi}{32}-\frac\pi{32}=0。

4x2+y2+z2=14x^2+y^2+z^2=1 隐函数求导得 zx=−4xzz_x=-\frac{4x}z;z2=1−4x2−y2z^2=1-4x^2-y^2 代入;广义极坐标的雅可比是 r2\frac r2。两种方法都得 0。

答案:0

6.3场论:梯度、散度、旋度

大白话:梯度把一个数量场(比如温度 uu)变成向量,指向升得最快的方向;散度把一个向量场(比如水流)变成数,表示每一点“往外冒”的强度,高斯公式里用的就是它;旋度把向量场变成向量,表示每一点“打转”的强度和转轴,斯托克斯公式里用的就是它。考试只考定义和计算:会求偏导、会展开三阶行列式就行。

梯度、散度、旋度(李林 p372)
  • grad⁡u=(∂u∂x,∂u∂y,∂u∂z)\grad u=\Big(\dfrac{\partial u}{\partial x},\dfrac{\partial u}{\partial y},\dfrac{\partial u}{\partial z}\Big)。
  • div⁡F=∂P∂x+∂Q∂y+∂R∂z\Div\bF=\dfrac{\partial P}{\partial x}+\dfrac{\partial Q}{\partial y}+\dfrac{\partial R}{\partial z}(一个数)。
  • rot⁡F=∣ijk∂∂x∂∂y∂∂zPQR∣=(∂R∂y−∂Q∂z)i+(∂P∂z−∂R∂x)j+(∂Q∂x−∂P∂y)k\rot\bF=\begin{vmatrix}\boldsymbol i&\boldsymbol j&\boldsymbol k\\\frac{\partial}{\partial x}&\frac{\partial}{\partial y}&\frac{\partial}{\partial z}\\P&Q&R\end{vmatrix}=\Big(\dfrac{\partial R}{\partial y}-\dfrac{\partial Q}{\partial z}\Big)\boldsymbol i+\Big(\dfrac{\partial P}{\partial z}-\dfrac{\partial R}{\partial x}\Big)\boldsymbol j+\Big(\dfrac{\partial Q}{\partial x}-\dfrac{\partial P}{\partial y}\Big)\boldsymbol k。
  • 两个恒等式:rot⁡(grad⁡u)=0\rot(\grad u)=\boldsymbol0,div⁡(rot⁡F)=0\Div(\rot\bF)=0。
  • 高斯:∯F⋅n dS=∭div⁡F dV\oiint\bF\cdot\bn\dS=\iiint\Div\bF\dV;斯托克斯:∮F⋅dr=∬rot⁡F⋅n dS\oint\bF\cdot\dd\boldsymbol r=\iint\rot\bF\cdot\bn\dS。
方法卡 · 算散度、旋度
什么时候用
填空题“div⁡F=\Div\bF=”“rot⁡F(⋅)=\rot\bF(\cdot)=”。
步骤
  1. 写清 P,Q,RP,Q,R(向量场是两个向量的叉积时先把叉积算出来)。
  2. 散度:各自对自己的变量求偏导,相加。
  3. 旋度:按行列式展开,记口诀“Ry−QzR_y-Q_z,Pz−RxP_z-R_x,Qx−PyQ_x-P_y”(后一个字母循环前移);要求某点的值时最后再代入。
最容易错
旋度第二项写反成 Rx−PzR_x-P_z;先代入点的坐标再求导(应先求导再代入);把散度写成向量。
例 6.72016 数一(10)
向量场 A(x,y,z)=(x+y+z)i+xyj+zk\boldsymbol A(x,y,z)=(x+y+z)\boldsymbol i+xy\boldsymbol j+z\boldsymbol k 的旋度 rot⁡A=\rot\boldsymbol A= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 写出分量。P=x+y+zP=x+y+z,Q=xyQ=xy,R=zR=z。

旋度要用三个分量对另外两个变量的偏导,先分清谁是谁。

② 按公式逐项。Ry−Qz=0−0=0R_y-Q_z=0-0=0;Pz−Rx=1−0=1P_z-R_x=1-0=1;Qx−Py=y−1Q_x-P_y=y-1。

R=zR=z 只含 zz,对 x,yx,y 的偏导都是 0;PP 对 zz 的偏导是 1;Q=xyQ=xy 对 xx 的偏导是 yy。

③ 结果。rot⁡A=j+(y−1)k\rot\boldsymbol A=\boldsymbol j+(y-1)\boldsymbol k,即 (0,1,y−1)(0,1,y-1)。

三个分量依次写成 i,j,k\boldsymbol i,\boldsymbol j,\boldsymbol k 的系数。

答案:j+(y−1)k\boldsymbol j+(y-1)\boldsymbol k

例 6.82018 数一(11)李林 第十四章 习题 (21) · p375
设 F(x,y,z)=xyi−yzj+zxk\bF(x,y,z)=xy\boldsymbol i-yz\boldsymbol j+zx\boldsymbol k,则 rot⁡F(1,1,0)=\rot\bF(1,1,0)= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 求旋度。P=xy, Q=−yz, R=zxP=xy,\ Q=-yz,\ R=zx:Ry−Qz=0−(−y)=yR_y-Q_z=0-(-y)=y;Pz−Rx=0−z=−zP_z-R_x=0-z=-z;Qx−Py=0−x=−xQ_x-P_y=0-x=-x。所以 rot⁡F=(y,−z,−x)\rot\bF=(y,-z,-x)。

先求出一般点处的旋度,再代入具体的点。

② 代入 (1,1,0)(1,1,0)。rot⁡F(1,1,0)=(1,0,−1)=i−k\rot\bF(1,1,0)=(1,0,-1)=\boldsymbol i-\boldsymbol k。

把 (1,1,0)(1,1,0) 代进旋度的三个分量:y=1y=1,−z=0-z=0,−x=−1-x=-1。

答案:i−k\boldsymbol i-\boldsymbol k

例 6.92026 数一(11)
设向量 v1=(0,x,z)\boldsymbol v_1=(0,x,z),v2=(y,0,1)\boldsymbol v_2=(y,0,1),令 F(x,y,z)=v1×v2\bF(x,y,z)=\boldsymbol v_1\times\boldsymbol v_2,则 div⁡F=\Div\bF= ______。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 先算叉积。v1×v2=∣ijk0xzy01∣=(x⋅1−z⋅0, z⋅y−0⋅1, 0⋅0−x⋅y)=(x, yz, −xy)\boldsymbol v_1\times\boldsymbol v_2=\begin{vmatrix}\boldsymbol i&\boldsymbol j&\boldsymbol k\\0&x&z\\y&0&1\end{vmatrix}=(x\cdot1-z\cdot0,\ z\cdot y-0\cdot1,\ 0\cdot0-x\cdot y)=(x,\ yz,\ -xy)。

三阶行列式按第一行展开:i\boldsymbol i 的系数是右下 2×22\times2 行列式,j\boldsymbol j 的系数要带负号(等价于写成 z⋅y−0⋅1z\cdot y-0\cdot1 的顺序)。

② 散度。div⁡F=∂x∂x+∂(yz)∂y+∂(−xy)∂z=1+z+0=z+1\Div\bF=\dfrac{\partial x}{\partial x}+\dfrac{\partial(yz)}{\partial y}+\dfrac{\partial(-xy)}{\partial z}=1+z+0=z+1。

每个分量只对自己对应的变量求偏导;−xy-xy 不含 zz。

答案:z+1z+1

练习 6李林 第十四章 §4 例 1、例 2 · p372
(1)设向量场 A={xsin⁡(xyz), ysin⁡(xyz), 2zsin⁡(xyz)}\boldsymbol A=\{x\sin(xyz),\ y\sin(xyz),\ 2z\sin(xyz)\},求 div⁡A\Div\boldsymbol A;(2)设向量场 A={x2yz, xy2z, xyz2}\boldsymbol A=\{x^2yz,\ xy^2z,\ xyz^2\},求在点 P(1,2,−3)P(1,2,-3) 处的旋度 rot⁡A\rot\boldsymbol A。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① (1) 三个偏导。∂∂x(xsin⁡(xyz))=sin⁡(xyz)+xyzcos⁡(xyz)\dfrac{\partial}{\partial x}\big(x\sin(xyz)\big)=\sin(xyz)+xyz\cos(xyz);同理 ∂∂y(ysin⁡(xyz))=sin⁡(xyz)+xyzcos⁡(xyz)\dfrac{\partial}{\partial y}\big(y\sin(xyz)\big)=\sin(xyz)+xyz\cos(xyz),∂∂z(2zsin⁡(xyz))=2sin⁡(xyz)+2xyzcos⁡(xyz)\dfrac{\partial}{\partial z}\big(2z\sin(xyz)\big)=2\sin(xyz)+2xyz\cos(xyz)。

乘积法则:xx 的导数乘 sin⁡\sin,加上 xx 乘 sin⁡(xyz)\sin(xyz) 的导数 cos⁡(xyz)⋅yz\cos(xyz)\cdot yz。

② (1) 相加。div⁡A=4sin⁡(xyz)+4xyzcos⁡(xyz)\Div\boldsymbol A=4\sin(xyz)+4xyz\cos(xyz)。

三项的 sin⁡\sin 系数 1+1+2=41+1+2=4,cos⁡\cos 项系数同样是 4。

③ (2) 旋度。Ry−Qz=xz2−xy2R_y-Q_z=xz^2-xy^2,Pz−Rx=x2y−yz2P_z-R_x=x^2y-yz^2,Qx−Py=y2z−x2zQ_x-P_y=y^2z-x^2z。

R=xyz2R=xyz^2 对 yy 求导得 xz2xz^2,Q=xy2zQ=xy^2z 对 zz 求导得 xy2xy^2,其余同理。

④ (2) 代入 P(1,2,−3)P(1,2,-3)。(1⋅9−1⋅4, 1⋅2−2⋅9, 4⋅(−3)−1⋅(−3))=(5,−16,−9)(1\cdot9-1\cdot4,\ 1\cdot2-2\cdot9,\ 4\cdot(-3)-1\cdot(-3))=(5,-16,-9)。

先求出一般点的旋度再代入具体的点,x=1,y=2,z=−3x=1,y=2,z=-3,z2=9z^2=9;逐项代入。

答案:(1) 4sin⁡(xyz)+4xyzcos⁡(xyz)4\sin(xyz)+4xyz\cos(xyz);(2) (5,−16,−9)(5,-16,-9)

练习 7李林 第十四章 §4 例 3 · p372—373
设 f(r) (r>0)f(r)\ (r>0) 有二阶连续导数,且 u=f(x2+y2+z2)u=f\big(\sqrt{x^2+y^2+z^2}\big) 满足 div⁡(grad⁡u)=x2+y2+z2\Div(\grad u)=\sqrt{x^2+y^2+z^2},求 uu 的表达式。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 求 uxxu_{xx}。记 r=x2+y2+z2r=\sqrt{x^2+y^2+z^2},∂r∂x=xr\dfrac{\partial r}{\partial x}=\dfrac xr。ux=f′(r)xru_x=f'(r)\dfrac xr,uxx=f′′(r)x2r2+f′(r)r2−x2r3u_{xx}=f''(r)\dfrac{x^2}{r^2}+f'(r)\dfrac{r^2-x^2}{r^3}。

复合函数求导;xr\frac xr 对 xx 求导是 r−x⋅xrr2=r2−x2r3\frac{r-x\cdot\frac xr}{r^2}=\frac{r^2-x^2}{r^3}。

② 三项相加。div⁡(grad⁡u)=uxx+uyy+uzz=f′′(r)x2+y2+z2r2+f′(r)3r2−(x2+y2+z2)r3=f′′(r)+2rf′(r)\Div(\grad u)=u_{xx}+u_{yy}+u_{zz}=f''(r)\dfrac{x^2+y^2+z^2}{r^2}+f'(r)\dfrac{3r^2-(x^2+y^2+z^2)}{r^3}=f''(r)+\dfrac2rf'(r)。

uyy,uzzu_{yy},u_{zz} 由轮换写出;分子里的 x2+y2+z2=r2x^2+y^2+z^2=r^2。

③ 解常微分方程。f′′+2rf′=rf''+\dfrac2rf'=r,两边乘 r2r^2:(r2f′)′=r3\big(r^2f'\big)'=r^3,所以 r2f′=r44+C1r^2f'=\dfrac{r^4}4+C_1,f′=r24+C1r2f'=\dfrac{r^2}4+\dfrac{C_1}{r^2},f=r312−C1r+C2f=\dfrac{r^3}{12}-\dfrac{C_1}r+C_2。

r2f′′+2rf′r^2f''+2rf' 恰好是 (r2f′)′(r^2f')',积分一次降阶,再积一次。

④ 写成 uu。u=112(x2+y2+z2)3/2−C1x2+y2+z2+C2u=\dfrac1{12}(x^2+y^2+z^2)^{3/2}-\dfrac{C_1}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}+C_2,C1,C2C_1,C_2 为任意常数。

