D101對弧長和曲線積分[同濟大學高等數(shù)學課件

1、D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學第十章積分學 定積分二重積分三重積分積分域 區(qū)間域 平面域 空間域 曲線積分曲線積分曲線域曲線域曲面域曲面域曲線積分曲線積分曲面積分曲面積分對弧長的曲線積分對坐標的曲線積分對面積的曲面積分對坐標的曲面積分曲面積分曲面積分曲線積分與曲面積分 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學第一節(jié)一、對弧長的曲線積分的概念與性質(zhì)一、對弧長的曲線積分的概念與性質(zhì)二、對弧長的曲線積分的計算法二、對弧長的曲線積分的計算法機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 對弧長的曲線積分 第十章 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學AB一、對弧長的曲線積分的概念與性質(zhì)一、對弧長的曲線

2、積分的概念與性質(zhì)假設曲線形細長構(gòu)件在空間所占弧段為AB , 其線密度為),(zyx“大化小, 常代變, 近似和, 求極限” kkkks),(可得nk 10limM為計算此構(gòu)件的質(zhì)量,ks1kMkM),(kkk1.1.引例引例: 曲線形構(gòu)件的質(zhì)量采用機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學設 是空間中一條有限長的光滑曲線,義在 上的一個有界函數(shù), kkkksf),(都存在,),(zyxf上對弧長的曲線積分,記作szyxfd),(若通過對 的任意分割局部的任意取點, 2. .定義定義是定),(zyxf下列“乘積和式極限”則稱此極限為函數(shù)在曲線或第一類曲線積分.)

3、,(zyxf稱為被積函數(shù)， 稱為積分弧段 .曲線形構(gòu)件的質(zhì)量szyxMd),(nk 10limks1kMkM),(kkk和對機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學如果 L 是 xoy 面上的曲線弧 ,kknkksf),(lim10Lsyxfd),(如果 L 是閉曲線 , 則記為.d),(Lsyxf則定義對弧長的曲線積分為機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 思考思考:(1) 若在 L 上 f (x, y)1, ?d 表示什么問Ls(2) 定積分是否可看作對弧長曲線積分的特例 ? 否! 對弧長的曲線積分要求 ds 0 ,但定積分中dx 可能為負.D101對弧長

4、和曲線積分同濟大學高等數(shù)學3. 性質(zhì)性質(zhì)szyxfd ),() 1 (szyxfkd),()2(（k 為常數(shù))szyxfd),()3( 由 組成) 21, sd)4( l 為曲線弧 的長度),(zyxgszyxfd),(szyxgd),(szyxfkd),(l21d),(d),(szyxfszyxf機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學tttttfsdyxfLd)()()(, )(),(22二、對弧長的曲線積分的計算法二、對弧長的曲線積分的計算法基本思路基本思路:計算定積分轉(zhuǎn) 化定理定理:),(yxf設且)()(tty上的連續(xù)函數(shù),證證:是定義在光滑曲線弧

5、則曲線積分),(:txL,d),(存在Lsyxf求曲線積分根據(jù)定義 kknkksf),(lim10Lsyxfd),(機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學, ,1kkktt點),(kktttskkttkd)()(122,)()(22kkktnk 10limLsyxfd),(kkkt)()(22 )(, )(kkf連續(xù)注意)()(22tt設各分點對應參數(shù)為), 1 ,0(nktk對應參數(shù)為 則,1kkkttnk 10limkkkt)()(22 )(, )(kkf機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學xdydsdxyoLs

6、yxfd),(tttttfd)()()(),(22說明說明:, 0, 0) 1 (kkts因此積分限必須滿足!(2) 注意到 22)(d)(ddyxstttd)()(22x因此上述計算公式相當于“換元法”. 因此機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學如果曲線 L 的方程為),()(bxaxy則有Lsyxfd),(如果方程為極坐標形式:),()(: rrL則syxfLd),()sin)(,cos)(rrf推廣推廣: 設空間曲線弧的參數(shù)方程為)()(, )(),(:ttztytx則szyxfd),(ttttd)()()(222xx d)(12d)()(22rr

