07高等数学竞赛培训班线面积分习题参考解答
线面积分整章
( )
例1 求I L yds,
y2 4x
其中L : y2 4x,从(1,2)到(1,2)一段.
解
I
2
y
1 ( y)2dy 0.
2
2
例3 求I xyzds, 其中 : x a cos , y a sin ,
z k的一段. (0 2)
( x , y , z ) x 2 y 2 z 2 ,求: 1、它关于Z 轴的转动惯量 I Z ；
2、它的重心 .
练习题答案
一、1、L ( x, y)ds； 2、L 的弧长 ；
3、弧长；
4、<.
二、1、ea (2 a) 2； 4
3、22a3 (1 22 )；
L P( x, y)dx Q( x, y)dy L P( x, y)dx Q( x, y)dy
即对坐标的曲线积分与曲线的方向有关.
三、对坐标的曲线积分的计算
定理 设P( x, y),Q( x, y)在曲线弧L上有定义且连
续,
L的参数方程为
x y
( t ), ( t ),
n
P(i ,i )xi的极限存在, 则称此极限为函
i 1
数 P( x, y)在有向曲线弧L上对坐标 x的曲线
积分(或称第二类曲线积分）, 记作
n
L
P(
x,
y)dx
lim
0
i 1
P ( i
,i
)xi
.
n
类似地定义
Q(
L
x,
y)dy
lim
0
i 1
Q(i
第11章 曲线积分与曲面积分习题解答(开放课程)
d
L
02
2
1 a2
cos
d
2
cos
d
2 0 2
2
1 2
a
2
2
sin
2
0
2sin 2
2
2a 2
3．计算 x2 y 2 ds ，其中 L 为曲线 x acos t t sin t ，y asin t t cos t， L
解：
xydx
1
y2 y
y2
dy
2
1 y 4dy 21 y 5 1
4.
L
1
1
5 1 5
8. 计算 x3dx 3zy 2dy x 2 ydz ，其中 L 是从点 A3,2,1 到点 B0,0,0的直线 L
段 AB 。
解：直线段 AB 的方程为 x y z ，化成参数方程为 x 3t ， y 2t ， z t ， 321
1x 0
1
x
2dx
2。
2．计算 x 2 y 2 ds ，其中 L 为圆周 x 2 y 2 ax 。 L
解：
L
的参数方程为
x
y
1 2 1 2
a cos a sin
1 2
a
， 0
2
则 x 2 y 2 1 a cos 1 a2 1 a sin 1 | a | 21 cos
0
ex
|0a
e
高等数学 习题册解答_11.线面积分(青岛理工大学)
第十一章 曲线积分与曲面积分 § 1 对弧长的曲线积分1设 L 关于x 轴对称，1L 表示L 在x 轴上侧的部分，当()y x f ,关于y 是偶函数时，()=⎰Lds y x f ,()⎰1,L ds y x f C. ()⎰-1,2L ds y x f D.ABC 都不对2、设L 是以点()()()()1,0,0,1,1,0,0,1--D C B A 为顶点的正方形边界,则⎰+Lyx ds =24 D. 223、有物质沿曲线L ：()103,2,32≤≤===t t z t y t x 分布，其线密度为,2y =μ，则它=m++1421dt t t t B.⎰++14221dt t t t C.⎰++1421dt t t D.⎰++1421dt t t t4．求,⎰Lxds 其中L 为由2,x y x y ==所围区域的整个边界解：()22155121241111+-=++⎰⎰xdx dy yy 5．,ds y L⎰其中L 为双纽线)0)(()(222222>-=+a y x a y x解：原积分=()()222sin 4sin 442022'2441-==+=⎰⎰⎰a d ad r r r ds y L χππθθθθθ6．⎰+Lds y x ,22 其中L 为()022>=+a axy x原积分=2222cos 2a adt t a ==⎰π7．,2⎰Lds x 其中L 为球面2222a z y x =++与平面0=-y x 的交线解：将y x =代入方程2222a z y x =++得2222a z x =+于是 L 的参数方程：ta z t a y t a x sin ,sin 2,cos 2===，又adt ds =原积分=⎰=ππ203222cos 2a adt t a 8、求均匀弧()0,sin ,cos ≤<∞-===t e z t e y t e x t t t 的重心坐标33,30===⎰∞-dt e M dt e ds tt，523cos 100==⎰∞-dt e t e Mx t t ，21,5100=-=z y§2 对坐标的曲线积分 一、选择题1.设L 关于x 轴对称，1L 表示L 在x 轴上侧的部分，当()y x P ,关于y 是偶函数 时，()=⎰Ldx y x P , A.0 B. ()⎰1,2L dx y x P C.()⎰-,2L dx y x P 都不对2．设L 为1=+y x 的正向，则=++⎰Ly x ydyxdx3．L 为222a y x =+的正向，=+--+⎰Ly x dyy x dx y x 22)()( A.2ππ C.0 D.π二、计算1．()()dy y x dx y x L⎰-++2222，其中L 由曲线()2011≤≤--=x x y 从()0,2A 到()0,0O 方向解：()1,1B 01:,:;12:,2:_______→=→-=x x y BO x x y AB=I =+⎰⎰_______BOAB ()()()()()()34122012212222-=++---+-+⎰⎰dx x xdx x x dx x x2．[]d y y x x xy y dx y x L)ln((2222+++++⎰ 其中L 是正向圆周曲线222a y x =+解： 由奇偶对称性022=+⎰Ldx y x ，L ：ππ→-==:,sin ,cos t t a y t a x=I ()()=++⎰-dt t a t t a dt t t acos 1ln cos sin cos sin 3224πππππ4cos sin 4224a dt t t a =⎰-3．()⎰Γ-+++dz y x ydy xdx 1其中为从点()1,1,1A 到()4,3,2B 的有向线段解：Γ方程：13,12,1+=+=+=t z t y t x ，=I ()136141=+⎰dt t三、过()0,0O 和()0,πA 的曲线族()0sin >=a x a y ，求曲线L 使沿该曲线从()0,0O 到()0,πA 的积分()()dy y x dx y L+++⎰213的值最小解：()()[]3033344cos sin 2sin 1a a dx x a x a x x a a I +-=+++=⎰ππ()()()0811,014''2'>=⇒=⇒=-=I a a a I 。
曲线曲面积分部分难题解答
曲线曲面积分部分难题解答1．（P201,第1题）计算下列标量函数的曲线积分（第一型曲线积分）： （ⅰ）⎰lxyds ，l 为抛物线x y 22=上从原点)0,0(O 到点)2,2(A 的弧⋂OA ；（ⅱ）()⎰+l ds yx 22，l 为联结点)0,0(O 、)0,2(A 和)1,0(B 的三角形围线；（ⅲ）⎰+lsd y x 22，l 为圆周()022>=+a ax y x ；（ⅳ）()⎰++l ds zy x 222，l 为螺线()0,sin ,cos >===b bt z t a y t a x 的 一段弧()π20≤≤t ；（ⅴ）⎰l zds ，l 为曲线()⎩⎨⎧>===0,2222a ax y z y x 上从点)0,0,0(O 到)2,,(a a a A 的一段弧.解：（ⅰ）[]2,0,,21:2∈⎪⎩⎪⎨⎧==y y y y x l ，.1122dy y dy dy dx ds +=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=所以dy y y y xyds l2221..21+=⎰⎰（令t y tan =） tdtt 332arctan 0sec .tan21⎰= ()t td t sec sec .tan21222arctan 0⎰=()()t td t sec sec .1sec21222arctan 0-=⎰()()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=315153155121sec 31sec 5121352arctan35|t t.15135515255315521+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=（ⅱ）解：()⎰+l ds yx 22⎰⎰⎰++=OAABOB()()3801.022222222==++=+⎰⎰⎰dx x dx xds y xOA;，其中：.20,,0:≤≤⎩⎨⎧==x xx y OA()()[]()dy y y ds y xAB21222221.22-++-=+⎰⎰().5354855102=+-=⎰dy y y其中：.10,,22,:≤≤⎩⎨⎧-==y y x y y AB()().3101.22212222==++=+⎰⎰⎰dy y dy yds y xBO，其中：.10,,0:≤≤⎩⎨⎧==y y y x BO所以.3535+=++=⎰⎰⎰OAABOBI（ⅲ）解法一：.20,sin 2,cos 22:π≤≤⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧=+=t t a y t a a x l()().2cos 2sin 22222dt a dt t a t a dt t y t x ds =⎪⎭⎫⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛-='+'=所以，()dt at a t a s d y x l2sin 4cos 1420222222⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=+π()dt t a⎰+=π202cos 124dt t a⎰=π20222sin2.24dt t a⎰=π2022sin2.22cos 22sin2202202|a t a t d t a=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎰ππ解法二：化l 为极坐标表示：().2,2,cos :⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∈=ππθθθa r l 则()().22,s i n .c o s s i n,c o s c o s :2πθπθθθθθθθ≤≤-⎩⎨⎧====a r y a r x l ()()()().sin cos 2222θθθθθad dt a a dt r r ds =-+='+=所以，()()[]θθθθππad a a s d y x l⎰⎰-+=+2222222sin cos cosθθππd a a ⎰-=2222cos .2sin 2cos 2220222|a a d a===⎰ππθθθ（ⅳ） ()()()()()dt b a dt b t a t a dt t z t y t x ds22222222cos sin +=++-='+'+'=()()()()[]dt b a bt t a t a ds z y x l2220222222.sin cos +++=++⎰⎰π()|203222220222223ππ⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=++=⎰t b t a b a dt t b aba[].433222222b a b a++=ππ2．（P201,第2题）设有某种物质分布在椭圆1:2222=+by ax l 上，其密度().,y y x =μ求它的总质量.解：不妨假设.b a >⎰⎰==14l lydsds y M ，其中.2,0,sin ,cos ;1⎥⎦⎤⎢⎣⎡∈⎩⎨⎧==πt t b y t a x l ()()()().cos sincos sin 22222222dt t b t a dt t b t a dt t y t x ds +=+-='+'=所以dt t b t a t b yds M l 222220cos sinsin 441+==⎰⎰π()dt t b a a t b 222220cos sin 4--=⎰π()()t d t b a a b cos cos 4202222⎰---=π()du u b a a b 222214---=⎰()du u b a a b 222214--=⎰duu ba aba b ⎰---=22222224π（公式）|102222222222222arcsin .2.4⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+---=u ba au ba au ba ab a b ()⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡--+---=21arcsin .2.42222222222ba aab a b a a b a b.arcsin..222222⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡+--=b ab a ba ab 3．