题目没有给初始条件,保留两个任意常数。

答案:u=112(x2+y2+z2)3/2−C1(x2+y2+z2)−1/2+C2u=\frac1{12}(x^2+y^2+z^2)^{3/2}-C_1(x^2+y^2+z^2)^{-1/2}+C_2

6.4小结

看到什么怎么做例子
空间曲线不封闭,躺在一张平面上用平面方程消去 zz、dz\dd z,化成平面积分再补线例 6.1
柱面与平面的交线参数化,或斯托克斯(取平面那块)例 6.2、例 6.3
球面与平面的交线斯托克斯;rot⁡F⋅n\rot\bF\cdot\bn 代平面方程,常是常数 × 投影面积例 6.4
边界由三个坐标面上的弧组成剥掉全微分,余项在每段上常为 0;或斯托克斯 + 补面例 6.6、例 6.5
求散度、旋度散度相加;旋度“Ry−QzR_y-Q_z,Pz−RxP_z-R_x,Qx−PyQ_x-P_y”例 6.7、例 6.8、例 6.9、练习 6
div⁡(grad⁡u)\Div(\grad u) 给定,uu 只依赖 rrf′′+2rf′f''+\frac2rf',化成常微分方程练习 7
第 7 部分

应用:体积、质量、质心、转动惯量与功

应用题全是同一个模子:“要求的量 = ∫ 每一小块的贡献”。这一部分把体积、质量、质心、转动惯量、面积、功放在一起讲,真题是 2017 数一(19) 薄片的质量。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章第 5 条)
  1. 会用三重积分、第一型曲线积分、第一型曲面积分求体积、弧长、曲面面积、质量、质心、形心、转动惯量、引力、功等。

对应李林讲义第十三章各节里的应用例题(p336—337、p340、p344)和第十四章例 11(p359,功)。Maki 这几讲里专门考应用的是 2017 数一(19)(薄片的质量);第 1 部分的三道形心题也是应用。

7.1立体:体积、质心与转动惯量

大白话:所有应用公式都是同一个模子:“要求的量” = ∫(每一小块的贡献)。小块的质量是 ρ dV\rho\dV;它对 zz 轴的转动惯量是“质量 × 到 zz 轴距离的平方”,即 (x2+y2)ρ dV(x^2+y^2)\rho\dV;质心是“坐标按质量加权的平均”。把立体换成铁丝就把  dV\dV 换成  ds\ds,换成薄壳就换成  dS\dS,公式一个字不改。

xyzO下:x²+y²=az上:z=2a−√(x²+y²)交线 r=a,z=a
抛物面在下、倒扣的圆锥在上,交于 r=a, z=ar=a,\ z=a。
应用公式总表(李林 p334、p338、p341)
  • 体积:V=∭Ω dVV=\iiint_\Omega\dV;质量:M=∭Ωρ dVM=\iiint_\Omega\rho\dV(铁丝 ∫Lρ ds\int_L\rho\ds,薄壳 ∬Sρ dS\iint_S\rho\dS)。
  • 质心:xˉ=1M∭Ωxρ dV\bar x=\dfrac1M\iiint_\Omega x\rho\dV,yˉ,zˉ\bar y,\bar z 同理;ρ\rho 为常数时叫形心。
  • 转动惯量:Ix=∭(y2+z2)ρ dVI_x=\iiint(y^2+z^2)\rho\dV,Iy=∭(z2+x2)ρ dVI_y=\iiint(z^2+x^2)\rho\dV,Iz=∭(x2+y2)ρ dVI_z=\iiint(x^2+y^2)\rho\dV(被积函数是到那条轴的距离的平方);对原点 IO=∭(x2+y2+z2)ρ dVI_O=\iiint(x^2+y^2+z^2)\rho\dV。
  • 弧长 ∫L ds\int_L\ds;曲面面积 ∬S dS=∬D1+zx2+zy2 dx dy\iint_S\dS=\iint_D\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy。
  • 功:W=∫LF⋅dr=∫LP dx+Q dy+R dzW=\int_L\bF\cdot\dd\boldsymbol r=\int_LP\dx+Q\dy+R\dz;流量:Φ=∬Sv⋅n dS\Phi=\iint_S\boldsymbol v\cdot\bn\dS。
方法卡 · 应用题
什么时候用
题目问体积、质量、质心、转动惯量、弧长、面积、功。
步骤
  1. 认出对象:立体( dV\dV)、曲线( ds\ds)、曲面( dS\dS);写出“小块的贡献”。
  2. 套公式写成积分,先用对称性定下能直接写的质心坐标。
  3. 按前面几部分的方法计算(截面法、柱面/球面坐标、投影)。
最容易错
转动惯量写成“到轴的距离”而不是“距离的平方”;对 xx 轴的转动惯量写成 ∭x2\iiint x^2;质心只算分子忘了除以质量。
例 7.1李林 第十三章 §1 例 6 · p336—337
求由曲面 x2+y2=azx^2+y^2=az 与 z=2a−x2+y2 (a>0)z=2a-\sqrt{x^2+y^2}\ (a>0) 所围立体的体积。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 求交线。柱面坐标:抛物面 z=r2az=\dfrac{r^2}a,圆锥面 z=2a−rz=2a-r。令两者相等:r2+ar−2a2=0r^2+ar-2a^2=0,(r−a)(r+2a)=0(r-a)(r+2a)=0,r=ar=a,此时 z=az=a。

两个 zz 相等的地方是交线;r≥0r\ge0,舍去 r=−2ar=-2a。

② 上下与投影。投影 D:r≤aD:r\le a;在 DD 内取 r=0r=0:抛物面 z=0z=0,锥面 z=2az=2a,所以锥面在上。

代一个点比大小,确定竖着穿针时从哪张曲面进、哪张出。

③ 柱面坐标算体积。V=∫02π dθ∫0a(2a−r−r2a)r dr=2π(a3−a33−a34)=2π⋅5a312=5πa36V=\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^a\Big(2a-r-\frac{r^2}a\Big)r\dr=2\pi\Big(a^3-\frac{a^3}3-\frac{a^3}4\Big)=2\pi\cdot\frac{5a^3}{12}=\frac{5\pi a^3}6。

先一后二:zz 从 r2a\frac{r^2}a 积到 2a−r2a-r 得高度差,再乘 rr 在圆盘上积分。

答案:5πa36\frac{5\pi a^3}6

xyzO球心 = 重心半球:半径 a圆锥:高 3
半球放在同底的圆锥上,重心在球心。
练习 8李林 第十三章 §1 例 7 · p337
一个半径为 aa 的均匀半球体放在一个底半径也为 aa、高为 3 的同质均匀圆锥体上(两者底面重合),整个物体的重心恰在球心,求 aa。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 建坐标。球心放在原点,底面在 xOyxOy 面上:半球 Ω1:x2+y2+z2≤a2, z≥0\Omega_1:x^2+y^2+z^2\le a^2,\ z\ge0;圆锥 Ω2\Omega_2 在下方,顶点 (0,0,−3)(0,0,-3)。重心在原点 ⟺ ∭Ω1z dV+∭Ω2z dV=0\iiint_{\Omega_1}z\dV+\iiint_{\Omega_2}z\dV=0。

均匀物体的重心就是形心;zˉ=0\bar z=0 等价于 zz 的积分(静矩)为 0,不用除以体积。

② 半球的静矩。∭Ω1z dV=∫02π dθ∫0π/2 dφ∫0aρcos⁡φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=2π⋅12⋅a44=πa44\displaystyle\iiint_{\Omega_1}z\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/2}\dphi\int_0^a\rho\cos\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=2\pi\cdot\frac12\cdot\frac{a^4}4=\frac{\pi a^4}4。

半球用球面坐标最方便,球面坐标下 z=ρcos⁡φz=\rho\cos\varphi;∫0π/2sin⁡φcos⁡φ dφ=12\int_0^{\pi/2}\sin\varphi\cos\varphi\dphi=\frac12。

③ 圆锥的静矩。截面法:高度 z∈[−3,0]z\in[-3,0] 处截面半径 a3(z+3)\dfrac a3(z+3),面积 πa29(z+3)2\dfrac{\pi a^2}9(z+3)^2。∭Ω2z dV=πa29∫−30z(z+3)2 dz=πa29⋅(−274)=−3πa24\displaystyle\iiint_{\Omega_2}z\dV=\frac{\pi a^2}9\int_{-3}^0z(z+3)^2\dz=\frac{\pi a^2}9\cdot\Big(-\frac{27}4\Big)=-\frac{3\pi a^2}4。

顶点处半径 0、底面处半径 aa,半径随高度线性变化;∫−30z(z+3)2 dz\int_{-3}^0z(z+3)^2\dz 令 w=z+3w=z+3 得 ∫03(w−3)w2dw=814−27=−274\int_0^3(w-3)w^2\dd w=\frac{81}4-27=-\frac{27}4。

④ 列方程。πa44−3πa24=0\dfrac{\pi a^4}4-\dfrac{3\pi a^2}4=0,得 a2=3a^2=3,a=3a=\sqrt3。

两部分静矩抵消;也可以用“锥体形心在离底 14\frac14 高处”直接写圆锥的静矩:−34⋅13πa2⋅3-\frac34\cdot\frac13\pi a^2\cdot3。

答案:a=3a=\sqrt3

练习 9李林 第十三章 §1 例 8 · p337
求均匀球体 x2+y2+z2≤2zx^2+y^2+z^2\le2z 绕 zz 轴的转动惯量(设密度 ρ=1\rho=1)。
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 写出公式。Iz=∭Ω(x2+y2) dVI_z=\displaystyle\iiint_\Omega(x^2+y^2)\dV,Ω\Omega 是球心 (0,0,1)(0,0,1)、半径 1 的球。

到 zz 轴的距离平方是 x2+y2x^2+y^2。

② 球面坐标。球整个在 xOyxOy 面上方,用球面坐标定出三个变量的范围:球面 x2+y2+z2=2zx^2+y^2+z^2=2z 是 ρ=2cos⁡φ\rho=2\cos\varphi,0≤φ≤π20\le\varphi\le\frac\pi2,θ\theta 转一整圈,于是 Iz=∫02π dθ∫0π/2 dφ∫02cos⁡φρ2sin⁡2φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=2π∫0π/2sin⁡3φ⋅32cos⁡5φ5 dφI_z=\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/2}\dphi\int_0^{2\cos\varphi}\rho^2\sin^2\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=2\pi\int_0^{\pi/2}\sin^3\varphi\cdot\frac{32\cos^5\varphi}5\dphi。

这个球过原点,从原点出发的射线穿出球面时走过的长度随方向变化,就是 ρ=2cos⁡φ\rho=2\cos\varphi;被积函数里的 x2+y2x^2+y^2 换成 ρ2sin⁡2φ\rho^2\sin^2\varphi,再乘体积元素 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi。

③ 算出来。∫0π/2sin⁡3φcos⁡5φ dφ=∫01(1−c2)c5dc=16−18=124\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^3\varphi\cos^5\varphi\dphi=\int_0^1(1-c^2)c^5\dd c=\frac16-\frac18=\frac1{24},所以 Iz=2π⋅325⋅124=8π15I_z=2\pi\cdot\dfrac{32}5\cdot\dfrac1{24}=\dfrac{8\pi}{15}。

令 c=cos⁡φc=\cos\varphi,sin⁡3φ dφ=−(1−c2)dc\sin^3\varphi\dphi=-(1-c^2)\dd c。核对:绕过球心的轴 I=25MR2=25⋅4π3=8π15I=\frac25MR^2=\frac25\cdot\frac{4\pi}3=\frac{8\pi}{15},zz 轴恰好过球心。

答案:8π15\frac{8\pi}{15}

7.2曲线与曲面:弧长、面积、质量与质心

大白话:铁丝、薄壳的应用题和立体一样套公式,只是积分换成第一型曲线积分或曲面积分。真题最喜欢的是薄片的质量:密度函数里常常藏着曲面方程能化简的东西(比如锥面上 x2+y2+z2=2(x2+y2)x^2+y^2+z^2=2(x^2+y^2)),代进去之后就是一个普通的二重积分。

xyzOC:锥面与 z²=2x 的交线投影 (x−1)²+y²=1S:锥面上被割下的部分
圆锥面被抛物柱面 z2=2xz^2=2x 割下的部分 SS,投影是圆 (x−1)2+y2≤1(x-1)^2+y^2\le1。
例 7.22017 数一(19)李林 第十三章 习题 (12) · p345
设薄片型物体 SS 是圆锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 被柱面 z2=2xz^2=2x 割下的有限部分,其上任一点的密度为 μ(x,y,z)=9x2+y2+z2\mu(x,y,z)=9\sqrt{x^2+y^2+z^2}。记圆锥面与柱面的交线为 CC。(I)求 CC 在 xOyxOy 平面上的投影曲线的方程;(II)求 SS 的质量 MM。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (I) 消去 zz。z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 平方得 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2,与 z2=2xz^2=2x 联立:x2+y2=2xx^2+y^2=2x。投影曲线为 {x2+y2=2xz=0\begin{cases}x^2+y^2=2x\\z=0\end{cases}。

