其中 是空间曲线 上的弧长微分.
1.1.2 性质
①线性性质
若在曲线 上有可积函数 , ,那么它们的线性组合
也可积,并且有:
.
②可加性
若一条曲线 可截成两段曲线 和 ,且函数 在曲线 , 上分别
可积,则在曲线 上也是可积的,那么有在整条曲线上的积分等于在各个子曲线上的积分和,即
.
同理,推广为有限段曲线也成立.
③保序性
设 , 是曲线 上的可积函数,若
, ,
则有
1.1.3 计算方法
1)公式直接计算法
若三文空间曲线 由参数方程
给出,且 都有可积导数, 在曲线 上连续,则根据弧长微分公式,就可以把曲线积分(1)化成定积分:
其中 是空间曲线 的弧长微分,即
或
此解法要求先将曲线方程化为参数方程,然后套用以上公式求解.
例 1 在螺旋线 的一段弧上,求曲线积分 .
2)变换参数法
在给定的曲线方程不便于计算时,则采用变换参数法将曲线方程表示为其他形式的参数方程.必要时可作变量替换,转化成其他参数形式进行计算.
例 2 计算 ,其中 是椭球面 与平面 的交线在第一卦限中连接点 与点 的一段.
析 恰当选择 的参数方程是解题的关键.
解 由方程组 ,消去 ,即得到曲线 在 面的投影曲线
,
该曲线的参数方程为
将此参数方程代入 中,则得到 在第一卦限的参数方程为
又因为 所以
.
3)对称性解题法
根据第一型曲线积分的定义,当积分曲线与被积函数二者都有对称性时,第一型曲线积分有如下结论:
对于第一型曲线积分 ,当 可分割成两对称的部分 和 ,且对称点上函数值 大小相等,符号相反,则根据有向性知 和 上的积分相互抵消,故 上积分为零;如果对称点上函数值 大小相等且符号相同,则 和 上的积分相等, 上的积分为 ( )上积分的两倍,故求 ( )上积分即可.
4)坐标旋转变换法
首先经过坐标旋转,将问题转化为另一个与之等价的问题,再按常规的方法计算.
坐标系下的线积分 坐标系下的线积分:
写出参数方程 套公式 计算定积分.
在新坐标系下,曲线的参数方程更简单.故可以适当的转化问题,从而获得简单的参数方程.
例 3 求 ,其中 是球面 与平面 的交线.(图 1.1.4)
解 易求得平面 的单位法向量为 ,则它与 轴的夹角余弦为 .下面分两步进行旋转,先将 平面旋转,得到新坐标系 ;再将 平面旋转 ,得到新坐标系 .即
.
由旋转公式得
, ,
, .
于是 ,
,
.
在这组变换下,曲线 变为 与 ,故
1.2第二型曲线积分
1.2.1 定义
设 是空间一条可求长的有向曲线,且每点都有切线.用 表示在点 处与曲线同向的单位切向量.设在曲线 上有定义且连续的向量值函数 .如果下述积分存在:
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