（P202,第3题）设曲线l 的长度为L ，而函数f 在包含l 的某个区域内连续.证明：()().max .P f L dsP f lP l∈≤⎰证明：由第一型曲线积分的定义()()ini id ls P f dsP f ∆=∑⎰=→.lim1故()()ini id ls P f dsP f ∆=∑⎰=→.lim1()ini id s P f ∆=∑=→.lim1()ini id sP f ∆≤∑=→.lim1()ini lp d sP f ∆≤∑=∈→.m a x lim1().m a x .P f L lP ∈=4．（P202,第4题）从原点()0,0O 到点()2,1A 沿下列不同路径分别计算第二型曲线积分.⎰⋂-OAydx xdy（1）.⋂OA 为直线段；（2）.⋂OA 为抛物线22x y =上的弧；（3）.⋂OA 为从点()0,0O 经点()0,1B 到点()2,1A 的折线⋂OBA . 解： （1） .1~0:,,2:x xx x y OA ⎩⎨⎧==⋂[].022.1=-=-⎰⎰⋂dxx x ydx xdy OA（2）.1~0:,,2:2x x x x y OA ⎩⎨⎧==⋂[].323224.|10312==-=-⎰⎰⋂xdxx x x ydx xdy OA（3）.220=+=+=+⎰⎰⎰⋂OBBAOAydx xdy其中，.1~0:,.,0:x x x y OB ⎩⎨⎧==();000.1=-=-⎰⎰dxx ydx xdy OB其中，.2~0:,.,1:y y y x BA ⎩⎨⎧== ().20.12=-=-⎰⎰dyy ydx xdy BA5．（P202,第5题）计算曲线积分 .⎰+lxdy ydx（1）.l 为从点()0,a 点()0,a -的上半圆周()022>-=a xa y ；（2）. l 为从点()0,a 点()0,a -的直线段()0>a ； （3）. l 为逆时针方向的圆周.222a y x =+ 解： （1）.~0:,sin ,cos :πt t a y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l⎰⎰+-=+πcos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ22cos 02sin 2|02=πt a.（2）.~:,,0:a a x x x y l -⎩⎨⎧==().00.0=+=+⎰⎰-dxx xdy ydxaal（3）.2~0:,sin ,cos :πt ta y t a x l ⎩⎨⎧==()()()()[]dt t a t a t a t a xdy ydx l⎰⎰+-=+π20cos .cos sin .sin ==⎰dt t aπ2022cos 02sin 2|202=πt a.6．（P202,第6题）计算沿逆时针方向的圆周()222a y x =+的曲线积分 ()().22⎰+--+lyx dyy x dxy x解：π2~0:,.sin ,cos :t t a y t a x l ⎩⎨⎧==，所以，()()⎰+--+lyx dyy x dxy x 22()()()()dtat a t a t a t a t a t a ⎰---+=π202cos .sin cos sin sin cos.22022ππ-=-=⎰dt aa7．（P202,第7题）计算下列曲线积分，曲线的方向与参数增加方向： （ⅰ）()()dy xy y dx xy x l⎰-+-2222，l 为抛物线()112≤≤-=x x y ；（ⅱ）()()dy y x dx yx l ⎰-++2222，l 为折线()2011≤≤--=x x y ；（ⅲ）()dz x yzdy dx zy l ⎰-+-2222，l 的参数方程为().10,,3,2≤≤⎪⎩⎪⎨⎧===t t z t y t x ；解：（ⅰ）.1~1:,:2-⎩⎨⎧==x xy x x l()()dy xy y dx xy xl⎰-+-2222()()[]d x x x x xxx x⎰--+-=1124222..2.2[].151454324|10531142-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=-=⎰-x x dx x x （ⅱ）设点().0,1A 则()()dyyx dx y xL2222-++⎰()()dyyx dx y xOA2222-++=⎰()()dyyx dx y xAB2222-+++⎰其中 .1~0:,,:x x x x y OA ⎩⎨⎧==故()()()()[]d x xxxxdy yx dx y xOA⎰⎰-++=-++1022222222.32322|10312===⎰x dx x ;其中.2~1:,,2:x x x x y AB ⎩⎨⎧=-=故()()()()()()()[]d x x xx xdy yx dx y xAB⎰⎰---+-+=-++21222222221.22()().3232222|213212=-=-=⎰x dx x所以原式.343232=+=（ⅲ）()dz x yzdydx zy l ⎰-+-2222()[]d t t t t t ttt⎰-+-=102232643.2 (2)[].351527323|1571046=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-=⎰t t dttt8．（P202,第8题）设曲线l 的长度为L ，而函数()P f 在包含l 的某个区域内连续.证明：()).max ...P L d P f lP l∈≤⎰证明：设()()(){}.,21P f P f P f =由第二型曲线积分的定义及柯西不等式()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i iid ly P f xP f rd P f 121..lim.故()()()[]∑⎰=→∆+∆=ni i i iid ly P f xP f d P f 121..lim.()()[]∑=→∆+∆≤ni i i iid y P f xP f 121..lim()()()()2212221.limi i ni i i d y x P f P f ∆+∆+≤∑=→)()()221.limi ini id y x P ∆+∆=∑=→)()())⎰∑=→=∆+∆≤li ini d ds P y x P .max .max lim221)P L =m a .9．（P209,第1题）求下列曲面块的面积：（ⅰ）球面2222a z y x =++包含在圆柱面()a b b y x ≤<=+0222内的那部分面积；（ⅱ）圆锥面22yx z +=被圆柱面x y x 222=+截下的那一部分；（ⅲ）圆柱面222a y x =+被圆柱面222a z y =+截下的那一部分.解：（ⅰ）画出示意图222:b y x D xy ≤+. 将曲面方程化为:z ∑=2z zx y∂∂=-=-∂∂，所以，d S d x d d x d y==. 因此d x d yyx a a S S xyD ⎰⎰--==22222上 ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=-=⎰⎰|022022202.2122bbra a ra a r d r d πθπ极().422b a a a --=π（ⅱ）画出示意图x y x D xy 2:22≤+. 由曲面方程22:yx z +=∑，得,22yx x xz +=∂∂,22yx y yz +=∂∂，所以，,2122d x d y d x d y y z x z dS =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+=.因此().222π===⎰⎰xy D D S dxdy S xy（ⅲ）利用对称性（仅在第一卦限内计算）18S S =，曲面1∑（1∑为∑在第一卦限的那部分，其面积设为1S ）向yoz 面上的投影区域为222:a z y D yz ≤+. 将曲面1∑方程化为22ya x -=，则,22ya y yx --=∂∂,0=∂∂zx ，所以，d y d zya a d y d z z x yx dS 22221-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.因此d y d zya a S S yzD ⎰⎰-==22188 ⎰⎰--=22228ya a dz ya a dy .882a a d z a==⎰10．（P209,第2题）求下列曲面积分：（ⅰ）()⎰⎰++Sy x dS21，式中S 为四面体()1,0,0,0≤++≥≥≥z y x z y x 的表面；（ⅱ）()dS y x S⎰⎰+22，式中S 为圆柱体()h z a y x ≤≤≤+0,222的表面；（ⅲ）()dS z y x S⎰⎰++，式中S 为球面()2222a z y x =++的表面.解：（ⅰ）.4321S S S S S +++= 其中,0:1=z S dxdy dS =1，()()()dy y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++110222111111dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-101010211111|()212ln 211ln 2111|1010-=-+=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎰x dx x ；,0:2=x S d y d z dS =2，()()()dz y dy dydz y y x dSyD S yz⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++1102221101112()()dy y y dy y y⎰⎰⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=+-=102102111211()2ln 11ln 12||110-=+-+-=y y；,0:3=y Sd z d x dS =3，()()()dzx dx dzdx x y x dSxD S zx⎰⎰⎰⎰⎰⎰-+=++=++1102221101113()()dx x x dx x x⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+=+-=10212111211 ()2ln 11ln 12||1010-=+-+-=x x；,1:4y x z S --= d x d ydS 34=，()()()dz y x dx dxdy y x y x dSxD S xy⎰⎰⎰⎰⎰⎰-++=++=++101022211311314dx x dx y x x ⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-1011021113113|().212ln 33211ln 321113|110⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+=⎪⎭⎫⎝⎛-+=⎰x dx x；所以()⎰⎰++Sy x dS21()+++=⎰⎰121S y x dS()+++⎰⎰221S y x dS()⎰⎰++321S y x dS ()⎰⎰++421S y x dS()()().32ln 2213212ln 32ln 12ln 1212ln +-=⎪⎭⎫ ⎝⎛-=-+-+⎪⎭⎫ ⎝⎛-=（ⅱ）.321S S S S ++=其中,0:1=z S d x d y dS =1，()()r d r r d d x d y y xdS y xaD S xy.420222221⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ24a π=；,:2h z S = d x d y dS =2，()()r d r r d d x d y y xdS y xaD S xy.420222222⎰⎰⎰⎰⎰⎰=+=+πθ24a π=；,:2223a yx S =+其向yoz面上的投影区域为⎩⎨⎧≤≤-≤≤.,0:a y a h z D yz . 将曲面3S 方程化为22y a x -±=，则,22ya y yx --=∂∂,0=∂∂zx ，所以，d y d z ya a d y d z z x yx dS 22221-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+=.