求投影曲线就是从两个方程里消去 zz,得到一个柱面,再和 z=0z=0 联立;只写 x2+y2=2xx^2+y^2=2x 是柱面,不是曲线。

② (II) 质量的公式。M=∬Sμ dSM=\displaystyle\iint_S\mu\dS。SS 投到 xOyxOy 面是 D:x2+y2≤2xD:x^2+y^2\le2x;锥面上  dS=2 dx dy\dS=\sqrt2\dx\dy。

薄片质量 = 面密度的第一型曲面积分;锥面的倾斜因子恒为 2\sqrt2(第 3 部分)。

③ 化简密度。在锥面上 z2=x2+y2z^2=x^2+y^2,所以 μ=92(x2+y2)=92 r\mu=9\sqrt{2(x^2+y^2)}=9\sqrt2\,r。

先用曲面方程代掉 zz;密度里的 2\sqrt2 和  dS\dS 里的 2\sqrt2 相乘得 2。

④ 极坐标计算。M=∬D92 r⋅2 dx dy=18∫−π/2π/2 dθ∫02cos⁡θr⋅r dr=18∫−π/2π/28cos⁡3θ3 dθ=48⋅43=64M=\displaystyle\iint_D9\sqrt2\,r\cdot\sqrt2\dx\dy=18\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\dth\int_0^{2\cos\theta}r\cdot r\dr=18\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\frac{8\cos^3\theta}3\dth=48\cdot\frac43=64。

投影区域是偏心圆,用极坐标:偏心圆 r=2cos⁡θr=2\cos\theta,θ\theta 从 −π2-\frac\pi2 到 π2\frac\pi2;∫−π/2π/2cos⁡3θ dθ=2⋅23=43\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^3\theta\dth=2\cdot\frac23=\frac43。

答案:(I) {x2+y2=2xz=0\begin{cases}x^2+y^2=2x\\z=0\end{cases};(II) M=64M=64

例 7.3李林 第十三章 §2 例 5 · p340
设曲线 LL 是球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 在第一卦限部分的边界曲线,其线密度 ρ=1\rho=1,求 LL 的质心。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 看清 LL。LL 由三段四分之一圆弧组成(分别在三个坐标面上),每段长 πR2\dfrac{\pi R}2,总长 s=3πR2s=\dfrac{3\pi R}2。

球面与坐标面 z=0z=0 的交线是半径 RR 的圆,第一卦限里是四分之一。

② 算 ∫Lx ds\int_Lx\ds。z=0z=0 那段:x=Rcos⁡t, y=Rsin⁡tx=R\cos t,\ y=R\sin t,∫0π/2Rcos⁡t⋅R dt=R2\displaystyle\int_0^{\pi/2}R\cos t\cdot R\dt=R^2;y=0y=0 那段同样是 R2R^2;x=0x=0 那段上 x=0x=0,积分为 0。合计 2R22R^2。

圆弧上  ds=R dt\ds=R\dt;在 x=0x=0 的那段上被积函数恒为 0。

③ 质心。xˉ=2R23πR/2=4R3π\bar x=\dfrac{2R^2}{3\pi R/2}=\dfrac{4R}{3\pi};由轮换对称 yˉ=zˉ=4R3π\bar y=\bar z=\dfrac{4R}{3\pi}。质心为 (4R3π,4R3π,4R3π)\Big(\dfrac{4R}{3\pi},\dfrac{4R}{3\pi},\dfrac{4R}{3\pi}\Big)。

LL 在 x,y,zx,y,z 轮换下不变,三个坐标一样。

答案:(4R3π,4R3π,4R3π)\big(\frac{4R}{3\pi},\frac{4R}{3\pi},\frac{4R}{3\pi}\big)

例 7.4李林 第十三章 §3 例 5 · p344
设 SS 是锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 被柱面 x2+y2=2xx^2+y^2=2x 截下的部分。(1)求 SS 的面积 AA;(2)若 SS 的面密度 ρ=1\rho=1,求它对 zz 轴的转动惯量。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① (1) 面积。投影 D:x2+y2≤2xD:x^2+y^2\le2x(圆心 (1,0)(1,0)、半径 1),锥面上  dS=2 dx dy\dS=\sqrt2\dx\dy,所以 A=2⋅SD=2πA=\sqrt2\cdot S_D=\sqrt2\pi。

被积函数是 1 时,曲面积分就是 2\sqrt2 乘投影面积。

② (2) 公式。Iz=∬S(x2+y2) dS=2∬D(x2+y2) dx dyI_z=\displaystyle\iint_S(x^2+y^2)\dS=\sqrt2\iint_D(x^2+y^2)\dx\dy。

薄壳上一小块对 zz 轴的转动惯量是 (x2+y2) dS(x^2+y^2)\dS。

③ (2) 极坐标。2∫−π/2π/2 dθ∫02cos⁡θr3 dr=2∫−π/2π/24cos⁡4θ dθ=2⋅4⋅3π8=32π2\sqrt2\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\dth\int_0^{2\cos\theta}r^3\dr=\sqrt2\int_{-\pi/2}^{\pi/2}4\cos^4\theta\dth=\sqrt2\cdot4\cdot\frac{3\pi}8=\frac{3\sqrt2\pi}2。

偏心圆上的极坐标积分,最后一步用华里士公式:∫−π/2π/2cos⁡4θ dθ=2⋅34⋅12⋅π2=3π8\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\cos^4\theta\dth=2\cdot\frac34\cdot\frac12\cdot\frac\pi2=\frac{3\pi}8(华里士)。

答案:(1) 2π\sqrt2\pi;(2) 32π2\frac{3\sqrt2\pi}2

7.3功与最值

大白话:变力沿曲线做的功就是第二型曲线积分。如果问“沿直线从原点走到曲面上哪一点时做功最大”,就先把功写成终点坐标的函数,再用条件极值(拉格朗日乘数法)求最大值:积分给出目标函数,曲面方程是约束条件。

例 7.5李林 第十四章 §1 例 11 · p359
设力场 F=yzi+zxj+xyk\bF=yz\boldsymbol i+zx\boldsymbol j+xy\boldsymbol k,问将质点从原点 OO 沿直线移动到曲面 x2a2+y2b2+z2c2=1\dfrac{x^2}{a^2}+\dfrac{y^2}{b^2}+\dfrac{z^2}{c^2}=1 在第一卦限部分的哪一点时,F\bF 所做的功最大?并求此最大功。
解答先遮住,自己试 5 分钟

① 功是终点坐标的函数。设终点 M(ξ,η,ζ)M(\xi,\eta,\zeta),OM→\overrightarrow{OM}:X=ξt, Y=ηt, Z=ζtX=\xi t,\ Y=\eta t,\ Z=\zeta t,tt 从 0 到 1。W=∫01(ηζt2⋅ξ+ζξt2⋅η+ξηt2⋅ζ) dt=ξηζW=\displaystyle\int_0^1\big(\eta\zeta t^2\cdot\xi+\zeta\xi t^2\cdot\eta+\xi\eta t^2\cdot\zeta\big)\dt=\xi\eta\zeta。

直线段用参数 tt 表示;F⋅dr\bF\cdot\dd\boldsymbol r 三项都是 ξηζt2 dt\xi\eta\zeta t^2\dt,积分得 ξηζ\xi\eta\zeta。其实 F=grad⁡(xyz)\bF=\grad(xyz),功就是 xyzxyz 在终点的值。

② 条件极值。在 ξ2a2+η2b2+ζ2c2=1\dfrac{\xi^2}{a^2}+\dfrac{\eta^2}{b^2}+\dfrac{\zeta^2}{c^2}=1(第一卦限)上求 ξηζ\xi\eta\zeta 的最大值。令 L=ξηζ+λ(ξ2a2+η2b2+ζ2c2−1)L=\xi\eta\zeta+\lambda\Big(\dfrac{\xi^2}{a^2}+\dfrac{\eta^2}{b^2}+\dfrac{\zeta^2}{c^2}-1\Big):ηζ+2λξa2=0\eta\zeta+\dfrac{2\lambda\xi}{a^2}=0 等三式。

目标函数是功,约束是终点在曲面上;拉格朗日乘数法。

③ 解方程组。三式分别乘 ξ,η,ζ\xi,\eta,\zeta 得 ξηζ=−2λξ2a2=−2λη2b2=−2λζ2c2\xi\eta\zeta=-\dfrac{2\lambda\xi^2}{a^2}=-\dfrac{2\lambda\eta^2}{b^2}=-\dfrac{2\lambda\zeta^2}{c^2},所以 ξ2a2=η2b2=ζ2c2=13\dfrac{\xi^2}{a^2}=\dfrac{\eta^2}{b^2}=\dfrac{\zeta^2}{c^2}=\dfrac13,ξ=a3, η=b3, ζ=c3\xi=\dfrac a{\sqrt3},\ \eta=\dfrac b{\sqrt3},\ \zeta=\dfrac c{\sqrt3}。

三个比值相等,加起来等于 1,每个都是 13\frac13;第一卦限取正根。

④ 最大功。驻点唯一,而边界上(某个坐标为 0)功为 0,所以最大功 Wmax⁡=abc33=39abcW_{\max}=\dfrac{abc}{3\sqrt3}=\dfrac{\sqrt3}9abc,在点 (33a,33b,33c)\Big(\dfrac{\sqrt3}3a,\dfrac{\sqrt3}3b,\dfrac{\sqrt3}3c\Big) 取得。

第一卦限曲面片是有界闭集,连续函数一定有最大值;内部唯一驻点又比边界值大,所以就是最大值点。

答案:点 (33a,33b,33c)\big(\frac{\sqrt3}3a,\frac{\sqrt3}3b,\frac{\sqrt3}3c\big),Wmax⁡=39abcW_{\max}=\frac{\sqrt3}9abc

7.4小结

要求的量公式例子
立体体积∭ dV\iiint\dV,或上下曲面之差在投影上积分例 7.1
重心、形心静矩除以质量;对称的坐标直接为 0练习 8、例 7.3、例 1.7
转动惯量到轴距离的平方 × 质量元素练习 9、例 7.4
薄片的质量、曲面面积∬ρ dS\iint\rho\dS,先用曲面方程化简密度例 7.2、例 7.4
功的最大值功写成终点的函数,再条件极值例 7.5
第 8 部分

看题选方法

把前七部分的判断标准收成一张流程图和三张表:先认类型、再化简、再看能不能用格林、高斯、斯托克斯,最后才直接算。拿到题先查这里,再翻到对应的部分。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章)
  1. 第十三章:理解三重积分、第一型曲线积分、第一型曲面积分的概念,会计算三重积分(直角、柱面、球面坐标),掌握两类第一型积分的计算,会求体积、质量、质心、转动惯量等。
  2. 第十四章:理解第二型曲线与曲面积分的概念与两类积分的关系,掌握其计算方法;掌握格林公式与路径无关的条件,会求全微分的原函数;掌握高斯公式、斯托克斯公式;了解散度与旋度并会计算。

这一部分不讲新内容,把前七部分的判断标准收成一张流程图和三张表。

8.1总流程:六个问题

大白话:拿到一道积分题,先别急着算,从上往下问自己六个问题。前两个问题决定“这是哪种积分、能不能先化简”,中间三个问题决定“能不能用大公式(格林、高斯、斯托克斯)”,最后才是老老实实参数化或投影。真题里九成的题在第 ② 到 ⑤ 步就解决了一大半。

① 认类型∭:三重积分;ds、dS:第一型dx、dxdy 这类:第二型(有方向)② 先化简代入曲线/曲面方程;奇偶、轮换第二型的对称性要看方向(慎用)③ 封闭吗?平面闭曲线:格林;闭曲面:高斯空间闭曲线:斯托克斯④ 不封闭补线、补面,再减去补上的部分被积式有全微分:先拆出来⑤ 有奇点吗?分母为 0 的点在里面:先代入代不掉且散度/旋度为 0:挖洞⑥ 直接算曲线:参数化;曲面:投影三重:先一后二、先二后一、柱面、球面
解题六步:每一步都对应正文的一个部分。

8.2三重积分:选坐标、选拆法

看到什么先做什么例子
被积函数几项之和,区域对称奇的项划掉,能轮换就轮换(1.1 节)例 1.1、例 1.2
被积函数只含 zz,截面好求先二后一 ∫g(z)A(z) dz\int g(z)A(z)\dz(1.2 节)例 1.6、例 1.2
投影是圆、区域绕 zz 轴柱面坐标,乘 rr(1.3 节)例 1.3、例 7.1
球、锥、冰淇淋筒球面坐标,乘 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi(1.4 节)例 1.4、例 1.5
求形心、质心对称定零;截面面积 A(z)A(z)(1.5 节)例 1.7、例 1.8

