曲线积分

Curve Integral

一、第一类曲线积分(对弧长的曲线积分)

Line Integral with Respect to Arc Length
对弧长的曲线积分,标量场

曲线形构件的质量,利用弧微分转换为定积分的计算

基本定义

∫Lf(x,y)ds=limλ→0∑i=1nf(ξi,ηi)Δsi

L 为积分弧段

实际计算

{x=φ(t)(α≤t≤β)y=ψ(t)∫Lf(x,y)ds=∫αβf[φ(t),ψ(t)]φ′2(t)+ψ′2(t)dty=ψ(x)(x0≤x≤X)∫Lf(x,y)ds=∫x0Xf[x,ψ(x)]1+ψ′2(x)dxx=φ(y)(y0≤y≤Y)∫Lf(x,y)ds=∫y0Yf[φ(y),y]1+φ′2(y)dy
  1. 确定积分曲线的表达式
  2. 确定积分变量,以及积分变量的取值范围
  3. 被积函数换元,并确定弧微分 ds

二、第二类曲线积分(对坐标的曲线积分)

Line Integral with Respect to the Coordinate
第二类曲线积分 向量场

变力沿曲线所作的功

基本定义

∫LP(x,y)dx=limλ→0∑i=1nP(ξi,ηi)Δxi∫LQ(x,y)dy=limλ→0∑i=1nQ(ξi,ηi)Δyi

实际计算

转化为定积分进行计算

  1. 换元
  2. 确定积分限
  3. 换积分变量:利用弧微分

二维情形: x=φ(t),y=ψ(t)

∫LF(x,y)⋅dr=∫LP(x,y)dx+Q(x,y)dy=∫αβ{P[φ(t),ψ(t)]φ′(t)+Q[φ(t),ψ(t)]ψ′(t)}dt

三维情形:x=φ(t),y=ψ(t),z=ω(t)

∫ΓA(x,y,z)⋅dr=∫ΓP(x,y,z)dx+Q(x,y,z)dy+R(x,y,z)dz=∫αβ{P[φ(t),ψ(t),ω(t)]φ′(t)+Q[φ(t),ψ(t),ω(t)]ψ′(t)+R[φ(t),ψ(t),ω(t)]ω′(t)}dt

三、两类曲线积分之间的联系

∫LA⋅dr=∫LA⋅τds∫LPdx+Qdy=∫L(Pcos⁡α+Qcos⁡β)ds∫LPdx+Qdy+Rdz=∫L(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)ds