因此()()d y d zya a yya dS y xyzD S ⎰⎰⎰⎰-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-=+222222322.23⎰⎰-=-haadz ya dy a22312..2arcsin433|h a ayh a aπ==或者()..22..32232233h a ah a dS a dS y xS S ππ===+⎰⎰⎰⎰所以()⎰⎰++Sy x dS21()++=⎰⎰122S dSyx()++⎰⎰222S yx()dSy xS ⎰⎰+322().22223344h a ah a a a+=++=ππππ （ⅲ）由积分区域的对称性，及被积函数的奇偶性知，显然()dS z y x S⎰⎰+++=⎰⎰dSx SdS y S⎰⎰().0=+++⎰⎰dS z y x S11．（P210,第3题）证明泊松公式()()d uc b a uf dS cz by ax f S⎰⎰⎰-++=++112222π其中S 为球面0,1222222>++=++c b a z y x ，f 为连续函数.证明：取新的空间直角坐标系Ouvw ，其中原点不变，使坐标平面Ouvw 与平面=++cz by ax 重合，并使Ou 轴垂直于平面0=++cz by ax .则有其实根据坐标系Ouvw 选取方法的描述，我们不难看出Ou 轴上的单位向量就可取作平面0=++cz by ax 的单位法线向量.则 222cb a cz by ax u ++++=（1）（注意到，显然222cb a cz by ax u ++++=为点()z y x P ,,到平面0=++cz by ax 的距离）.则()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222显然在新坐标系下，球面的形状并未改变（仍记为S ），且它的方程应为 1222=++w v u （2） （因为在新的坐标系下，任何一个球面上的点到原点的距离仍然为1.）由（2）式可得： ()22221u w v -=+ （3）当u 固定时，（3）式其实就表示垂直于Ou 轴平面上的一个圆周. 进一步，我们把S 化为参数方程表示：.20,11,sin 1,cos 1,22πθθθ≤≤≤≤-⎪⎩⎪⎨⎧-=-==u u w u v u u,1='uu ,cos 12θuu v u --=';sin 12θuu w u--=',0='θu ,sin 12θθu v --='.cos 12θθu w -='于是，;112222uw v u E u u u-='+'+'=;0...=''+''+''=θθθw w v v u u F u u u.12222u w v u G -='+'+'=θθθ因此， 曲面的元素dS =dudv = （4）故()dS cz by ax f S⎰⎰++()d S c b a u f S⎰⎰++=222()d u c b a u f d ⎰⎰-++=πθ2011222().211222⎰-++=du cb a u f π12（P210,第4题）设某种物质均匀分布在球面2222a z y x =++上（认为分布密度1=ρ）.求它对于oz 轴的转动惯量. 解：由公式 ()dSy xJ S⎰⎰+=22由对称性()dSy x J S ⎰⎰+=1228其中2221:yx a z S--=，则2z z x y∂∂=-=-∂∂，所以，d S d x d d x d y==. 因此()d x d yy x a a y x S S xyD ⎰⎰--+==222221.88 r d r ra rd a a.8022220⎰⎰-=πθ极()r d r r a aara a.4022222⎰-+-=πr d r r a a a.4022⎰--=πr d rra aa.140223⎰-+π()22022.2ra d r a a a--=⎰π()220223.12ra d ra a a---⎰π()|232232.2araa -=π|2232.2ara a --π434aπ-=44aπ+ .384a π=13（P217,第1题）沿圆锥面()122≤=+z yx S的下侧，求曲面积分S d r S.⎰⎰，其中{}.,,z y x r =解：⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdyydzdx xdydzS d r .化为第一型曲面积分计算.S 的向下的法向量{}⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++=-''=1,,1,,2222yx y yx x z z n y x，所以{}.c o s ,c o s ,c o s21,2,22222γβα=⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧-++==yx yyx x n 故⎰⎰⎰⎰++=SSzdxdyydzdx xdydzSd r . ()⎰⎰++=SdSz y x γβαcos .cos .cos .⎰⎰⎪⎪⎪⎭⎫⎝⎛-+++=SdSz yx y yx x222222222⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=SdS z y x 2222（根据第一型曲面积分的计算方法） ⎰⎰=⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-+=xy D dxdy y x y x .0222222214（P217,第2题）沿椭球面1222222=++cz by ax 的外侧，求曲面积分.⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Sz dxdy y dzdx xdydz解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，222211:by ax c z S --=（上侧）；222221:by ax c z S ---=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为.1:2222≤+by ax D xy故dxdyby ax c zdxdy xyD S ⎰⎰⎰⎰--=2222111作变量代换： ⎩⎨⎧==.s i n,c o s θθbr y ar x由二重积分的换元法drabrd rc dxdy by ax c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111.其中 ()()abr br b ar a y ry xrx r y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,10:πθr D所以=⎰⎰1S zdxdy drabrd rc dxdy by ax c D D xyθ⎰⎰⎰⎰'-=--222221111dr r r d cab ⎰⎰-=πθ201211dr r rd cab ⎰⎰-=πθ201211所以，().212111|12212πππcab rcabrd rcab =⎥⎦⎤⎢⎣⎡--=---=⎰（1）同理 dxdy by ax c zdxdy xyD S ⎰⎰⎰⎰----=2222112.2112222πcab dxdy by ax c xyD =--=⎰⎰（2）所以=⎰⎰Szdxdy +⎰⎰1S zdxdy .42πcab zdxdy S =⎰⎰（3）由轮换对称性，知：πa bc x dzdy S4=⎰⎰；.4πbac ydzdx S=⎰⎰故⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++Sz dxdy y dzdx xdydz +=⎰⎰Szdxdy +⎰⎰Sxdzdy ⎰⎰Sydzdx+=πc ab4πabc4().44222222ac c b b a abc b ac ++=+ππ15（P217,第3题）沿球面()()()2222R c z b y a x =-+-+-的外侧，求曲面积分.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x解：把S 分割为21,S S 两个部分.其中，()()2221:b y a x R c z S ----+=（上侧）；()()2222:b y a x R c z S -----=（下侧）.21,S S 向xoy 面上的投影区域均为:xy D ()()222R b y a x ≤-+-故()()dxdy b y a x R c dxdy zxyD S ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+=222221作变量代换：⎩⎨⎧+=+=.s i n ,c o sθθr b y r a x由二重积分的换元法()()[]r d r rR c d x d y b y a x R c D D xy⎰⎰⎰⎰'-+=⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+2222222.其中 ()()r r r y ry xrx r y x J =-=∂∂∂∂∂∂∂∂=∂∂=θθθθθθθcos sin sin cos ,,⎩⎨⎧≤≤≤≤'.20,0:πθR r D所以=⎰⎰12S dxdy z[]rdr rR c D 222⎰⎰'-+()drr rR c d R⎰⎰-+=πθ20222()rdr rR c R2222⎰-+=π()r dr r R rR c c R⎰-+-+=02222222πrdr r R c rdr c RR⎰⎰-+=0222222ππ()rdr r RR⎰-+0222π()()|||0222023220222132.222R RR r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=πππ.2344322R cRRc πππ++=（1）同理()()dxdy b y a x R c dxdy z xyD S ⎰⎰⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡------=222221[]rdr rR c D 222⎰⎰'---=()dr r rR c d R⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡---=πθ20222()rdr rR c R2222⎰---=π()r dr r R rR c c R⎰-+---=02222222πrdr r R c rdr cR R⎰⎰-+-=0222222ππ()rdr r RR⎰--0222π()()|||0222023220222132.222R RR r R r R c r c ⎥⎦⎤⎢⎣⎡-+⎥⎦⎤⎢⎣⎡--⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-=πππ.2344322R cRRc πππ-+-=（2）所以=⎰⎰Sdxdy z 2+⎰⎰12S dxdy z 32382cRdxdy z S π=⎰⎰； （3）由轮换对称性，知：=⎰⎰Sdydz x 2338aRπ；=⎰⎰Sdzdx y 2.383bR π故.222⎰⎰++Sdxdy z dzdx y dydz x⎰⎰=Sdydzx2⎰⎰Sdzdxy 2⎰⎰Sdxdyz2().383c b a R ++=π16（P217,第4题）设S 为长方体()c z b y a x ≤≤≤≤≤≤0,0,0的表面.沿外侧求曲面积分⎰⎰Sxyzdxdy解：把S 分割为654321,,,,,S S S S S S 六个部分. 其中()b y a x c z S ≤≤≤≤=0,0:1的上侧； ()b y a x z S ≤≤≤≤=0,00:2的下侧； ()c z b y a x S ≤≤≤≤=0,0:3的前侧； ()c z b y x S ≤≤≤≤=0,00:4的后侧； ()c z a x b y S ≤≤≤≤=0,0:5的右侧； ()c z a x y S ≤≤≤≤=0,00:6的左侧.注意到除21,S S 外，其余四片曲面在xoy 面上的投影为零，因此=⎰⎰Sxyzdxdy+⎰⎰1S xyzdxdy⎰⎰2S xyzdxdy⎰⎰=xyD xycdxdy⎰⎰-xyD dxdyxy 0.c b a yd y x d x c ab.422⎰⎰==17（P225第1题）利用格林公式计算下面的曲线积分（l 的方向为正方向）： （ⅰ）()dy xy dx y x l22+-⎰，l 为圆周()222a y x =+；（ⅱ）()()dy y x dx y x l--+⎰，l 为椭圆⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=+12222b ya x ； （ⅲ）()xdy dx y l+-⎰，l 为曲线()1=+y x ；（ⅳ）()()dy y y e dx y e x lx sin cos 1---⎰，l 为区域().sin 0,0x y x D <<<<π；18（P225第2题）求()()dy m y e dx my y eI xxL-+-=⎰cos sin ，（m 为常数）其中l 是自点()0,a A 经过圆周()022>=+a ax y x 的上半部分到点O(0,0)的半圆 周.（提示：作辅助线后用格林公式）.解：cos ,cos xxP Q e y m e y yx∂∂=-=∂∂.