8.3曲线积分:第一型与第二型

看到什么先做什么例子
∫Lf ds\int_Lf\ds,曲线在球面上代入曲线方程,再轮换(2.3 节)例 2.4、例 2.3
平面闭曲线,Qx−PyQ_x-P_y 简单格林公式(4.2 节)例 4.3
不封闭,被积式有积不出的项补线再格林(4.3 节)例 4.5、例 4.7、例 4.6
分母为 0 的点在曲线里面挖与分母同形的小曲线(4.4 节)例 4.10、例 4.11
“与路径无关”“闭路积分为 0”Qx=PyQ_x=P_y 反求参数或函数(4.5 节)例 4.13、例 4.14
被积式是 df\dd f终点值减起点值(4.5 节)例 4.15
空间曲线躺在平面上消去 zz、dz\dd z 降成平面(6.1 节)例 6.1
空间闭曲线斯托克斯,曲面取平面那块(6.2 节)例 6.3、例 6.4、例 6.6

8.4曲面积分:第一型与第二型

看到什么先做什么例子
∬Sf dS\iint_Sf\dS投影,乘倾斜因子(3.1 节)例 3.2、例 7.2
隐式曲面、被积函数有怪分母 dS=∣∇F∣∣Fz∣ dx dy\dS=\frac{|\nabla F|}{|F_z|}\dx\dy 约分(3.3 节)例 3.5
第二型只有一项,曲面单值分面投影,定号(5.2 节)例 5.1
第二型多项,曲面是 z=z(x,y)z=z(x,y)合一投影(5.3 节)例 5.2、例 5.4
封闭曲面,散度简单高斯(5.4 节)例 5.5、例 5.6、例 5.7
不封闭补平面再高斯(5.5 节)例 5.9、例 5.10、例 5.11
求散度、旋度按定义逐项求偏导(6.3 节)例 6.7、例 6.8、例 6.9

8.5小结

问题一句话答案例子
什么时候用大公式闭合(或能补成闭合)且导数组合比原式简单例 4.5、例 5.9
什么时候不能用里面有奇点;含只知连续的 ff(要求导)例 5.16、例 5.4
对称性什么时候放心用三重积分、第一型:放心;第二型:分项看方向例 5.7、例 5.17
第 9 部分

二级结论与反例

把正文里推过的现成结果集中起来:17 条二级结论、10 个反例,每一条都标出在哪道例题里用过。选择、填空直接用,解答题要写推导。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章)
  1. 会计算三重积分和两类第一型积分,会用它们求体积、质量、质心、转动惯量等(第十三章)。
  2. 掌握第二型曲线、曲面积分的计算,掌握格林、高斯、斯托克斯公式与路径无关的条件(第十四章)。

二级结论是这些“掌握”的副产品:选择、填空可以直接用,解答题要写出推导。每一条都经程序核对,并标出在哪道例题里用过。

大白话:下面这些结论都在正文的例题里推过一遍。记住它们,填空题可以一步写出答案;解答题里仍要按正文的步骤写。反例一栏专门收“看起来能用、其实不能用”的情形,考前逐条过一遍。

9.1二级结论

结论用在
锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 上: dS=2 dx dy\dS=\sqrt2\dx\dy,x2+y2+z2=2(x2+y2)x^2+y^2+z^2=2(x^2+y^2)例 7.2、例 3.1
平面 z=c−ax−byz=c-ax-by 上: dS=1+a2+b2 dx dy\dS=\sqrt{1+a^2+b^2}\dx\dy例 3.2
隐式曲面 F=0F=0: dS=∣∇F∣∣Fz∣ dx dy\dS=\frac{|\nabla F|}{|F_z|}\dx\dy;Fz=0F_z=0 的点是投影的轮廓线例 3.5
锥体的形心在“底面形心—顶点”连线上、离底面 14\frac14 高处例 1.7、练习 8
四面体的形心是四个顶点坐标的平均例 5.5
旋转体:zˉ=∫zA(z) dz∫A(z) dz\bar z=\frac{\int zA(z)\dz}{\int A(z)\dz},A(z)=πR2(z)A(z)=\pi R^2(z)例 1.8、例 1.6
球面被平面截出的圆,半径 R2−d2\sqrt{R^2-d^2}例 2.2、例 6.4
过球心的平面截球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2 得大圆 LL:∮Lx2 ds=2πR33\oint_Lx^2\ds=\frac{2\pi R^3}3例 2.3
同一个大圆(x+y+z=0x+y+z=0,R=1R=1)上:∮Lxy ds=−π3\oint_Lxy\ds=-\frac\pi3例 2.4
最优区域:∬Dgdσ\iint_Dg\dd\sigma 在 D={g≥0}D=\{g\ge0\} 上最大例 4.3、例 4.11
绕原点逆时针一圈:∮x dy−y dxAx2+By2=2πAB\oint\frac{x\dy-y\dx}{Ax^2+By^2}=\frac{2\pi}{\sqrt{AB}}例 4.9、例 4.10、例 4.11
ff 只要连续,f(x2+y2)(x dx+y dy)f(x^2+y^2)(x\dx+y\dy) 就是全微分例 4.16
过中心的弦把椭圆盘平分,面积各 πab2\frac{\pi ab}2例 4.7
z=z(x,y)z=z(x,y) 上侧:dydz=−zx dx dy\dd y\dd z=-z_x\dx\dy,dzdx=−zy dx dy\dd z\dd x=-z_y\dx\dy例 5.2、例 5.4
div⁡(x,y,z)r3=0\Div\frac{(x,y,z)}{r^3}=0(r≠0r\ne0),包住原点的闭曲面上通量为 4π4\pi例 5.15
斯托克斯取平面块时,rot⁡F⋅n\rot\bF\cdot\bn 常可代平面方程化成常数例 6.4、例 6.3
rot⁡(grad⁡u)=0\rot(\grad u)=\boldsymbol0:被积式是全微分的部分沿闭曲线为 0例 6.6、例 7.5

9.2反例:看起来能用、其实不能用

反例出现在
Qx=PyQ_x=P_y 但区域有洞:∮x dy−y dxx2+y2=2π≠0\oint\frac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2}=2\pi\ne0,积分与路径有关例 4.12
区域有洞,但有单值原函数时仍与路径无关练习 4
区域越大,积分不一定越大(被积函数有负的部分)例 4.3
第二型曲线积分:对称的两半方向相反时,PP 为偶函数反而积分为 0练习 5
第二型曲面积分:侧相反的对称两半,RR 为偶函数时积分为 0(与第一型相反)例 5.17
分母 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 不先代入就用高斯:原点在立体上,条件不满足例 5.12
散度不为 0 时挖小球没用例 5.16
ff 只知连续时不能用高斯(要对 ff 求导)例 5.4
斜圆锥不是旋转体:yˉ≠0\bar y\ne0例 1.7
第二型曲线积分的下限可以大于上限(第一型不行)例 4.6、例 2.1
第 10 部分

易错清单

把前面每一节“最容易错”的地方汇总成一张清单:27 条,每条给出正确做法和可以回看的例题。考前过一遍。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章)
  1. 会计算三重积分和两类第一型积分,会求体积、质量、质心等(第十三章)。
  2. 掌握第二型曲线、曲面积分的计算和格林、高斯、斯托克斯公式(第十四章)。

易错点几乎都出在“掌握计算方法”上:定限、定侧、定方向、查奇点。

10.1三重积分

易错正确做法回看
漏乘 rr 或 ρ2sin⁡φ\rho^2\sin\varphi换坐标后立刻写上体积元素例 1.3
φ\varphi 从 xOyxOy 面量起φ\varphi 从 zz 轴正向量起,锥面 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 是 φ=π4\varphi=\frac\pi4例 1.4
过原点的球面当成 ρ=R\rho=Rx2+y2+z2=4zx^2+y^2+z^2=4z 是 ρ=4cos⁡φ\rho=4\cos\varphi例 1.5
柱面坐标里下曲面换了却没分块在交线处分块,或改用先二后一例 1.3
斜圆锥写 yˉ=0\bar y=0截面圆心随 zz 移动,先算 ∬Dzy\iint_{D_z}y例 1.7
旋转曲面把 zz 也转掉绕 zz 轴时 zz 不变,用 zz 消去参数例 1.8

10.2曲线积分

易错正确做法回看
第一型积分下限大于上限第一型与方向无关,下限必须小例 2.1
第二型按大小排上下限下限是起点的参数,上限是终点的参数例 4.6
截圆半径当成球半径半径 R2−d2\sqrt{R^2-d^2}例 2.2
Qx−PyQ_x-P_y 写反格林是 QQ 对 xx 减 PP 对 yy例 4.3
补线方向画反、忘了减补线补线从终点回起点;最后减掉例 4.5
弄错走的是椭圆的哪一半按参数递增的方向看途经哪个点例 4.7
奇点在里面仍直接用格林挖与分母同形的小曲线例 4.10
分母 4x2+y24x^2+y^2 却挖小圆挖小椭圆 4x2+y2=δ24x^2+y^2=\delta^2例 4.9
路径无关换路径时跨过了奇点新旧路径之间不能夹奇点例 4.12
积分法求原函数把 φ(y)\varphi(y) 写成常数对 xx 积分的“常数”是 yy 的函数例 4.15
(C)1x−1y\frac1x-\frac1y 也满足 Py=QxP_y=Q_x 就选它PP 在整个区域里要有定义例 4.13

10.3曲面积分与三大公式

易错正确做法回看
第一型漏乘倾斜因子 dS=1+zx2+zy2 dx dy\dS=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\dx\dy,锥面是 2\sqrt2例 7.2
柱面侧面投到 xOyxOy 面投到 xOzxOz 或 yOzyOz 面,前后两片例 3.4
第二型投影忘了定号上、前、右取正,下、后、左取负例 5.1
整个球面一次投下去上下两半分开投例 5.16
补面的侧取反与原曲面配套:都朝外或都朝里例 5.9
内侧用高斯没加负号内侧时 ∯=−∭div⁡\oiint=-\iiint\Div例 5.13
锥高取成平面方程的常数 1锥高是顶点到平面的距离 13\frac1{\sqrt3}例 5.11
旋度第二项写成 Rx−PzR_x-P_zrot⁡F=(Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)\rot\bF=(R_y-Q_z,\ P_z-R_x,\ Q_x-P_y)例 6.8
斯托克斯的投影椭圆当成以原点为中心配方找中心和半轴例 6.4
求投影曲线只写一个方程投影曲线要写 H(x,y)=0H(x,y)=0 与 z=0z=0 两个方程例 7.2
第 11 部分

真题索引

全部真题的索引:Maki 第三十四—三十七讲的 36 道数一真题按年份排,另有按小节的对照表和大纲逐条覆盖表。点任何一道都能跳到正文里的完整解答。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章)

第十三章(仅数学一):1. 理解三重积分的概念;2. 会计算三重积分(直角坐标、柱面坐标、球面坐标);3. 理解第一型曲线积分、第一型曲面积分的概念;4. 掌握第一型曲线积分、第一型曲面积分的计算方法;5. 会用三重积分、第一型曲线积分、第一型曲面积分求体积、弧长、曲面面积、质量、质心、形心、转动惯量、引力、功等。

第十四章(仅数学一):1. 理解第二型曲线与曲面积分的概念;2. 理解两类曲线积分、两类曲面积分的关系;3. 掌握第二型曲线与曲面积分的计算方法;4. 掌握格林公式并会运用平面曲线积分与路径无关的条件,会求二元函数全微分的原函数;5. 掌握高斯公式、斯托克斯公式;6. 了解散度与旋度的概念,并会计算。

11.4 节把这 11 条拆成考点,逐条列出讲在哪里、考过哪些真题。

11.1全部真题:按年份

Maki《真题分类精解》第三十四讲“三重积分”、第三十五讲“曲线积分”、第三十六讲“曲面积分”、第三十七讲“场论初步”共收 36 道题,全是数一的题(这几块内容数二、数三不考),全部在正文里做成了例题。第一列是题号和题型,星号是 Maki 标的难度(满分 5 颗);第二列是 Maki 给这道题起的题型名和答案;第三列是所在小节。