7、baxxf) )(,()(),(, )(tttf機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例1. 計算,dLsx其中 L 是拋物線2xy 與點 B (1,1) 之間的一段弧 . 解解:)10(:2xxyLLsxd10 xxxd)2(12xxxd4110210232)41 (121x)155(121上點 O (0,0)1Lxy2xy o) 1 , 1 (B機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例2. 計算半徑為 R ,中心角為2的圓弧 L 對于它的對稱軸的轉(zhuǎn)動慣量I (設線密度 = 1). 解解: 建立坐標系如圖,Rxy

8、oLsyILd2d)cos()sin(sin2222RRRdsin23 R0342sin22 R)cossin(3 R則 )(sincos:RyRxL機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例3. 計算,dsxIL其中L為雙紐線)0()()(222222ayxayx解解: 在極坐標系下它在第一象限部分為)40(2cos:1 arL利用對稱性 , 得sxILd414022d)()(cos4rrr402dcos4a222a,2cos:22arLyox機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例4. 計算曲線積分 ,d)(22

9、2szyx其中為螺旋的一段弧.解解: szyxd)(22220222)()sin()cos(t ktatattkakad202222202322223tktaka)43(3222222kakatktatad)cos()sin(222)20(,sin,costtkztaytax線機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例5. 計算,d2sx其中為球面 2222azyx被平面 所截的圓周. 0zyx解解: 由對稱性可知sx d2szyxsxd)(31d2222sa d312aa2312332asy d2sz d2機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧

10、長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學思考思考: 例5中 改為0)1()1(2222zyxazyx計算?d2sx解解: 令 11zZyYxX0 :2222ZYXaZYX, 則sx d2sXd) 1(2sXd2332a)131(22aasX d2sda2圓的形心在原點, 故0XaX22, 如何機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學d d s例例6. 計算,d)(222szyxI其中為球面22yx 解解: , 11)(:24122121zxyx:202)sin2(2)cos2(2)sin2(18d22920Id2cos221z. 1的交線與平面 zx292 z化為參數(shù)方

11、程 21cos2x sin2y則機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學例例7. 有一半圓弧cosRx ),0(其線密度 ,2解解:cosdd2RskFxdcos2Rksindd2RskFydsin2RkRRoxy0dcos2RkFx0dsin2RkFy0cossin2RkRk40sincos2RkRk2故所求引力為),(yx,sinRy 求它對原點處單位質(zhì)量質(zhì)點的引力. RkRkF2,4機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學內(nèi)容小結(jié)內(nèi)容小結(jié)1. 定義定義kkknkksf),(lim10szyxfd),(2. 性質(zhì)性質(zhì)k

12、knkksf),(lim10Lsyxfd),(szyxgzyxfd),(),() 1 (21d),(d),(d),()2(szyxfszyxfszyxf),(21組成由ls d)3( l 曲線弧 的長度)Lszyxfd),(),(為常數(shù)szyxgLd),(機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學3. 計算計算 對光滑曲線弧, )( , )(, )(:ttytxLLsyxfd),( 對光滑曲線弧, )()(:bxaxyLLsyxfd),(baxxf) )(,(),()(: rrLLsyxfd),()sin)(,cos)(rrf 對光滑曲線弧tttd)()(22

13、xx d)(12d)()(22rr)(),(ttf機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學思考與練習思考與練習1. 已知橢圓134:22yxL周長為a , 求syxxyLd)432(22提示提示:0d2sxyL原式 =syxLd)34(1222sLd12a12o22yx3利用對稱性sxyLd2sxyLd2上sxyLd2下x2xyd1222)(2xxyd1222分析分析:機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學2. 設均勻螺旋形彈簧L的方程為,sin,costaytax),20(tt kz(1) 求它關于 z 軸的轉(zhuǎn)動慣量;

14、zI(2) 求它的質(zhì)心 .解解: 設其密度為 (常數(shù)).syxILzd)(22202atkad222222kaa(2) L的質(zhì)量smLd222ka 而sxLd22kaa20dcostt0(1)機動 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學syLd22kaa20dsintt0szLd22kak20dtt2222kak故重心坐標為),0,0(k作業(yè)作業(yè)P131 3 (3) , (4) , (6) , (7)5 第二節(jié) 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 D101對弧長和曲線積分同濟大學高等數(shù)學xyo備用題備用題1. 設 C 是由極坐標系下曲線, ar 0及4所圍區(qū)域的邊界, 求seICyxd222)24(aeaa4xy 0yar 提示提示: 分段積