所以，由格林公式：221...428A OO A D DQ P a dxdy m dxdy m m a x y ππ⋂⎡⎤∂∂+=-===⎢⎥∂∂⎣⎦⎰⎰⎰⎰⎰⎰. 所以，2220.888AOOAma ma ma I πππ⋂==-=-=⎰⎰（因为，⎰⎰==OAadx 0.00）19（P225第5题）设函数()x f 在正半轴()0>x 上有连续导数()x f '且().21=f 若 在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有 ()043=+⎰dy x xf ydx x l求函数().x f解：()y x y x P 34,=，()()x xf y x Q =,都是右半平面上的连续函数，由于在右半平面内沿任意闭合光滑曲线l ，都有 ()043=+⎰dy x xf ydx xl故有xQ yP ∂∂=∂∂即()()x f x x f x '+=34 化简，得()()241xx f xx f =+' （1）（1）为一阶线性微分方程，其通解为()⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎰⎰=⎰-c e x e x f dx xdx x 1214[]()cdx xx c e x e x x +=+=⎰⎰-3ln 2ln 414().1134xcx c xx+=+=（2）代入条件()21=f ，得 .1=c故().13x x x f +=20（P226第6题）设D 是以光滑曲线l 为正向边界的有界闭区域，而函数()y x u u ,= 在闭区域D 上具有连续的二阶偏导数且记 2222yu xuu ∂∂+∂∂=∆证明：⎰⎰⎰∆=∂∂Dludxdy ds nu其中()()y n yu x n xu nu ,cos ,cos ∂∂+∂∂=∂∂表示函数()y x u u ,=沿边界曲线l 外法线方向的方向导数.证明：设τ为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos τ、()y ,cos τ，则 有()()y x n ,,τ=，()().,,x y n τπ-= 故()()y x n ,c o s ,c o s τ=，()().,cos ,cos x y n τ-=()()ds x y u y xu ds nul l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系）dx yu dy xul⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u y x u x=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂=⎰⎰Ddxdy y u x u 2222.⎰⎰∆Dudxdy21（P226第7题）在第6题的假设和记号下，证明：.22ds nu uudxdy u dxdy y u x u D lD⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂证明：仿上题 ()()ds x y uy xu u ds nu ul l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ（由两型曲线积分之间的联系） dx yu udy xu ul⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u u y x u u x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=Ddxdy y u u y u y u x u u x u x u 2222....dxdy y ux u u dxdy y u x u DD⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰222222udxdyu dxdy y u x u DD∆+⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=⎰⎰⎰⎰22移项，即得 .22ds nu uudxdy u dxdy y u x u D lD⎰⎰⎰⎰⎰∂∂+∆-=⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂22（P227第8题）格林第二公式 若函数()y x u u ,=和()y x v v ,=都满足第6题中的假设，证明： dsvun v n udxdy vuv u lD⎰⎰⎰∂∂∂∂=∆∆证明：我们有 ()()ds x y u y xu v ds nu vl l⎰⎰⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂,cos ,cos ττ （由两型曲线积分之间的联系）dx yu vdy xu vl⎰∂∂-∂∂=（格林公式）⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂-⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂=Ddxdy y u v y x u v x ⎰⎰⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂+∂∂∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+∂∂∂∂=Ddxdy y u v y u y v x u v x u x v 2222....⎰⎰⎰⎰⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDdxdy y u x u v dxdy y v y u x v x u 22.. ...⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDudxdy v dxdy y v y u x v x u （1）由轮换对称性，知 dsnv ul⎰∂∂ ...⎰⎰⎰⎰∆+⎪⎪⎭⎫⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=DDvdxdy u dxdy y v y u x v x u （2）于是ds n v u n uv ds vun v n ul l⎰⎰⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∂∂=∂∂∂∂⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂=⎰⎰⎰⎰DDudxdy v dxdy y v y u x v x u ..⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂∂∂+∂∂∂∂-⎰⎰⎰⎰DD vdxdy u dxdy y v y u x v x u ..()⎰⎰∆-∆=Ddxdyv u u v .dxdy vuv u D⎰⎰∆∆=23（P227第9题）计算高斯(Gauss)积分 ()(b a I ⎰=,其中l 为简单（光滑）闭合曲线，r 为不在l 上的点()b a ,到l 上动点()y x ,的向量，而n 为l 上动点()y x ,处的法向量.解：设τ为曲线l 的正向的切线向量，其方向余弦为()x ,cos τ、()y ,cos τ，则 有()()y x n ,,τ=，()().,,x y n τπ-= 又设()(){}y n x n n ,cos ,,cos 0= ，{}b y a x r --=,，则()()()()()()().,c o s .,c o s .,c o s ,c o s 2200b y a x y n b y x n a x n r n r -+--+-==⎪⎭⎫ ⎝⎛= 故(()()()()()().,cos .,cos .22b y a x y n b y x n a x -+--+-=()()()()()()()[]ds y n b y x n a x b y a x b a I l ,cos ,cos .1,22-+--+-=⎰()()()()()()[]ds x b y y a x b y a x l,cos ,cos .122ττ----+-=⎰()()()().22⎰-+----=l b y a x dx b y dya x记 ()()(),,22b y a x by y x P -+---=()()().,22b y a x ax y x Q -+--=则()()()(),2222b y a x a x b y yP -+-----=∂∂()()()().2222b y a x a x b y x Q -+-----=∂∂它们在xo y 平面内除点 ()b a ,外处处连续，且.0=∂∂-∂∂yP xQ（一）若点()b a ,在l 所包围的区域D 外，原式=0；（二）若点()b a ,在l 所包围的区域D 内，以点()b a ,为中心作一个充分小的圆()()).0(:222>=-+-εεεb y a x l 取逆时针方向，使之完全包含在l 为边界的区域内.记介于εl 和l 之间的区域为'εD . 则在'εD 由格林公式可得：)()()()⎰-+----lb y a x dxb y dy a x 22()()()()⎰-+-----εl b y a x dx b y dy a x 22.0⎰⎰'=⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂∂-∂∂=εD dxdy y P x Q所以，()()()()⎰-+----=l b y a x dx b y dya x I 22()()⎰---=εεl dxb y dy a x 2()()⎰---=εεl dx b y dy a x 21（格林公式）()()ππεεεεε2.22112222===⎥⎦⎤⎢⎣⎡∂-∂-∂-∂=⎰⎰⎰⎰DD dxdy dxdy y y b x a x .24（P227第10题）利用斯托克斯公式重新计算积分（例3） ()()(),⎰-+-+-=ldz y x dy z x dx y z I 其中l 是曲线⎩⎨⎧=+-=+.2,122z y x y x方向为从oz 轴正方向往负方向看去是顺时针方向. 解一：由斯托克斯公式d x d y yx zx yz z y x d x d y d z d x d y d z 2=---∂∂∂∂∂∂.取∑为平面2=+-z y x 上由椭圆所围成的那一小块曲面.（取下侧），因此{}1,1,1-=n ,.31,33,33⎭⎬⎫⎩⎨⎧-=n ） ()()()dSdxdy dz y x dy z x dx y z I l⎰⎰⎰⎰⎰∑∑-=-=-+-+-=3122.2.23.312⎰⎰⎰⎰-=-=-=xyxyD D dxdy dxdy π解二：（直接计算）()()()⎰⎰⎰∑=-+-+-=dxdydz y x dy z x dx y z I l2其中，.1:22≤+y x D xy所以，.22π-=-=⎰⎰dxdy I xyD .25（P238第1题）下面的向量场是否为保守场？若是，并求位势:u(){};sin cos 2,sin cos 2122y x x y x y y x f --=解：（1）这里()x y y x y x P sin cos 2,2-=，().sin cos 2,2y x x y y x Q -=因为xQ x y y x yP ∂∂=--=∂∂sin 2sin 2，()2,R y x ∈所以{}y x x y x y y x f sin cos 2,sin cos 222--=是定义在全平面上的保守场.所以，()+-dx x y y x sin cos22()dyy x x y sin cos 22-是某一个函数()y x u ,的全微分.故可取()()()()()dyy x x y dx x y y x y x u y x sin cos 2sin cos 2,2,0,02-+-=⎰()()dyy xx y dx x x yx⎰⎰-+-=0202sin cos 2sin 00cos 2[]||0222c o s c o s yx yx x y x++=()[]2222c o s c o s xy x x yx -++=.cos cos 22y x x y +=则，所求的位势为().cos cos ,22c y x x y c y x u ++=+(){}.sin ,cos ,222z y ex z xef yy--=--解：这里()()().sin ,,,cos ,,,2,,2z y z y x R e x z z y x Q xez y x P yy-=-==--。
线面积分的计算
— 把曲面积分域投影到相关坐标面
思考题
1) 二重积分是哪一类积分?
答: 第一类曲面积分的特例.
2) 设曲面 问下列等式是否成立?
不对 ! 对坐标的积分与 的侧有关
2. 基本技巧 (1) 利用对称性及重心公式简化计算
注意公式使用条件 (2) 利用高斯公式 添加辅助面的技巧
(辅助面一般取平行坐标面的平面)
3(5). 计算
其中L为上半圆周
沿逆时针方向.