真题题型与答案小节
2010 数一(11)
填空 · ★★
折线上第二类曲线积分
答案:0
4.1
2010 数一(12)
填空 · ★★★
三重积分求形心
答案:23\frac23
1.5
2010 数一(19)
解答 · ★★★★★
椭球面第一类曲面积分
答案:C:{x2+3z2=1y=2zC:\begin{cases}x^2+3z^2=1\\y=2z\end{cases};I=2πI=2\pi
3.3
2011 数一(12)
填空 · ★★★
空间闭曲线的第二类积分
答案:π\pi
6.2
2012 数一(12)
填空 · ★★
平面片的曲面积分
答案:312\frac{\sqrt3}{12}
3.1
2012 数一(19)
解答 · ★★★
格林公式算曲线积分
答案:π2−4\frac\pi2-4
4.3
2013 数一(4)
选择 · ★★★★
格林公式比较积分
答案:D
4.2
2013 数一(19)
解答 · ★★★★
旋转曲面与形心
答案:(I) x2+y2=2z2−2z+1x^2+y^2=2z^2-2z+1;(II) (0,0,75)\big(0,0,\frac75\big)
1.5
2014 数一(12)
填空 · ★★★
空间曲线第二类积分
答案:π\pi
6.1
2014 数一(18)
解答 · ★★★★
高斯公式算曲面积分
答案:−4π-4\pi
5.5
2015 数一(12)
填空 · ★★
四面体上三重积分
答案:14\frac14
1.2
2015 数一(19)
解答 · ★★★★
空间第二类曲线积分
答案:2π2\frac{\sqrt2\pi}2
6.1
2016 数一(10)
填空 · ★
求向量场的旋度
答案:j+(y−1)k\boldsymbol j+(y-1)\boldsymbol k
6.3
2016 数一(17)
解答 · ★★★★
路径无关积分及最小值
答案:I(t)=t+e2−tI(t)=t+\e^{2-t},最小值 I(2)=3I(2)=3
4.5
2016 数一(18)
解答 · ★★★
高斯公式算曲面积分
答案:12\frac12
5.4
2017 数一(11)
填空 · ★★
由路径无关定参数
答案:−1-1
4.5
2017 数一(19)
解答 · ★★★
曲面积分求薄片质量
答案:(I) {x2+y2=2xz=0\begin{cases}x^2+y^2=2x\\z=0\end{cases};(II) M=64M=64
7.2
2018 数一(11)
填空 · ★
求向量场的旋度
答案:i−k\boldsymbol i-\boldsymbol k
6.3
2018 数一(12)
填空 · ★★★
空间交线的第一类线积分
答案:−π3-\frac\pi3
2.3
2018 数一(17)
解答 · ★★★★
补面用高斯公式
答案:14π45\frac{14\pi}{45}
5.5
2019 数一(4)
选择 · ★★
由格林公式反求P
答案:D
4.5
2019 数一(12)
填空 · ★★★
第二类曲面积分计算
答案:323\frac{32}3
5.2
2019 数一(19)
解答 · ★★★★
锥体的形心坐标
答案:(0,14,14)\big(0,\frac14,\frac14\big)
1.5
2020 数一(16)
解答 · ★★★★
格林公式挖去奇点
答案:π\pi
4.4
2020 数一(18)
解答 · ★★★★
补面用高斯公式
答案:14π3\frac{14\pi}3
5.3
2021 数一(14)
填空 · ★★★
高斯公式算曲面积分
答案:4π4\pi
5.4
2021 数一(20)
解答 · ★★★★★
最优区域与格林公式
答案:(I) 8π8\pi;(II) −π-\pi
4.4
2022 数一(19)
解答 · ★★★★
斯托克斯公式算环流
答案:0
6.2
2023 数一(19)
解答 · ★★★
高斯公式算曲面积分
答案:5π4\frac{5\pi}4
5.4
2024 数一(2)
选择 · ★★★
曲面积分的投影转换
答案:A
5.3
2024 数一(20)
解答 · ★★★★
斯托克斯公式算曲线积分
答案:45π25\frac{4\sqrt5\pi}{25}
6.2
2025 数一(14)
填空 · ★★
格林公式算曲线积分
答案:43−2sin⁡1\frac43-2\sin1
4.3
2025 数一(20)
解答 · ★★★★★
高斯公式算曲面积分
答案:−23π3-\frac{2\sqrt3\pi}3
5.5
2026 数一(4)
选择 · ★★★
三重积分的柱面球面坐标
答案:C
1.4
2026 数一(11)
填空 · ★★
向量场的散度计算
答案:z+1z+1
6.3
2026 数一(19)
解答 · ★★★★
补线用格林公式
答案:3π−14\sqrt3\pi-\frac14
4.3

11.2按小节:每一节练哪些真题

复习某一节时,把这一行的真题全部重做一遍。第二型曲线积分(第 4 部分)和第二型曲面积分(第 5 部分)占了一大半,是这一章的重心。

小节真题
1.2 直角坐标:先一后二(投影穿线)与先二后一(截面)2015 数一(12)
1.4 球面坐标:球、锥和“冰淇淋筒”2026 数一(4)
1.5 形心:三重积分真题的真正落点2010 数一(12)、2013 数一(19)、2019 数一(19)
2.3 四个提速技巧:代入、奇偶、轮换、形心2018 数一(12)
3.1 概念与计算:一投、二代、三换2012 数一(12)
3.3 分片投影与隐式曲面2010 数一(19)
4.1 概念与直接计算:变力沿曲线做的功2010 数一(11)
4.2 格林公式:闭曲线上的积分换成二重积分2013 数一(4)
4.3 补线:曲线不封闭时2012 数一(19)、2025 数一(14)、2026 数一(19)
4.4 挖洞:区域里有奇点2020 数一(16)、2021 数一(20)
4.5 与路径无关、原函数与全微分方程2016 数一(17)、2017 数一(11)、2019 数一(4)
5.2 方法① 分面投影:一投、二代、三定号2019 数一(12)
5.3 方法② 合一投影:三项一起投到 xOyxOy 面2020 数一(18)、2024 数一(2)
5.4 方法③ 高斯公式:封闭曲面换成三重积分2016 数一(18)、2021 数一(14)、2023 数一(19)
5.5 补面与挖奇点2014 数一(18)、2018 数一(17)、2025 数一(20)
6.1 空间曲线积分:参数化,或降成平面2014 数一(12)、2015 数一(19)
6.2 斯托克斯公式:空间闭曲线换成曲面积分2011 数一(12)、2022 数一(19)、2024 数一(20)
6.3 场论:梯度、散度、旋度2016 数一(10)、2018 数一(11)、2026 数一(11)
7.2 曲线与曲面:弧长、面积、质量与质心2017 数一(19)

11.3真题是怎么核对的

核对方法
  • 题号:Maki《考研数学真题分类精解》(2026 版)第三十四—三十七讲的每道题都带年份和卷别标签,逐条抄下后与正文里的真题标签对照;页面生成时程序检查每个标签都恰好出现一次,且每个标签都属于这几讲。
  • 题面:按书中题目页的文字核对;分式、根号被文字层拆散的地方,对照书中的解答还原。
  • 答案:书里文字层抽出来的答案常被截断(例如 2018 数一(12) 显示为“−π-\pi”,实为 −π3-\frac\pi3;2025 数一(14) 显示为“4”,实为 43−2sin⁡1\frac43-2\sin1;2019 数一(12) 显示为“32”,实为 323\frac{32}3),所以一律不照抄,全部重新计算,再用程序独立核对:曲线积分沿原曲线参数化、曲面积分沿原曲面参数化,直接积原来的被积函数,不经过格林、高斯、斯托克斯公式。

11.4考点覆盖:大纲逐条对照

把李林讲义第十三章(5 条)、第十四章(6 条)的考试要求(大纲原文,见各部分开头的方框)拆成 20 个考点。“十三·2”指第十三章第 2 条。每个考点列出在哪一节讲、有几道例题,以及考过的真题。这张表是程序从正文里数出来的:每个考点都至少有一道例题,否则页面生成时会报错。

“真题:—”的考点,2010—2026 年数一没有专门考它的题,用李林讲义的例题补上了。

考点与小节例题与真题
十三·1 三重积分的概念与性质、对称性
讲在:1.1
例题与练习 1 道,其中真题 0 个题号
真题:—
十三·2 三重积分:直角坐标(先一后二、先二后一)
讲在:1.2
例题与练习 1 道,其中真题 1 个题号
2015 数一(12)
十三·2 三重积分:柱面坐标
讲在:1.3
例题与练习 1 道,其中真题 0 个题号
真题:—
十三·2 三重积分:球面坐标
讲在:1.4
例题与练习 3 道,其中真题 1 个题号
2026 数一(4)
十三·3 第一型曲线积分的概念
讲在:2.1
例题与练习 1 道,其中真题 0 个题号
真题:—
十三·4 第一型曲线积分的计算(空间曲线、对称性)
讲在:2.2、2.3
例题与练习 4 道,其中真题 1 个题号
2018 数一(12)
十三·3 第一型曲面积分的概念
讲在:3.1
例题与练习 2 道,其中真题 1 个题号
2012 数一(12)
十三·4 第一型曲面积分的计算(对称、分片、隐式曲面)
讲在:3.2、3.3
例题与练习 4 道,其中真题 1 个题号
2010 数一(19)
十三·5 体积、质量、质心、形心、转动惯量、面积、功
讲在:1.5、7.1、7.2、7.3
例题与练习 10 道,其中真题 4 个题号
2010 数一(12)、2013 数一(19)、2017 数一(19)、2019 数一(19)
十四·1 第二型曲线积分的概念
讲在:4.1
例题与练习 2 道,其中真题 1 个题号
2010 数一(11)
十四·3 第二型曲线积分的计算(平面、空间)
讲在:4.1、6.1
例题与练习 4 道,其中真题 3 个题号
2010 数一(11)、2014 数一(12)、2015 数一(19)
十四·4 格林公式(直接用、补线、挖洞)
讲在:4.2、4.3、4.4
例题与练习 10 道,其中真题 6 个题号
2012 数一(19)、2013 数一(4)、2020 数一(16)、2021 数一(20)、2025 数一(14)、2026 数一(19)
十四·4 路径无关、全微分的原函数
讲在:4.5
例题与练习 7 道,其中真题 3 个题号
2016 数一(17)、2017 数一(11)、2019 数一(4)
十四·1 第二型曲面积分的概念
讲在:5.1、5.2
例题与练习 1 道,其中真题 1 个题号
2019 数一(12)
十四·2 两类曲线积分、两类曲面积分的关系
讲在:4.1、5.3
例题与练习 5 道,其中真题 3 个题号
2010 数一(11)、2020 数一(18)、2024 数一(2)
十四·3 第二型曲面积分的计算(分面投影、合一投影)
讲在:5.2、5.3
例题与练习 4 道,其中真题 3 个题号
2019 数一(12)、2020 数一(18)、2024 数一(2)
十四·5 高斯公式(直接用、补面、挖奇点)
讲在:5.4、5.5
例题与练习 12 道,其中真题 6 个题号
2014 数一(18)、2016 数一(18)、2018 数一(17)、2021 数一(14)、2023 数一(19)、2025 数一(20)
十四·5 斯托克斯公式
讲在:6.2
例题与练习 4 道,其中真题 3 个题号
2011 数一(12)、2022 数一(19)、2024 数一(20)
十四·6 散度与旋度
讲在:6.3
例题与练习 5 道,其中真题 3 个题号
2016 数一(10)、2018 数一(11)、2026 数一(11)
(计算技巧) 第二型积分的奇偶对称性
讲在:4.6、5.6
例题与练习 2 道,其中真题 0 个题号
真题:—

11.5小结:真题怎么刷

阶段做什么从哪里开始
第一遍(跟着学习计划)每天只做计划里列的真题,遮住解答先做 5 分钟0.4 节
第二遍(按小节)11.2 表里一行一行过,做错的标 △ / ✗11.2 节
第三遍(按年份)11.1 表从 2026 往回做,限时11.1 节
考前只看 △ / ✗ 的题和第 8—10 部分8.1 节
第 12 部分

综合练习

综合练习:李林第十三、十四章的章末习题里正文没有用到的 27 道。每题都给了分步提示和“为什么”,答案都经程序核对。

考试要求(大纲原文,李林讲义第十三章、第十四章)
  1. 第十三章:会计算三重积分,掌握第一型曲线、曲面积分的计算,会求体积、弧长、面积、质量、质心、转动惯量、功等。
  2. 第十四章:掌握第二型曲线、曲面积分的计算,掌握格林公式、路径无关条件、原函数,掌握高斯公式、斯托克斯公式。

李林第十三章习题 12 道、第十四章习题 21 道。其中 6 道已经是正文例题(2017 数一(19)、2012 数一(19)、2011 数一(12)、2015 数一(19)、2018 数一(17)、2018 数一(11)),这里是其余 27 道。

大白话:每题先遮住提示自己做,做完再对照。每一步都写了“为什么”,卡住时先只看第一步的提示,再接着做。标出了每题对应正文的哪一节,做不出来就回去看那一节的方法卡。

12.1三重积分

练习 10李林 第十三章 习题 (1) · p344
设 VV 由 z=x2+y2z=x^2+y^2 与 z=2z=2 围成,求 ∭V(x2+y2) dV\displaystyle\iiint_V(x^2+y^2)\dV。(1.3 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 柱面坐标定限。投影 r≤2r\le\sqrt2,竖着穿针 zz 从 r2r^2 到 2。

抛物面与平面交于 r2=2r^2=2;抛物面在下、平面在上。

② 积分。∫02π dθ∫02r2(2−r2)r dr=2π(2⋅44−86)=4π3\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\sqrt2}r^2(2-r^2)r\dr=2\pi\Big(\frac{2\cdot4}4-\frac86\Big)=\frac{4\pi}3。

被积函数 r2r^2 乘高度 2−r22-r^2 再乘 rr;∫02r3 dr=1\int_0^{\sqrt2}r^3\dr=1,∫02r5 dr=43\int_0^{\sqrt2}r^5\dr=\frac43。

答案:4π3\frac{4\pi}3

练习 11李林 第十三章 习题 (2) · p344
设 VV 由 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 与 z=1−x2−y2z=\sqrt{1-x^2-y^2} 围成,求 ∭V(x+z) dV\displaystyle\iiint_V(x+z)\dV。(1.4 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 奇函数项。VV 关于 yOzyOz 面对称,∭Vx dV=0\iiint_Vx\dV=0。