提示: P e x sin y 2 y, Q e x cos y 2 P Q x e cos y 2, e x cos y y x
用格林公式:
I
L AB D 2
y
AB
L
2d x d y 0
D
经典例题
线面积分的计算
一、 曲线积分的计算法 二、曲面积分的计算法
一、曲线积分的计算法
1. 基本方法 曲线积分 第一类 ( 对弧长 ) 第二类 ( 对坐标 ) 用参数方程 转化 定积分
(1) 选择积分变量
用直角坐标方程
用极坐标方程 第一类: 下小上大 第二类: 下始上终
(2) 确定积分上下限
练习题: P184
D
O
1 D
1x
12 dxd y
D
24
D 的形心
x y0
二、曲面积分的计算法
1. 基本方法
第一类( 对面积 ) 曲面积分 第二类( 对坐标 )
转化
二重积分
(1) 选择积分变量 — 代入曲面方程
第一类: 始终非负 (2) 积分元素投影 第二类: 有向投影
(3) 确定二重积分域
y
07高等数学竞赛培训班线面积分习题参考解答.doc
2007年爲务紅兮菴赛培训班线面积分练习题参考解答2006.5.13一•填空题（每小题3分，共15分）1 •设厶为椭圆手+召=1，其周长为Q ， 解:贞（2xy 2+ 3x 2+ 4y 2心=巾 2xy 2ds + 血（3x 2+ 4y 2）dy =0 4-也 则 j (2 卩 2 + 3x 2 + 4b )d5= 12° L 2•设27:x + y + z=l,则Jj(x + |^|)dS =JA /3 ・L解：JJ(x + A|)dS = Hxd5 + JJ[41SJI 2As = 1 2Q •<4加iX+ M +》|)dS 二胡 dS二制x 2+(y+l)2<2Wl + z ：+zfdrd 尸制Vjdxd 尸耳再・1・1 =扌屁%丫2 + / + 2 二 R 23 •密度为仏的均匀金属丝厂:X 十V 十〜—K 对于兀轴的转动惯量x+尹十z=04 =細）尿・解：—也3+门“亦=訓厂（++尸+才）“佔時“尼血论詁疋.2欣=扌“（）兀7?'・4 •设厶：宀（卩+ 1）2二2xdy-ydx x 2十尹2 +2尹十3-7T5.设X:z = -y]l-x 2-y 2,贝!j / = jj x 2dydz + cos ydzdx + zdxdy =3 71解：/ = JJ x 2dydz+ JJ cos ydzdx + JJ zdxdy = 0 + 0 - jj -^X-x 2 -y 2dxdy =i^-评注：对于第二类线、面积分也可利用对称性简化计算，但要注意①不能就组合积分整体使用，要分成单个积分进行；②与Riemann积分的对称性的结论刚好相反，例如光滑曲面刀关于x = 0（即yOz平面）对称（包括侧也对称），则有0, 若伪x的偶函数，⑵dj也二2j“（xj,z）dWz,若f为x的奇函数.L刀半③也可利用轮换对称性。
二.选择题（每小题3分，共15分）（将正确选项的代号填在括号内）1 •设曲线积分\c xy2dx^y（p（x）dy与路径无关，其中0（x）有连续的导数，且0(0) = 0 ,贝叮(:;xy2dx + y(p(x)dy等于(A)l・(B) 0・(C) 21. (D)|.(::xy2dx + y(p(x)dy = J； w(0)dy + [兀• F dx = 0 + * = £ 2.设S:x2+/+z2=l 解:(沦0)，5是S在第一卦限中的部分，则有(A) 口xdS = 4JJ xdS ・(B) jj ydS = 4 jj xdS ・S S] S S](C) JJ zdS = 4jj xdS ・(D) jj xyzdS = 4JJ xyzdS ・答：(C )S S\ S S\解：因为S :x2 + y2 -\-z2 =1 （z > 0）关于x = 0对称，关于尹=0也对称，且兀和入；yz 都是x的奇函数、尹是尹的奇函数，于是U xdS = 0, jj xyzdS = 0, jj>d5 = 0 , s s s {B 4jj xdS > 0,4JJ xyzdS > 0 ,故（A）、（B）、（D）都不对•事实上，将JJzdS S] S| s 视为密度〃 =z时$的质量，则显然有Jjzd5 = 4jj zdS ,再由x,y,z在S】上S S|的轮换对称性有Jj zdS = 4口zdS = 4口xdS・S S] S]3•设Z = {（x,j；?z）|x2+/+z2=^2},在以下四组积分中，一组的两个积分同时为零的是（A） x2dS,^j* x2dvdz ・（B）前xdS,曲Xdpdz ・E2•外z（C）前xdS,曲xdydz ・（D）前xydS,前ydzdx・答：（B ）解：因为2'关于x = 0 （即yOz 平面）对称，x 和卩是x 的奇函数，而F 是x 的xydS = 09 x 2dS = 2[Jf x 2dS =；£ 乞半而第二类曲面积分xdydz = 2 xdydz = 2 jj yjR 2-y 2-z 2dydz =,/ 第 y 2+z 2<R 2有前 ydzdx = 2 前 ydzdx -4•设曲线厶:/（x,^） = l （/（x,y ）具有一阶连续偏导数）过第II 象限内的点M 和 第IV 象限的点N,厂为厶上从点M 到点N 的一段弧，则下列积分少于零的是(A) J 厂/Cr,y)d¥ ・(C) J 厂/(x 』)d5・(B) \r f(x,y)Ay ・(D) J 厂./；(s)dr + /：(x 』)dp ・ 答：(B)解：J 厂/(x,，)& = ]*厂& = J dx 〉0,不选(A)；J./(兀J )dy =(厂dp = J dx<0,选(B)； J 厂 f(x,y)d5 = J 厂ch > 0,不选(C)；J 厂 /：(x ，y)^ + f ；(x, y)dy = J 厂 df(x,y) = J ： df(x 9 y) = = 1-1 =0, 不选(D)・5 •设 Z :z = x 2+ y 2(z < 1), D xv :x 2+ y 2< \ ,则 jj zdydz 可化为二重积分 (B) jj(x 2+y 2) (-2x)dxdy ・%，偶函数，故第一类曲面积分皿(A) || (x 2+ 尸)• 2xdxdy ・(C) ^(x 2+y 2)-2ydxdy.5(D) jj(x 2+y 2)-(Lrdy.因为⑪血二cosodS二空陞dx® （—般地有业二气 =3屯），而“cosy " cos a cos p cosy 解：X:z = x2 +y2 (z < 1)的外侧即下侧，故dydz = -z^dxdy = -2xdxdy 9所以JJ zdydz = -jj (x2 +y2)- (-2x)dxdy = JJ (x2 + 才)• 2xdxdy ・三. （本题 6 分）计算/ = [jj/ -z 2）dx + （2z 2 -x 2）dj ； + （3x 2 -y 2）dz ,其中厶是平 面x + y + z = 2与柱面|x| + |y| = l 的交线，从z 轴正向看去，厶为逆时针方向.解：设》为平面x + j ； + z = 2上由厶所围成部分的上侧，久是》在xQy 面上的投影域，则》的法向量的方向余弦为COSQ 二COS0二cosy 二洽, D xy : |x| +1_y| < 1, 27 的曲面面积元素dS = y/3dxdy.由 Stokes 公式，得 左/ (y 2- z? )dx + (2z 2- x 2)dy + (3x 2- y 2)dz£ ds 二 + J](-8x -4y-6z)dSz V 3三学口 (4x + 2p + 3z)dS 二乎JJ (兀一尹 + 6)>/3dxdj ； "3 z "3 J =-2 0 + 0 + j]6drdy =-12-(A /2)2 =-24. 另解：将其化为平面曲线积分.记厶在面上的投影曲线为C,则C:x + y=l,取逆时针方向，C 所域记为2*•因为z-2-x-y , dz = -dx-dy ,故原积分可化为见[一4兀$ + 牡 + 4尹 一 2xy + j/2]dx + [-2x 2 -Sx-Sy- +4.ry + 3j^2 ]dy恪林公式=Jj(-2x + 2j/-12)cLrdy = 0 + 0-12jjdxdy = -24. S ・ D巧四. （本题6分）求密度为“°的均匀半球壳Z:z = ylR 2-x 2-y 2对于z 轴的转动 惯量.2 2y-zd_2Z 2-X 2I=\^[y 2-(2-x-y)2]dx + [2(2-x-y)2-x 2]iy- (3x 2- y 2)dx - (3x 2- y 2)dy解：/严口（工+尸）角辽二“。
高等数学(微积分)竞赛工科类试题整理1
浙江和江苏试题2007浙江省高等数学(微积分)竞赛试题(解答)一.计算题（每小题12分，满分60分） 1、求9⎰.解: 9551155==⎰⎰⎰111111555u t u du=+-==-⎰⎰⎰312222155u u C=-+Cx x ++-+215235)1(52)1(152。
2、求1120(1)(12)limsin xxx x x x→+-+.解:1111220(1)(12)(1)(12)limlimsin x xx xx x x x x x xx→→+-++-+=11022201ln(1)1ln(12)lim (1)(12)(1)(21)2x xx x x x x x x x x x x →⎧⎫⎡⎤⎡⎤++=+--+-⎨⎬⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎣⎦⎩⎭ 0112220(1)ln(1)2(21)ln(12)lim (1)(12)(1)2(21)x xx x x x x x x x x x x x x →⎧⎫⎡⎤⎡⎤-++-++=+-+⎨⎬⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎣⎦⎩⎭ 1122200(1)ln(1)2(21)ln(12)lim (1)lim (12)(1)2(21)x x x x x x x x x x x x x x x x →→⎡⎤⎡⎤-++-++=+-+⎢⎥⎢⎥++⎣⎦⎣⎦22(1)ln(1)2(21)ln(12)limlim2x x x x x x x x e e xx→→-++-++=-00ln(1)2ln(12)lim lim24x x x x e e x x→→-+-+=-22e e e =-+=.3、求p 的值,使22007()()0b x p ax p edx ++=⎰.解: 222007()2007()t x pbb p x p ta a px p e dx te dt =+++++=⎰⎰被积函数是奇函数, 要积分为零, 当且仅当积分区间对称,即:a pb p +=--,解得:2a b p +=-.4、计算2222max{,}00,(0,0)abb x a y dx edy a b >>⎰⎰. 解: 22222222max{,}max{,}00abb xa yb x a y Ddx e dy ed σ=⎰⎰⎰⎰, 其中D 如右图2222222212max{,}max{,}b x a y b x a y D D ed ed σσ=+⎰⎰⎰⎰222212a yb xD D ed ed σσ=+⎰⎰⎰⎰2222ab b ya xa yb xb a dy edx dx edy=+⎰⎰⎰⎰2222b aa yb xa b yedy xedxba=+⎰⎰2222222211()()22b a a yb xed a y ed b x ab ab=+⎰⎰221(1)a beab=-.5、计算2()Sx y dS+⎰⎰,其中S 为圆柱面224,x y +=解: 2221()()2SSSx y dS x y dS ydS +=++⎰⎰⎰⎰⎰⎰142SSdS ydS =+⎰⎰⎰⎰ 8yzD π=+⎰⎰8yzD π=+⎰⎰8π=被积函数关于y 是奇函数,积分区域关于z 对称,二、(20分)设1211211212345632313nun n n=+-++-+++--- ,111123n v n n n=+++++ ,求: (1)1010u v ;(2)lim n n u →∞.解: (1)111232313nn k u k k k=⎛⎫=+- ⎪--⎝⎭∑ 1211211212345632313n n n=+-++-+++--- ,23111111nnnn k k k v n kkk=====-+∑∑∑111111111111123456323132n n n n n ⎛⎫⎛⎫=+++++++++++-+++ ⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭31111121132313nn nn n k k k u v k k k k k ===⎛⎫-=+--- ⎪--⎝⎭∑∑∑11211033nnk k k k k ==⎛⎫=---= ⎪⎝⎭∑∑ 1n vu v ⇒=;(2)111lim lim lim 123n n n n n u v n n n →∞→∞→∞⎛⎫==+++ ⎪++⎝⎭11111lim 1221111n k nn n n n n →∞⎛⎫⎪=+++ ⎪ ⎪++++⎪⎝⎭(图来说明积分上下)2111lim1nn k k nn→∞==+∑201ln 31dx x==+⎰.三、(满分20分)有一张边长为4π的正方形纸(如图),C 、D 分别为A A '、B B '的中点，E为D B '的中点，现将纸卷成圆柱形，使A 与A '重合，B与B '重合，并将圆柱垂直放在xOy 平面上，且B 与原点O 重合，D 若在y 轴正向上，求：（1） 通过C ，E 两点的直线绕z 轴旋转所得的旋转曲面方程； （2） 此旋转曲面、xOy 平面和过A 点垂直于z 轴的平面所围成的立体体积.解:C EL :22224x y z π--==--旋转曲面上任意取一点(,,)M x y z则000(,,)N x y z 的坐标为：0002222z x z y z z ππ-⎧=+⎪⎪⎪=+⎨⎪=⎪⎪⎩，(0,0,)Q zM Q N Q ===化简得：所求的旋转曲面方程为：222282zxy π+-=，（2）(0,0,4)A π，故过(0,0,4)A π垂直z 轴的平面方程为：4z π=BDB 'Ex令0x=，解得在坐标面yo z上的曲线方程为：22282zyπ-=，图中所求的旋转体的体积为：24V dzππ⎛=⎝⎰24282zdzπππ⎛⎫=+⎪⎝⎭⎰242322zdzπππ=+⎰222321283233πππ=+=.四、(20分) 求函数2222(,,)x yzf x y zx y z+=++,在222{(,,)14}D x y z x y z=≤++≤的最大值、最小值.解：222222222222222()2()222(,,)()()xx x y z x x yz xy xz xyzf x y zx y z x y z++-++-'==++++2222232222222222()2()2(,,)()()yz x y z y x yz zx z yx y zf x y zx y z x y z++-++--'==++++2222232222222222()2()2(,,)()()zy x y z z x yz yx y zx z yf x y zx y z x y z++-++--'==++++由于,x y具有轮换对称性,令x y=, 0x=或0y z==解得驻点: (0,,)y y或(,0,0)x对22221(0,,)2x yzf y yx y z+==++, 2222(,0,0)1x yzf xx y z+==++,在圆周2221x y z++=上,由条件极值得:令2222(,,)(1)F x y z x yz x y zλ=++++-(,,)220xF x y z x xλ'=+=8=(,,)20y F x y z z y λ'=+=(,,)20z F x y z y z λ'=+= 222(,,)10F x y z x y z λ'=++-=解得:(0,)22,(0,)22-,(0,22--,(0,22-,(1,0,0),(1,0,0)-1(0,,222f =,1(0,222f -=-,1(0,,222f --=,1(0,)222f -=-,(1,0,0)1f =,(1,0,0)1f -=;在圆周2224x y z ++=上,由条件极值得:令2222(,,)(4)F x y z x yz x y z λ=++++-(,,)220x F x y z x x λ'=+=(,,)20y F x y z z y λ'=+=(,,)20z F x y z y z λ'=+= 222(,,)40F x y z x y z λ'=++-=解得:(0,,(0,,(0,,(0, ,(2,0,0),(2,0,0)-12f =,1(0,2f =-,1(0,2f =,1(0,2f =-,(2,0,0)1f =,(2,0,0)1f -=;2222(,,)x yz f x y z x y z+=++,在222{(,,)14}D x y z x y z =≤++≤的最大值为1,最小值为12-.五、(15分)设幂级数0n n n a x ∞=∑的系数满足02a =,11n n na a n -=+-,1,2,3,n = ,求此幂级数的和函数.证明：0()nn n S x a x∞==∑1111111()(1)n n n nn n n n S x naxaxn x∞∞∞----==='⇒==+-∑∑∑()nnnnn n n ax nxS x nx ∞∞∞====+=+∑∑∑而()1200011(1)nn nn n n n n x nxx nxx xx x x x x ∞∞∞∞-====''⎛⎫⎛⎫'=====⎪ ⎪--⎝⎭⎝⎭∑∑∑∑,即:2()()(1)x S x S x x '-=- 一阶非齐次线性微分方程---常数变易法,求()()0S x S x '-=的通解:()xS x ce=,令()()x S x c x e =代入2()()(1)xS x S x x '-=-得:2()()()(1)xxxx c x e c x e c x e x '+-=-,即:()211()(1)111x x x x xxe c x dx xe dx xe dx x e xx x ---'⎛⎫'==⋅=-⎪----⎝⎭⎰⎰⎰()11xxxxxexee dx ec xx ----=+-=++--⎰故2()()(1)x S x S x x '-=-的通解为:1()11x x x xxe S x e c e ce x x --⎛⎫=++⋅=+ ⎪--⎝⎭,由于(0)0S =,解得1c =-, 故0n n n a x ∞=∑的和函数1()1xS x ex=--.六、(15分)已知()f x 二阶可导,且()0f x >,[]2()()()0f x f x f x '''-≥,x R ∈,(1) 证明:2121212()(),,2x x f x f x f x x R+⎛⎫≥∀∈ ⎪⎝⎭.(2) 若(0)1f =,证明(0)(),f x f x e x R'≥∈.证明: (1) 要证明2121212()(),,2x x f x f x f x x R+⎛⎫≥∀∈ ⎪⎝⎭,只需证明1212121111ln()ln ()ln ,,2222f x f x f x x x x R⎛⎫+≥+∀∈ ⎪⎝⎭,也即说明()ln()F x f x =是凹函数,[]()ln()()f x f x f x ''=,[][]22()()()()ln ()0()()f x f x f x f x f x f x f x ''''-'⎛⎫''==≥ ⎪⎝⎭, 故()ln ()F x f x =是凹函数, 即证.(2)2()()(0)(0)2F F x F F x xξ'''=++[]222()()()(0)ln (0)(0)2()x f x f x f x f f x x f f x ξ='''-'=++(0)f x'≥,即:(0)(),f xf x ex R'≥∈.2008浙江省高等数学(微积分)竞赛试题(解答) *一.计算题1、求xxx x x ee e sin13203lim ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++→.解:xxxxx xxx x x e e e e e e s i n1320s i n1320331lim 3lim ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+++=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++→→xee e x xeee ee e xxxx xxxxxx xxxee e e sin 13sin 133320323232lim 3lim ⋅++→⋅++⋅++→=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++=2cos 3320032lim e exeee x xxx==⋅++→。
曲线积分与曲面积分习题答案.pdf
解： Dxy {( x, y) | x y 1, x 0, y 0} ， z 1 x y ， dS 3dxdy
原式 = (2 x y 2(1 x y)) 3dxdy