把 xx 换成 −x-x,锥面和球面都不变。

② 球面坐标。∭Vz dV=∫02π dθ∫0π/4 dφ∫01ρcos⁡φ⋅ρ2sin⁡φ dρ=2π⋅14⋅14=π8\displaystyle\iiint_Vz\dV=\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/4}\dphi\int_0^1\rho\cos\varphi\cdot\rho^2\sin\varphi\drho=2\pi\cdot\frac14\cdot\frac14=\frac\pi8。

冰淇淋筒:φ\varphi 到 π4\frac\pi4,ρ\rho 到 1;∫0π/4sin⁡φcos⁡φ dφ=14\int_0^{\pi/4}\sin\varphi\cos\varphi\dphi=\frac14。

答案:π8\frac\pi8

练习 12李林 第十三章 习题 (3) · p344
设 VV 是由 {x=0y2=2z\begin{cases}x=0\\y^2=2z\end{cases} 绕 zz 轴旋转一周的曲面与平面 z=4z=4 所围成的区域,求 ∭V(x2+y2+z) dV\displaystyle\iiint_V(x^2+y^2+z)\dV。(1.2 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 旋转曲面。x2+y2=2zx^2+y^2=2z,高度 zz 处的截面是半径 2z\sqrt{2z} 的圆盘。

绕 zz 轴旋转,把 y2y^2 换成 x2+y2x^2+y^2。

② 截面上的积分。∬Dz(x2+y2+z)dσ=2π⋅(2z)24+z⋅2πz=4πz2\displaystyle\iint_{D_z}(x^2+y^2+z)\dd\sigma=2\pi\cdot\frac{(2z)^2}4+z\cdot2\pi z=4\pi z^2。

∬r2dσ=2π⋅R44\iint r^2\dd\sigma=2\pi\cdot\frac{R^4}4,R2=2zR^2=2z;zz 在截面上是常数,乘面积 2πz2\pi z。

③ 对 zz 积分。∫044πz2 dz=256π3\displaystyle\int_0^44\pi z^2\dz=\frac{256\pi}3。

先二后一:截面结果只含 zz。

答案:256π3\frac{256\pi}3

练习 13李林 第十三章 习题 (4) · p344
设 ff 连续,F(t)=∭V[f(x2+y2)+z2] dVF(t)=\displaystyle\iiint_V\big[f(x^2+y^2)+z^2\big]\dV,V:x2+y2≤t2, 0≤z≤hV:x^2+y^2\le t^2,\ 0\le z\le h,求 lim⁡t→0+F(t)t2\lim\limits_{t\to0^+}\dfrac{F(t)}{t^2}。(1.3 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 柱面坐标写出 F(t)F(t)。F(t)=h⋅2π∫0tf(r2)r dr+h33⋅πt2F(t)=h\cdot2\pi\displaystyle\int_0^tf(r^2)r\dr+\frac{h^3}3\cdot\pi t^2。

第一项与 zz 无关,zz 方向积出 hh;第二项 ∫0hz2 dz=h33\int_0^hz^2\dz=\frac{h^3}3 乘底面积 πt2\pi t^2。

② 求极限。2πh∫0tf(r2)r drt2→2πh⋅f(0)2=πhf(0)\dfrac{2\pi h\int_0^tf(r^2)r\dr}{t^2}\to2\pi h\cdot\dfrac{f(0)}2=\pi hf(0)(洛必达:分子导数 2πhtf(t2)2\pi htf(t^2),分母 2t2t)。所以极限为 πhf(0)+πh33\pi hf(0)+\dfrac{\pi h^3}3。

变上限积分求导后约掉 tt,ff 连续,f(t2)→f(0)f(t^2)\to f(0)。

答案:πhf(0)+πh33\pi hf(0)+\frac{\pi h^3}3

练习 14李林 第十三章 习题 (5) · p344
求 ∭V(ax+by+cz)2 dV\displaystyle\iiint_V(ax+by+cz)^2\dV,V:x2+y2+z2≤R2V:x^2+y^2+z^2\le R^2。(1.1 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 交叉项为 0。展开后 2abxy2abxy、2bcyz2bcyz、2acxz2acxz 都在关于坐标面对称的球上积分为 0。

每个交叉项对某个变量是奇函数。

② 轮换。∭x2=∭y2=∭z2=13∭ρ2 dV=13⋅4πR55\iiint x^2=\iiint y^2=\iiint z^2=\dfrac13\displaystyle\iiint\rho^2\dV=\frac13\cdot\frac{4\pi R^5}5。

球在 x,y,zx,y,z 轮换下不变;∭ρ2 dV=4π∫0Rρ4 dρ\iiint\rho^2\dV=4\pi\int_0^R\rho^4\drho。

③ 合起来。(a2+b2+c2)⋅4πR515(a^2+b^2+c^2)\cdot\dfrac{4\pi R^5}{15}。

三个平方项的系数分别是 a2,b2,c2a^2,b^2,c^2。

答案:4π(a2+b2+c2)R515\frac{4\pi(a^2+b^2+c^2)R^5}{15}

练习 15李林 第十三章 习题 (6) · p344
求 ∭V∣z−x2−y2∣ dV\displaystyle\iiint_V|z-x^2-y^2|\dV,VV 由 x2+y2=1x^2+y^2=1,z=0z=0,z=1z=1 围成。(1.3 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 按抛物面分块。柱面坐标,z<r2z<r^2 时被积函数为 r2−zr^2-z,z>r2z>r^2 时为 z−r2z-r^2。

绝对值的分界面是抛物面 z=r2z=r^2,它把圆柱分成上下两块。

② 竖着积。∫0r2(r2−z) dz+∫r21(z−r2) dz=r42+(1−r2)22\displaystyle\int_0^{r^2}(r^2-z)\dz+\int_{r^2}^1(z-r^2)\dz=\frac{r^4}2+\frac{(1-r^2)^2}2。

两段都是“一次函数在区间上的积分”,等于三角形面积。

③ 在圆盘上积分。2π∫01[r42+(1−r2)22]r dr=2π(112+112)=π32\pi\displaystyle\int_0^1\Big[\frac{r^4}2+\frac{(1-r^2)^2}2\Big]r\dr=2\pi\Big(\frac1{12}+\frac1{12}\Big)=\frac\pi3。

两部分分别对 rr 积分:∫01r52 dr=112\int_0^1\frac{r^5}2\dr=\frac1{12};∫01(1−r2)22r dr=112\int_0^1\frac{(1-r^2)^2}2r\dr=\frac1{12}(令 w=r2w=r^2)。

答案:π3\frac\pi3

12.2第一型曲线、曲面积分与应用

练习 16李林 第十三章 习题 (7) · p344
求 ∮Lex2+y2 ds\displaystyle\oint_L\e^{\sqrt{x^2+y^2}}\ds,LL 为曲线 x=1−y2x=\sqrt{1-y^2}、直线 y=xy=x 与 xx 轴所围图形的边界。(2.1 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 分三段。xx 轴上 O→(1,0)O\to(1,0);圆弧 r=1r=1,0≤θ≤π40\le\theta\le\frac\pi4;直线 y=xy=x 上从 (12,12)\big(\frac1{\sqrt2},\frac1{\sqrt2}\big) 回到 OO。

扇形的边界由两条半径和一段圆弧组成。

② 分别积。xx 轴:∫01ex dx=e−1\int_0^1\e^x\dx=\e-1;圆弧:e⋅π4\e\cdot\frac\pi4;直线:以到原点的距离 ss 作参数,∫01esds=e−1\int_0^1\e^s\dd s=\e-1。

每段上 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 分别是 xx、1、ss;第一型积分只看弧长,与方向无关。

③ 相加。(π4+2)e−2\Big(\dfrac\pi4+2\Big)\e-2。

第一型积分可以按段相加,三段结果相加。

答案:(π4+2)e−2\big(\frac\pi4+2\big)\e-2

练习 17李林 第十三章 习题 (8) · p344
设 LL 为椭圆 x24+y23=1\dfrac{x^2}4+\dfrac{y^2}3=1,其周长记为 aa,求 ∮L(3x2+4y2+xy) ds\displaystyle\oint_L(3x^2+4y^2+xy)\ds。(2.3 节)
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① 代入。在 LL 上 3x2+4y2=123x^2+4y^2=12。

被积函数里的 3x2+4y23x^2+4y^2 可以用曲线方程替换:椭圆方程两边乘 12。

② 奇偶。LL 关于 yy 轴对称,xyxy 关于 xx 是奇函数,积分为 0。

曲线关于 yy 轴对称,xyxy 在对称的两点上一正一负,左右两半抵消。

③ 结果。12∮L ds=12a12\oint_L\ds=12a。

被积函数变成常数 12,提到积分号外面,常数乘周长。

答案:12a12a

练习 18李林 第十三章 习题 (9) · p344
设 L:x2+y2=1, x≥0L:x^2+y^2=1,\ x\ge0,求 ∫L∣y∣ ds\displaystyle\int_L|y|\ds。(2.1 节)
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① 参数化。x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t,−π2≤t≤π2-\frac\pi2\le t\le\frac\pi2, ds= dt\ds=\dt。

只取 x≥0x\ge0 的右半圆,右半圆,cos⁡t≥0\cos t\ge0。

② 积分。∫−π/2π/2∣sin⁡t∣ dt=2∫0π/2sin⁡t dt=2\displaystyle\int_{-\pi/2}^{\pi/2}|\sin t|\dt=2\int_0^{\pi/2}\sin t\dt=2。

∣sin⁡t∣|\sin t| 是偶函数,折半后去掉绝对值。

答案:2

练习 19李林 第十三章 习题 (10) · p345
设 LL 为从 (1,−1,2)(1,-1,2) 到 (2,1,3)(2,1,3) 的直线段,求 ∫L(x2+y2+z2) ds\displaystyle\int_L(x^2+y^2+z^2)\ds。(2.2 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 参数化。x=1+t, y=−1+2t, z=2+tx=1+t,\ y=-1+2t,\ z=2+t,0≤t≤10\le t\le1, ds=1+4+1 dt=6 dt\ds=\sqrt{1+4+1}\dt=\sqrt6\dt。

方向向量 (1,2,1)(1,2,1),长度 6\sqrt6。

② 积分。6∫01[(1+t)2+(2t−1)2+(2+t)2] dt=6∫01(6+2t+6t2) dt=96\sqrt6\displaystyle\int_0^1\big[(1+t)^2+(2t-1)^2+(2+t)^2\big]\dt=\sqrt6\int_0^1(6+2t+6t^2)\dt=9\sqrt6。

展开合并:常数 1+1+4=61+1+4=6,一次项 2−4+4=22-4+4=2,二次项 1+4+1=61+4+1=6。

答案:969\sqrt6

练习 20李林 第十三章 习题 (11) · p345
在半径为 aa 的定球面上取一点为球心,作半径为 RR 的球面,问 RR 为何值时,后一球面位于定球内部的那部分面积最大?(7.2 节)
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① 建坐标。动球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2,定球面 x2+y2+(z−a)2=a2x^2+y^2+(z-a)^2=a^2(过原点)。定球内部:x2+y2+z2≤2azx^2+y^2+z^2\le2az,在动球面上即 z≥R22az\ge\dfrac{R^2}{2a}。

把动球的球心放在原点最方便;两个方程相减得交线所在的平面。

② 球冠面积。动球面在平面 z=h=R22az=h=\frac{R^2}{2a} 上方的球冠面积 S(R)=2πR(R−h)=2πR2−πR3aS(R)=2\pi R(R-h)=2\pi R^2-\dfrac{\pi R^3}a(0<R<2a0<R<2a)。

球冠面积 = 2πR×2\pi R\times 冠高,冠高是 R−hR-h;也可用 ∬RR2−x2−y2 dx dy\iint\frac R{\sqrt{R^2-x^2-y^2}}\dx\dy 算出。

③ 求最大。S′(R)=4πR−3πR2a=0S'(R)=4\pi R-\dfrac{3\pi R^2}a=0,R=4a3R=\dfrac{4a}3;S′′<0S''<0,最大面积 32πa227\dfrac{32\pi a^2}{27}。

在 (0,2a)(0,2a) 内唯一驻点,且 SS 在两端趋于 0,所以是最大值。

答案:R=4a3R=\frac{4a}3

12.3第二型曲线积分

练习 21李林 第十四章 习题 (1) · p373
设 LL 是从 A(1,12)A\big(1,\frac12\big) 沿 2y=x22y=x^2 到 B(2,2)B(2,2) 的弧段,求 I=∫L2xy dx−x2y2 dyI=\displaystyle\int_L\frac{2x}y\dx-\frac{x^2}{y^2}\dy。(4.1 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 代入。y=x22y=\frac{x^2}2,dy=x dx\dd y=x\dx:I=∫12(4x−4x2⋅x) dx=0I=\displaystyle\int_1^2\Big(\frac4x-\frac4{x^2}\cdot x\Big)\dx=0。