D xy
13 3(
x
1 x2)dx
53
02
2
6
1
1x
3 dx (2 y) dy
1．利用斯托克斯公式计算下列曲线积分：
(1) x 2 y3dx dy zdz ， 为 xOy 面内圆周 x2 y 2 a 2 逆时针方向；
解：取 为平面 z 0的下侧被 围成的部分， D 为 在 xOy 面上的投影
区域。 由 Stokes 公式，得
dydz dzdx dxdy
原式 =
x
y
z
x2 y3 1
x 2 ydx xy2 dy ，其中 L 为 x2 y 2 6x 的上半圆周从点 A(6,0)
L
到点 O (0,0) 及 x 2 y 2 3x 的上半圆周从点 O(0,0) 到点 B(3,0) 连成的弧
AOB；
uuur 解：连直线段 AB，使 L 与 BA 围成的区域为 D，由 Green 公式，得
第十一章 曲线积分与曲面积分
第三节 Green 公式及其应用
1．利用 Green 公式，计算下列曲线积分：
(1) xy 2dy x2 ydx ，其中 L 为正向圆周 x2 y 2 9 ；
L
解：由 Green 公式，得
?xy2dy x2 ydx
L
(x2
y2 )dxdy
2
2d
0
D
3 r 3dr
线面积分与级数复习题及答案
第四章：曲线积分与曲面积分习题一、填空题1、设L 为单位圆周x 2+y 2=1在第一象限的部分，则曲线积分 xyds L = 12 。
3、已知P x,y =x 2+y 2,要使得 Pdx +Qdy L 与积分路径无关，则Q(x,y)=2xy 。
4、设P x,y 与Q(x,y)在平面单连通区域G 内具有连续一阶偏导数，则P x,y dx +Q(x,y)dy 在G 内为某个函数的全微分的充要条件是∂P∂y =∂Q ∂x。
6、设L:x 2+y 2=R 2，方向为逆时针方向，利用格林公式计算 （−x 2y ）dx L +xy 2dy = 12πR 4。
7、平面单连通区域G 内曲线积分 Pdx +Qdy L 与路径无关的一个充要条件是∂P ∂y =∂Q ∂x。
8、设L 是抛物线y =x 2从(0,0)到(2,4)的一段弧，则对坐标的曲面积 (x 2− y 2L )dx = −5615 。
9、设其中曲线C 为x 2+y 2=1沿正向，则曲线积分 xdy −ydx x +y C=2π。
10、设向量场F x,y,z =xy 2i +x 2yj −x 2+y 2k ,则散度div F = x 2+y 2。
二、计算题;11、计算曲线积分 xds L ，其中L 为 y =x 2−1上介于x=0与x=1之间的一段弧。
解： xds L = x 1+4x 210dx =5 5−112。
12、 （x +y +z ）ds Γ ，其中Γ:x =2cost,y =2sint ,z =t ,t ∈[0,π] 。
解： （x +y +z ）ds Γ= 2cost +2sint +t 5dt =52π0(8+π2)13、已知Σ是z =x 2+y 2上z ≤1的部分曲面，计算 1+4z ΣdS 。
解： 1+4z ΣdS = (1+4x 2+4y 2)Ddxdy =3π 14、证明：沿任何分段光滑的闭曲线L ，有 cosy +ycosx L )dx + sinx −xsiny dy =0 证明：因为P(x,y)=cosy +ycosx , Q(x,y)= sinx −xsiny , 所以有∂P∂y =∂Q ∂x，故得证。
2007年浙江省数学分析竞赛试题及答案
2007浙江省第六届数学分析竞赛试题一．计算题 1. 求951x dx x +⎰.解：原式()55215x d x =+⎰()232211553t dt t t C ⎛⎫=-=-+ ⎪⎝⎭⎰. 2. 求()()1120112limsin xxx x x x→+-+.解：令()()11xf x x =+，则原式()()002lim limsin x x f x f x xx x→→-=()()()0lim 22x f x f x →''=-()()()()()()00002lim lim 2lim 2lim 2x x x x f x f x f x f x f x f x →→→→''=-()()()()002lim 2lim 2x x f x f x e e f x f x →→''=-()()limx f x e f x →'=-()()2001ln 11lim lim 1x x x x x e x x →→-++=-+()0ln 1lim22x x ee x →-+=-=.3. 求p 的值，使()()220070bx p ax p edx ++=⎰.解：情形一，当a b =时，p 的值可以任意取；情形二，当a b ≠时，做变换t x p =+，则 原式左边22007b pt a pt e dt ++=⎰，因为被积函数是奇函数，故当()a p b p +=-+时，即2a b p +=-时，有()()220070b x p a x p e dx ++=⎰. 4. 设(),x ∀∈-∞+∞，()0f x ''≥，且()201x f x e-≤≤-，求()f x 的表达式.解：（1）由()2011x f x e-≤≤-<，知()f x 有界；（2）下证()0f x '=，(),x ∀∈-∞+∞.假若存在()0,x ∈-∞+∞，使得()00f x '≠，则()()()()()()2000012f x f x f x x x f x x ξ'''=+-+- ()()()000f x f x x x '≥+-，若()00f x '>，则()()()()000f x f x f x x x '≥+-→+∞，()x →+∞，这与()f x 有界矛盾；若()00f x '<，则()()()()000f x f x f x x x '≥+-→+∞，()x →-∞，这与()f x 有界矛盾，因此()00f x '=，(),x ∀∈-∞+∞，()f x C =，(),x ∀∈-∞+∞；（3）由()00010f e ≤≤-=，知()00f =，因此()0f x =，(),x ∀∈-∞+∞.5. 计算()2Sxy dS +⎰⎰，其中S 为柱面224x y +=，()01z ≤≤.解：方法一 因圆柱面224xy +=，()01z ≤≤的参数方程为2c o s 2s i nx uy u z v =⎧⎪=⎨⎪=⎩， 故2dSEG F dudv =-，其中2224u u u E x y z =++=，0u v u v u v F x x y y z z =++=，2221v v v G x y z =++=， 于是()()122224cos 2sin Sxy dS dv u u du π+=+⎰⎰⎰⎰()2224cos 2sin u u du π=+⎰20cos21882u du ππ-==⎰.方法二 注意到对称性()22SSx y dS x dS +=⎰⎰⎰⎰()2212Sx y dS =+⎰⎰()1144221822S dS ππ==⋅⋅⋅⋅=⎰⎰. 二．设1211211212345632313nu n n n=+-++-+++--- ， 111123n v n n n=+++++ ，求（1）1010u v ，（2）lim n n u →∞.解：（1）因为111111232n u n n ⎛⎫=+++-+++ ⎪⎝⎭，111111232n v n n ⎛⎫=+++-+++ ⎪⎝⎭， 故n n u v =，因此10101u v =， （2）方法一 2111lim lim lim 1n n n n n n k u v k n n→∞→∞→∞===+∑()22001ln 1ln31dx x x ==+=⎡⎤⎣⎦+⎰.方法二 利用111ln 2n n c nε+++=++ ，其中lim 0n n ε→∞=，()()3lim lim ln3ln n n n n n u n c n c εε→∞→∞⎡⎤=++-++⎣⎦()3lim ln3n n n εε→∞=+- ln3=.三．有一个边长为4π的正方形纸（如图），C 、D 分别为AA '、BB '的中点，E 为DB '的中点.现将纸卷成圆柱形，使A 与A '重合，B 与B '重合，并将圆柱垂直放在xoy 平面上，且B 与原点O 重合，D 落在y 轴正向上.求：（1）通过C ，E 两点的直线绕z 轴旋转所得的旋转面方程； （2）此旋转面、xoy 平面和过A 点垂直于z 轴的平面所围成的立体体积. 解：()0,0,0B ，()0,4,4C π，()0,4,0D ，()2,2,0E ，通过()0,4,4Cπ和()2,2,0E 两点的直线l 方程为22224x y z π--==-，即22z x π=-，22zy π=+， （1）通过C ，E 两点的直线l 绕z 轴旋转所得的旋转面方程为22222222z z x y ππ⎛⎫⎛⎫+=-++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，即222282z x y π+=+； （2）此旋转曲面()222228z x y π=+-，xoy 平面0z=和过A 点垂直于z 轴的平面4z π=所围成的立体体积为22224082z x y V dxdydz dzdxdy ππΩ+≤+==⎰⎰⎰⎰⎰⎰242082z dz πππ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭⎰432086z z πππ⎛⎫=+⎪⎝⎭ 222321283233πππ=+=.四．求函数()2222,,x yz f x y z x y z+=++，在(){}222,,:14D x y z x y z =≤++≤上的最大值和最小值.解：解法一 令cos x ρϕ=，cos sin y ρθϕ=，sin sin zρθϕ=，则()222221,,1sin 21sin 2x yz f x y z x y z θϕ+⎛⎫==+- ⎪++⎝⎭， 其中[]0,ϕπ∈，[],θππ∈-，因()311sin 21222g θθ-≤=-≤-，且32-，12-分别是()1sin 212g θθ=-的最小值和最大值， 故()2222,,x yz f x y z x y z +=++在D 上的最小值和最大值为别为31122⎛⎫+-=- ⎪⎝⎭，101+=.解法二 由()()22221122y z yz y z -+≤≤+， 得()()22222222213112222x y z x x yz x y z x -+++≤+≤+++， ()222222212x y z x yz x y z -++≤+≤++， ()1,,12f x y z -≤≤， 且等号能达到，(),0,01f x =，()10,,2f y y -=-，故()2222,,x yz f x y z x y z +=++在D 上的最小值和最大值为别为12-，1. 五．求11limnk n k n n knC →∞=+-∑. 解：记11n n kk n n kx nC =+-=∑， ()()()22212!3!4!10112n x n n n n n n n n≤=+++++---()212!12n n n n ≤+-+()441n n n=-<， 故11lim0nk n k n n knC →∞=+-=∑. 六．证明：24cos 21x x x ≤-++，20,4x π⎡⎤∈⎢⎥⎣⎦.证明：只要证()224cos 21x x x +≤+，20,4x π⎡⎤∈⎢⎥⎣⎦.该不等式等价于222cos 2cos 21x x x +≤，20,4x π⎡⎤∈⎢⎥⎣⎦，即222cos 2sin 2x x x ≤，20,4x π⎡⎤∈⎢⎥⎣⎦，令2tx =，则只要证 sin cos tt t≤，0,2t π⎡⎫∈⎪⎢⎣⎭， 为此，作()sin ,cos t f t t t =-0,2t π⎡⎫∈⎪⎢⎣⎭则()31cos cos 12t t f t +'=-，0,2t π⎡⎫∈⎪⎢⎣⎭因此()31cos cos 12t t f t +'=-311cos 110cos cos t tt≥⋅-=-≥，0,2t π⎡⎫∈⎪⎢⎣⎭ 于是当02t π≤<时，()()sin 00cos tf t t f t=-≥=.结论得证.。