用抛物线方程把 yy 换掉:2xy=4x\frac{2x}y=\frac4x,x2y2=4x2\frac{x^2}{y^2}=\frac4{x^2}。

② 另一个看法。2xy dx−x2y2 dy=d(x2y)\dfrac{2x}y\dx-\dfrac{x^2}{y^2}\dy=\dd\Big(\dfrac{x^2}y\Big),而 x2y\frac{x^2}y 在 AA、BB 两点都等于 2,差为 0。

换一个角度看:这个被积式是一个全微分,而全微分沿曲线的积分全微分只看端点。

答案:0

练习 22李林 第十四章 习题 (2) · p373
设 LL 为 ∣x∣+∣y∣=1|x|+|y|=1,取逆时针方向,求 I=∮Lx dy−y dx∣x∣+∣y∣I=\displaystyle\oint_L\frac{x\dy-y\dx}{|x|+|y|}。(4.2 节)
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① 代入。在 LL 上分母为 1,I=∮Lx dy−y dxI=\oint_Lx\dy-y\dx。

先用曲线方程消掉分母,原点这个奇点就不碍事了。

② 格林。I=∬D2 dx dy=2×2=4I=\displaystyle\iint_D2\dx\dy=2\times2=4。

分母去掉以后可以用格林公式,Qx−Py=1−(−1)=2Q_x-P_y=1-(-1)=2;正方形面积 2。

答案:4

练习 23李林 第十四章 习题 (3) · p373
设 LL 为 x2+y2=a2 (a>0)x^2+y^2=a^2\ (a>0) 上由点 A(−a2,a2)A\big(-\frac a{\sqrt2},\frac a{\sqrt2}\big) 沿顺时针方向到点 B(a,0)B(a,0) 的一段弧,求 I=∫Ly dxI=\displaystyle\int_Ly\dx。(4.1 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 用 xx 作参数。顺时针从 AA 越过顶点到 BB,走的是上半圆,y=a2−x2y=\sqrt{a^2-x^2},xx 从 −a2-\frac a{\sqrt2} 到 aa。

从左上方顺时针走到最右点,途经最高点,都在上半圆。

② 积分。I=∫−a/2aa2−x2 dx=(3π8+14)a2I=\displaystyle\int_{-a/\sqrt2}^a\sqrt{a^2-x^2}\dx=\Big(\frac{3\pi}8+\frac14\Big)a^2。

这是半径 aa 的圆弧下的面积型积分,用三角换元:令 x=asin⁡ux=a\sin u,uu 从 −π4-\frac\pi4 到 π2\frac\pi2,∫a2cos⁡2udu=a22(3π4+12)\int a^2\cos^2u\dd u=\frac{a^2}2\big(\frac{3\pi}4+\frac12\big)。

答案:(3π8+14)a2\big(\frac{3\pi}8+\frac14\big)a^2

练习 24李林 第十四章 习题 (4) · p373
计算 I=∮Lx dy−y dxx2+y2I=\displaystyle\oint_L\frac{x\dy-y\dx}{x^2+y^2},逆时针:(Ⅰ)L:(x+2)2+(y−4)2=1L:(x+2)^2+(y-4)^2=1;(Ⅱ)L:x2+y2=1L:x^2+y^2=1;(Ⅲ)L:x2a2+y2b2=1L:\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1。(4.4 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① (Ⅰ) 不包原点。Qx=PyQ_x=P_y,圆内没有奇点,格林公式得 I=0I=0。

圆心 (−2,4)(-2,4)、半径 1,离原点很远。

② (Ⅱ) 直接算。x=cos⁡t, y=sin⁡tx=\cos t,\ y=\sin t:I=∫02π(cos⁡2t+sin⁡2t) dt=2πI=\displaystyle\int_0^{2\pi}(\cos^2t+\sin^2t)\dt=2\pi。

直接参数化,单位圆上分母为 1。

③ (Ⅲ) 挖洞。椭圆包住原点,挖小圆 x2+y2=r2x^2+y^2=r^2,I=∮小圆=2πI=\oint_{\text{小圆}}=2\pi。

基本环量:逆时针绕原点一圈就是 2π2\pi,与曲线形状无关。

答案:(Ⅰ) 0;(Ⅱ) 2π2\pi;(Ⅲ) 2π2\pi

练习 25李林 第十四章 习题 (5) · p373
计算 I=∮Lx dy−y dx4x2+y2I=\displaystyle\oint_L\frac{x\dy-y\dx}{4x^2+y^2},L:x2+y2=R2 (R>1)L:x^2+y^2=R^2\ (R>1),逆时针。(4.4 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 查条件。P=−y4x2+y2P=\dfrac{-y}{4x^2+y^2},Q=x4x2+y2Q=\dfrac x{4x^2+y^2},Qx=Py=y2−4x2(4x2+y2)2Q_x=P_y=\dfrac{y^2-4x^2}{(4x^2+y^2)^2}(原点外);原点在圆 x2+y2=R2x^2+y^2=R^2 里面。

原点是奇点又在曲线里面,不能直接用格林;但 Qx=PyQ_x=P_y,可以挖洞。

② 挖小椭圆。挖 4x2+y2=r24x^2+y^2=r^2(逆时针),I=1r2∮x dy−y dx=1r2⋅2⋅πr22=πI=\dfrac1{r^2}\displaystyle\oint x\dy-y\dx=\frac1{r^2}\cdot2\cdot\frac{\pi r^2}2=\pi。

分母是 4x2+y24x^2+y^2,挖同形状的小椭圆,分母变成常数 r2r^2;分子用格林公式是 2 倍面积,小椭圆的面积是 π⋅r2⋅r\pi\cdot\frac r2\cdot r。

答案:π\pi

练习 26李林 第十四章 习题 (6) · p373
设 LL 为 x2+y2=R2 (R>0)x^2+y^2=R^2\ (R>0) 从 A(R,0)A(R,0) 经过 B(0,R)B(0,R) 到 C(−R,0)C(-R,0) 的一段弧,计算 I=∫Lx dy−y dxx2+4y2I=\displaystyle\int_L\frac{x\dy-y\dx}{x^2+4y^2}。(4.4 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 换路径。Qx=PyQ_x=P_y(原点外)。把 LL 换成同起点同终点的上半椭圆 Lr:x2+4y2=R2L_r:x^2+4y^2=R^2(从 AA 到 CC),两者之间不夹原点。

路径无关只在不含奇点的区域里成立;换成与分母同形的曲线,分母变成常数。

② 在椭圆上算。x=Rcos⁡t, y=R2sin⁡tx=R\cos t,\ y=\frac R2\sin t,tt 从 0 到 π\pi:I=1R2∫0πR22 dt=π2I=\dfrac1{R^2}\displaystyle\int_0^\pi\frac{R^2}2\dt=\frac\pi2。

在椭圆上分母恒为 R2R^2,分子x dy−y dx=R22(cos⁡2t+sin⁡2t) dtx\dy-y\dx=\frac{R^2}2(\cos^2t+\sin^2t)\dt。

答案:π2\frac\pi2

练习 27李林 第十四章 习题 (8) · p374
设 f(x)f(x) 在 (−∞,+∞)(-\infty,+\infty) 内有连续导数,LL 是从 A(3,23)A\big(3,\frac23\big) 到 B(1,2)B(1,2) 的直线段,求 I=∫L1+y2f(xy)y dx+xy2[y2f(xy)−1] dyI=\displaystyle\int_L\frac{1+y^2f(xy)}y\dx+\frac x{y^2}\big[y^2f(xy)-1\big]\dy。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 找原函数。记 F′=fF'=f,则 u=xy+F(xy)u=\dfrac xy+F(xy) 满足 ux=1y+yf(xy)u_x=\dfrac1y+yf(xy),uy=−xy2+xf(xy)u_y=-\dfrac x{y^2}+xf(xy),正是 PP、QQ。

被积式在 y>0y>0 内是全微分,积分只看端点。

② 端点相减。I=u(1,2)−u(3,23)=(12+F(2))−(92+F(2))=−4I=u(1,2)-u\big(3,\frac23\big)=\Big(\frac12+F(2)\Big)-\Big(\frac92+F(2)\Big)=-4。

两个端点的 xyxy 都等于 2,F(2)F(2) 抵消,结果与 ff 无关。

答案:−4-4

练习 28李林 第十四章 习题 (9) · p374
设平面力场 F=(2xy3−y2cos⁡x, 1−2ysin⁡x+3x2y2)\bF=(2xy^3-y^2\cos x,\ 1-2y\sin x+3x^2y^2),求质点沿曲线 L:2x=πy2L:2x=\pi y^2 从 O(0,0)O(0,0) 到 A(π2,1)A\big(\frac\pi2,1\big) 时 F\bF 所做的功。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 路径无关。Qx=−2ycos⁡x+6xy2=PyQ_x=-2y\cos x+6xy^2=P_y,全平面成立。

全平面单连通,Qx=PyQ_x=P_y 就与路径无关。

② 原函数。u=x2y3−y2sin⁡x+yu=x^2y^3-y^2\sin x+y,W=u(π2,1)−u(0,0)=π24−1+1=π24W=u\big(\frac\pi2,1\big)-u(0,0)=\dfrac{\pi^2}4-1+1=\dfrac{\pi^2}4。

对 PP 关于 xx 积分得 x2y3−y2sin⁡xx^2y^3-y^2\sin x,再补上只含 yy 的 yy 使 uy=Qu_y=Q。

答案:π24\frac{\pi^2}4

练习 29李林 第十四章 习题 (10) · p374
设 f(x)f(x) 有二阶连续导数,f(0)=0f(0)=0,f′(0)=1f'(0)=1,曲线积分 ∫L[xe2x−6f(x)]sin⁡y dx−[5f(x)−f′(x)]cos⁡y dy\displaystyle\int_L\big[x\e^{2x}-6f(x)\big]\sin y\dx-\big[5f(x)-f'(x)\big]\cos y\dy 与路径无关,求 f(x)f(x)。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 列方程。Qx=PyQ_x=P_y:−[5f′−f′′]cos⁡y=[xe2x−6f]cos⁡y-\big[5f'-f''\big]\cos y=\big[x\e^{2x}-6f\big]\cos y,即 f′′−5f′+6f=xe2xf''-5f'+6f=x\e^{2x}。

cos⁡y\cos y 不恒为 0,两边约掉。

② 解二阶常系数方程。特征根 2、3;22 是单根,设 f∗=x(a0x+a1)e2xf^*=x(a_0x+a_1)\e^{2x},代入得 a0=−12, a1=−1a_0=-\frac12,\ a_1=-1。通解 f=C1e2x+C2e3x−x2(x+2)e2xf=C_1\e^{2x}+C_2\e^{3x}-\dfrac x2(x+2)\e^{2x}。

右边是 xe2xx\e^{2x},2 恰是一重特征根,特解要多乘一个 xx。

③ 定常数。f(0)=C1+C2=0f(0)=C_1+C_2=0,f′(0)=2C1+3C2−1=1f'(0)=2C_1+3C_2-1=1,得 C1=−2, C2=2C_1=-2,\ C_2=2。

两个初始条件定两个常数;特解那一项的导数[x2(x+2)e2x]′\big[\frac x2(x+2)\e^{2x}\big]' 在 0 处等于 1。

答案:f(x)=−2e2x+2e3x−x2(x+2)e2xf(x)=-2\e^{2x}+2\e^{3x}-\frac x2(x+2)\e^{2x}

练习 30李林 第十四章 习题 (11) · p374
设 f(x),g(x)f(x),g(x) 有连续导数,v=yf(xy) dx+xg(xy) dyv=yf(xy)\dx+xg(xy)\dy,且存在 u(x,y)u(x,y) 使得 du=v\dd u=v。(Ⅰ)求 f(xy)−g(xy)f(xy)-g(xy);(Ⅱ)若 f(x)=φ′(x)f(x)=\varphi'(x),求 u(x,y)u(x,y)。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① (Ⅰ) 列方程。∂∂y[yf(xy)]=∂∂x[xg(xy)]\dfrac{\partial}{\partial y}\big[yf(xy)\big]=\dfrac{\partial}{\partial x}\big[xg(xy)\big]:f+xyf′=g+xyg′f+xyf'=g+xyg'。令 s=xys=xy,s(f−g)′=−(f−g)s(f-g)'=-(f-g),所以 f(s)−g(s)=Csf(s)-g(s)=\dfrac Cs,即 f(xy)−g(xy)=Cxyf(xy)-g(xy)=\dfrac C{xy}。

存在原函数 ⟹ Qx=PyQ_x=P_y;把 f−gf-g 看成一个未知函数,是可分离变量方程。

② (Ⅱ) 求 uu。g=f−Cxyg=f-\frac C{xy},du=yφ′(xy) dx+xφ′(xy) dy−Cy dy=d[φ(xy)]−Cd(ln⁡∣y∣)\dd u=y\varphi'(xy)\dx+x\varphi'(xy)\dy-\frac Cy\dy=\dd\big[\varphi(xy)\big]-C\dd(\ln|y|),所以 u=φ(xy)−Cln⁡∣y∣+C0u=\varphi(xy)-C\ln|y|+C_0。

yφ′(xy) dx+xφ′(xy) dyy\varphi'(xy)\dx+x\varphi'(xy)\dy 正是 φ(xy)\varphi(xy) 的全微分。

答案:(Ⅰ) Cxy\frac C{xy};(Ⅱ) u=φ(xy)−Cln⁡∣y∣+C0u=\varphi(xy)-C\ln|y|+C_0

练习 31李林 第十四章 习题 (14) · p374
若 φ(y)\varphi(y) 有连续导数,φ(0)=0\varphi(0)=0,曲线 AB⌢\overset\frown{AB} 的极坐标方程为 r=a(1−cos⁡θ)r=a(1-\cos\theta),其中 a>0a>0,0≤θ≤π0\le\theta\le\pi,AA 与 BB 分别对应于 θ=0\theta=0 与 θ=π\theta=\pi,计算 I=∫AB⌢[φ(y)ex−πy] dx+[φ′(y)ex−π] dyI=\displaystyle\int_{\overset\frown{AB}}\big[\varphi(y)\e^x-\pi y\big]\dx+\big[\varphi'(y)\e^x-\pi\big]\dy。(4.3 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 补线用格林。AA 是原点,B(−2a,0)B(-2a,0)。补 xx 轴上的线段 BABA,围成上半个心形线区域 DD,逆时针。Qx−Py=φ′ex−(φ′ex−π)=πQ_x-P_y=\varphi'\e^x-(\varphi'\e^x-\pi)=\pi。

从原点沿心形线上半支走到 (−2a,0)(-2a,0),再沿 xx 轴回来,区域在左边。

② 面积。∬Dπ=π⋅12∫0πa2(1−cos⁡θ)2 dθ=π⋅3πa24\displaystyle\iint_D\pi=\pi\cdot\frac12\int_0^\pi a^2(1-\cos\theta)^2\dth=\pi\cdot\frac{3\pi a^2}4。

被积函数是常数 π\pi,二重积分就是 π\pi 乘面积,极坐标面积 12∫r2 dθ\frac12\int r^2\dth;∫0π(1−cos⁡θ)2 dθ=3π2\int_0^\pi(1-\cos\theta)^2\dth=\frac{3\pi}2。

③ 补线为 0。BABA 上 y=0y=0,∫−2a0φ(0)ex dx=0\displaystyle\int_{-2a}^0\varphi(0)\e^x\dx=0,所以 I=34a2π2I=\dfrac34a^2\pi^2。

补的线在 xx 轴上,被积式只剩 φ(0)ex dx\varphi(0)\e^x\dx,而题目给了φ(0)=0\varphi(0)=0。

答案:34a2π2\frac34a^2\pi^2

12.4第二型曲面积分与证明题

练习 32李林 第十四章 习题 (15) · p374
设 S:z=x2+y2 (0≤z≤1)S:z=x^2+y^2\ (0\le z\le1),取上侧,求 I=∬S(x+1) dy dz+z dx dyI=\displaystyle\iint_S(x+1)\dy\dz+z\dx\dy。(5.3 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 合一投影。上侧法向量 (−2x,−2y,1)(-2x,-2y,1),dydz=−2x dx dy\dd y\dd z=-2x\dx\dy:I=∬S[−2x(x+1)+z] dx dyI=\displaystyle\iint_S\big[-2x(x+1)+z\big]\dx\dy。

转换公式把  dy dz\dy\dz 换成 −zx dx dy-z_x\dx\dy。

② 投影计算。=∬x2+y2≤1[−2x2−2x+x2+y2] dx dy=∬(y2−x2) dx dy−0=0=\displaystyle\iint_{x^2+y^2\le1}\big[-2x^2-2x+x^2+y^2\big]\dx\dy=\iint(y^2-x^2)\dx\dy-0=0。

zz 换成 x2+y2x^2+y^2;−2x-2x 是奇函数;由轮换 ∬x2=∬y2\iint x^2=\iint y^2。

答案:0

练习 33李林 第十四章 习题 (16) · p374
设 SS 是曲面 z=1−x2−y2 (z≥0)z=1-x^2-y^2\ (z\ge0) 的上侧,计算 I=∬S2x3 dy dz+2y3 dz dx+3(z2−1) dx dyI=\displaystyle\iint_S2x^3\dy\dz+2y^3\dz\dx+3(z^2-1)\dx\dy。(5.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 补底面。补 S1:z=0, x2+y2≤1S_1:z=0,\ x^2+y^2\le1,取下侧,合起来是外侧。div⁡=6x2+6y2+6z\Div=6x^2+6y^2+6z。

曲面不封闭,补上底面才能用高斯公式:抛物面盖住单位圆盘。

② 高斯。6∫02π dθ∫01r dr∫01−r2(r2+z) dz=12π∫01[r3(1−r2)+r(1−r2)22] dr=12π(112+112)=2π\displaystyle6\int_0^{2\pi}\dth\int_0^1r\dr\int_0^{1-r^2}(r^2+z)\dz=12\pi\int_0^1\Big[r^3(1-r^2)+\frac{r(1-r^2)^2}2\Big]\dr=12\pi\Big(\frac1{12}+\frac1{12}\Big)=2\pi。

柱面坐标先对 zz 积分。

③ 减去底面。S1S_1 上 3(z2−1)=−33(z^2-1)=-3,下侧取负:∬S1=−∬(−3) dx dy=3π\iint_{S_1}=-\iint(-3)\dx\dy=3\pi。所以 I=2π−3π=−πI=2\pi-3\pi=-\pi。

补的底面是水平面,对 yOzyOz、zOxzOx 面投影为 0,水平底面只有  dx dy\dx\dy 项。

答案:−π-\pi

练习 34李林 第十四章 习题 (18) · p374
设 f(u)f(u) 有连续导数,SS 为 z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} 与两个半球面 z=1−x2−y2z=\sqrt{1-x^2-y^2},z=4−x2−y2z=\sqrt{4-x^2-y^2} 所围立体的全表面的外侧,计算 I=∯S[1y+3f(x+4y+3)+3xy2] dy dz+[1x+4f(x+4y+3)+3x2y] dz dx+z3 dx dyI=\displaystyle\oiint_S\Big[\frac1{y+3}f\Big(\frac{x+4}{y+3}\Big)+3xy^2\Big]\dy\dz+\Big[\frac1{x+4}f\Big(\frac{x+4}{y+3}\Big)+3x^2y\Big]\dz\dx+z^3\dx\dy。(5.4 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 散度里 f′f' 抵消。∂∂x[1y+3f]=f′(y+3)2\dfrac{\partial}{\partial x}\Big[\dfrac1{y+3}f\Big]=\dfrac{f'}{(y+3)^2},∂∂y[1x+4f]=−f′(y+3)2\dfrac{\partial}{\partial y}\Big[\dfrac1{x+4}f\Big]=-\dfrac{f'}{(y+3)^2},两项抵消;剩下 div⁡=3y2+3x2+3z2\Div=3y^2+3x^2+3z^2。

复合函数求导:x+4y+3\frac{x+4}{y+3} 对 xx 求导是 1y+3\frac1{y+3},对 yy 求导是 −x+4(y+3)2-\frac{x+4}{(y+3)^2}。

② 高斯 + 球面坐标。I=3∫02π dθ∫0π/4sin⁡φ dφ∫12ρ4 dρ=3⋅2π(1−22)⋅315=93π5(2−2)I=3\displaystyle\int_0^{2\pi}\dth\int_0^{\pi/4}\sin\varphi\dphi\int_1^2\rho^4\drho=3\cdot2\pi\Big(1-\frac{\sqrt2}2\Big)\cdot\frac{31}5=\frac{93\pi}5(2-\sqrt2)。

立体在锥面之内、两球面之间:φ≤π4\varphi\le\frac\pi4,1≤ρ≤21\le\rho\le2。

答案:93π5(2−2)\frac{93\pi}5(2-\sqrt2)

练习 35李林 第十四章 习题 (19) · p374
设 φ(y)\varphi(y) 有连续导数,在绕原点的任意分段光滑简单闭曲线 LL 上,曲线积分 ∮Lφ(y) dx+2xy dy2x2+y4\displaystyle\oint_L\frac{\varphi(y)\dx+2xy\dy}{2x^2+y^4} 的值恒为同一常数。(Ⅰ)证明:对右半平面 x>0x>0 内的任意分段光滑简单闭曲线 CC,有 ∮Cφ(y) dx+2xy dy2x2+y4=0\displaystyle\oint_C\frac{\varphi(y)\dx+2xy\dy}{2x^2+y^4}=0;(Ⅱ)求 φ(y)\varphi(y)。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① (Ⅰ) 思路。在 CC 上取两点 M,NM,N,用两条绕原点的闭曲线 MQNRMMQNRM、MQNPMMQNPM(一条经过 CC 的一半、另一条经过另一半)。两者积分相等,相减就是 ∮C=0\oint_C=0。

“绕原点的积分是常数”意味着换掉闭曲线的一段,积分不变;两条闭曲线只差 CC。

② (Ⅱ) 列方程。右半平面单连通,由(Ⅰ)Qx=PyQ_x=P_y:−4x2y+2y5(2x2+y4)2=2x2φ′+y4φ′−4y3φ(2x2+y4)2\dfrac{-4x^2y+2y^5}{(2x^2+y^4)^2}=\dfrac{2x^2\varphi'+y^4\varphi'-4y^3\varphi}{(2x^2+y^4)^2}。比较 x2x^2 的系数:φ′=−2y\varphi'=-2y;比较其余:y4φ′−4y3φ=2y5y^4\varphi'-4y^3\varphi=2y^5。

两边分母相同,分子作为 x2x^2 的多项式恒等。

③ (Ⅱ) 解出。φ=−y2+C\varphi=-y^2+C,代入第二式:−2y5−4Cy3+4y5=2y5-2y^5-4Cy^3+4y^5=2y^5,所以 C=0C=0,φ(y)=−y2\varphi(y)=-y^2。

由 φ′=−2y\varphi'=-2y 得到的通解里还有一个常数,代入另一个条件,两个条件一起定出常数。

答案:证明题。思路:两条绕原点的闭曲线只差 CC,积分相等所以 ∮C=0\oint_C=0;(Ⅱ)φ(y)=−y2\varphi(y)=-y^2

练习 36李林 第十四章 习题 (20) · p375
设 f(x,y)f(x,y) 有一阶连续偏导数,证明:对上半平面 y>0y>0 中的任意闭曲线 LL,都有 ∮Ly dx−x dyf(x,y)=0\displaystyle\oint_L\frac{y\dx-x\dy}{f(x,y)}=0 成立的充分必要条件是 f(tx,ty)=t2f(x,y)f(tx,ty)=t^2f(x,y) 对任意 t>0t>0 及上半平面中的任意点 (x,y)(x,y) 都成立。(4.5 节)
答案与提示先遮住,自己试 5 分钟

① 化成偏微分等式。上半平面单连通,闭路积分恒为 0 ⟺ Qx=PyQ_x=P_y:−f+xfxf2=f−yfyf2\dfrac{-f+xf_x}{f^2}=\dfrac{f-yf_y}{f^2},即 xfx+yfy=2fxf_x+yf_y=2f。

上半平面没有洞,可以用路径无关的四个等价命题;P=yfP=\frac yf,Q=−xfQ=-\frac xf。

② 充分性(齐次 ⟹ 等式)。f(tx,ty)=t2f(x,y)f(tx,ty)=t^2f(x,y) 两边对 tt 求导:xf1′+yf2′=2tf(x,y)xf_1'+yf_2'=2tf(x,y),令 t=1t=1 得 xfx+yfy=2fxf_x+yf_y=2f。

对 tt 求导用链式法则,t=1t=1 时回到原点处的偏导。

③ 必要性(等式 ⟹ 齐次)。令 g(t)=f(tx,ty)g(t)=f(tx,ty),g′(t)=xf1′+yf2′=1t⋅2f(tx,ty)=2tg(t)g'(t)=xf_1'+yf_2'=\dfrac1t\cdot2f(tx,ty)=\dfrac2tg(t),解得 g(t)=Ct2g(t)=Ct^2,g(1)=f(x,y)g(1)=f(x,y) 定出 CC,所以 f(tx,ty)=t2f(x,y)f(tx,ty)=t^2f(x,y)。

把等式用在点 (tx,ty)(tx,ty) 上,得到 gg 的一阶线性方程。

答案:证明题。思路:闭路积分为 0 ⟺ xfx+yfy=2fxf_x+yf_y=2f;对 f(tx,ty)=t2ff(tx,ty)=t^2f 关于 tt 求导得充分性,令 g(t)=f(tx,ty)g(t)=f(tx,ty) 解方程得必要性

12.5小结

练习用到的方法回看
三重积分(6 道)柱面、球面坐标,先二后一,对称与轮换1.3 节、1.4 节
第一型与应用(5 道)分段参数化、代入、奇偶、球冠面积2.3 节、7.2 节
第二型曲线积分(11 道)代入、格林、挖洞、换路径、原函数4.4 节、4.5 节
第二型曲面积分与证明(5 道)合一投影、补面高斯、闭路积分为 0 的等价条件5.5 节、4.5 节