高等数学同济第七版7版下册习题全解
数，故/, = Jj( x2 + y1)3d(j = 2jj(x2+ y1) 3dcr.fh i)i又由于D3关于;t轴对称，被积函数(/ +r2)3关于y是偶函数，故jj(x2+j2)3dcr=2j(x2+y2)3da=2/2.Dy 1)：从而得/, = 4/2.(2)利用对称性来计算二重积分还有以下两个结论值得注意：如果积分区域关于^轴对称，而被积函数/(x,y)关于y是奇函数，即fix, -y)= -f(x,y) ,P Jjf/(x,y)da =0；D如果积分区域D关于：K轴对称，而被积函数/(x，y)关于：c是奇函数，即/(~x,y)=-/(太，y)，则=0.D«3.利用二重积分定义证明：(1)jj da=(其中(7为的面积)；IJ(2)JJ/c/( X ,y)drr =Aj|y’(A:，y)do■(其中A：为常数)；o n(3 ) JJ/( x,y)clcr = JJ/( x,y)drr + jJ/( x ,y) dcr ,其中 /) = /)! U /)2，，A 为两个I) b\ lh尤公共内点的W K域.证(丨)由于被枳函数./U,y)=1,故山二t积分定义得n"jj'ltr = Hm y^/( ,rji) A<r, = lim ^ Ac,=l i m cr= a.A—0n(1)Ji/(x,j)(Ic7=lim^i)1n=A lim y/(^(,i7,)A(7-,=k \\f{x,y)Aa.A-°台•{!(2)因为函数/U，y)在闭区域/)上可积，故不论把£»怎样分割，积分和的极限总是不变的.因此在分割D时,可以使和/)2的公共边界永远是一条分割线.这样fix.y)在A U D2上的积分和就等于&上的积分和加D2上的积分和，记为^/(^, ,17,) A CT, = ^/( ^, , 17,) A CT, + ^/(^, ,17,) A CT,./)(U0, ", l)：令所有的直径的最大值A-0,上式两端同时取极限，即得Jf(x,y)i\a=j j f(x,y)d a+J J/(x f y)d a.p,un} V, n；Sa4.试确定积分区域/)，使二重积分][(1-2x2-y2)d«l y达到最大值.I)解由二重积分的性质可知，当积分区域/＞包含了所有使被积函数1 -2.v2 -V2 大于等于零的点，而不包含使被积函数1 -2/ -y2小于零的点，即当£»是椭圆2/ +y2 = l 所围的平面闭区域时，此二重积分的值达到最大.& 5.根据二重积分的性质，比较下列积分的大小：(1)Ju+y)2山7与J[U，其中积分区域D是由x轴、^轴与直线A+.、=D I)1所围成；(2)J(x+7)2如与■，其中积分区域0是由圆周(.r-2)2+(.v-l)2=t) n2所围成；(3)I'm A；+y)(l o r与!"[I n(X+y)]2(1(7，其中Z＞是三角形闭K域，三顶点分别为l)"(1，0)，(1，1)，(2,0);(3)J p n(:r+y)d c r与I n(:t+y)]2f W，其中/)=|(.r,.v)|3，0彡、彡1 .i) i)解(1)在积分K域0上，故有(x + j) 3 ^ (x + y) 2.根据二重积分的性质4，可得J(.r + y) \lrx ^ J (.\ + v)0D由于积分区域0位于半平面| (A:，V) | .V+ •、彡1 1内，故在/)|:&(.f + y) 2彡(A + y) 3•从『("• J( v + ＞ )：drr ^ jj ( x + y) \l f r.(1)由于积分区域D位于条形区域1U，y)|1彡1+7彡2丨内，故知区域/)上的点满足0彡InU+y)彡1，从而有[lnU+y)]2彡lnU+.y).因此j j[l n(a:+y)]2(J o-^+y)d(2)由于积分区域/)位于半平面丨(x，y) | .v+y彡e|内，故在Z)上有l n(x+y)彡1，从而：I n(-v+)')]2彡I n(:c+)').因此Jj^ 1 n(.r + y) ] 2dcr ^ Jln( x + y) da.i) a3 6.利用二重积分的性质估计下列积分的值：(1) / = |^7(文+7)心，其中/)= \ (x ,y) 1,0 1|；n(2)/=j^sin^sin^do■，其中/)=j(A:,y)|0^^^TT,0^y^TT1;i)(3)/= J*(A：+y + l)d(7,其中/>= { {x,y) |0^x^l,0^j^2[；it(4)/=J(x2 +4y2 +9)do•，其中D= \{x,y) \x2 +y2 ^ 4|.I)解(1)在积分区域D上，0矣;<:矣1,0英y矣1,从而0矣巧•(*+y)矣2•又£»的面积等于1,因此(2)在积分区域/)上，0矣sin J:矣1,0^sin1，从而0彡sin2A：sin2y彡1，又0的面积等于TT2,W此(3)在积分K域"上有\^x+y +\«4,/)的而积等于2,因此(4)W为在积分K域/>»上有0矣;t2+y2苳4,所以有9^+4r2+9^4( x2+y2)+9矣25.34I)的酣枳等于4TT，W此36TT^[[(x2+4/+9)(Ur^lOO-ir.二重积分的计算法.^1.计算下列二甩积分:可编辑l<3x 十2) ;dcr ，其中"是由两坐标轴及直线-X - + v = 2听围成的闭区域； b ( 3 J jj( x J + 3x 2 \ + v 3 ) da ，其中 D = ( x , v ) 0 ^ A : ^ 1 .0 ^ v ^ 1 ； u ( 4 ) jjxcas( X + Y j do ■，其中Z >是顶点分别为( 0 .0 j < 77 ,0 )和( 77 , 77 )的三角形闭区域. m (1 x 2 4- V 2 )d(T = f dxf (X 2 -h V 2 ) d V dx j fh 2 D 不等式表示为 2 r 2 -x 3xy +y 2]l~x dx =| (4+ 2x - 2x 2 ) dx 20 3(+ 3x 2y + y 3 )da = d > (文3 + 3.r 2 v +、、)ch . + x y + v " JC di (4) l )可用不等式表示为 0 ^ V ^ A ： , 0 ^ .t ^ 7T . 于是 |A :COS (JC + y ) da = I cos(.v + v )d I [ sin (.t + y ) ] Q ()^ = J V ( sin 2.v - sin .v ) <1 x x(\( cos .v —丄(.<，s 2.v ) 卜( 1X (-TT r T X cos .v - —rus TT. & 2. _出枳分ix:域，斤i 卜r): v 列m 分:x2^y^J^,0矣x矣1(图10-2).0«^^/4-y2,-2矣7矣2(图10-3),(2)J^^do■，其中/)是由两条抛物线7=v^,y=*2所围成的闭区域；D(3)jfxy2dcr,其中D是由圆周x2+J2=4及y轴所围成的右半闭区域；I)(3)JV+'dcr，其中/)=I(%，)•)||A；|+|J|^1!；D(4)|"U2+/-x)<lo•，其中D是由直线y:l、y二xh :2*所围成的闭区域.D解(1)0可用不等式表示为于是(4)D可用不等式表示为(3)如阁I()-4，W=/\U"2，其中/>1= \(x,y)\-x-\ ^y^Jc + 1,-1 ^a;^0|,I)2=\(x,y) |*-1 +因此Ea3.如果二重积分|/( .r,y)心办的被积函数/(x，v)是两个函数/](O及)的乘n积，即/(X，y) =f\(x)./“y)，积分区域/)={(.V,y)I(1^V^/>,r^,证叫这个二重积分等于两个单积分的乘枳，即|*/|U) -/2(r) fl atl y = [ J/, (.v)(l.v] - [ [/：( > )^v]-证Jj./1(x)•.,2(/)dvd V~J[f J \(v)■ ./：t^]l^x*在上式右端的第一次单枳分f/,(.V)•/2(.V)d v中,./,(A.)1J fut变招:、无关，nn见为常数提到积分5外，W此上式“端笏T可编辑fix/ = j [ dy ^/(*，y )tk .而在这个积分中，由于f/2 (y ) d y 为常数，故又可提到积分号外，从而得到• f 2<,y)^xAy= [| /2(y )dj ] - [ J n /, (x )dx ]证毕. ^4.化二重积分/ = Jf(x ，y )daI)为二次积分(分别列出对两个变量先后次序不同的两个二次积分)，其中积分区域£>是:(1) 由直线及抛物线y 2 =4x 所围成的闭区域； (2) 由x 轴及半圆周/ +y 2 =r 2(y 英0)所围成的闭区域；(3) 由直线y =x ，；c = 2及双曲线：K = ^-(*>0)所围成的闭区域；X(4) 环形闭区域 IU ，y ) | 1+y 2^4(.解(1)直线y =x 及抛物线y 2 =4;c 的交点为(0,0)和(4,4)(图10-6).于是f(x,y)dy,(1)将/)用不等式表示'fyO^y^r 2 -x 2，- r ^ W /•，于是可将/化为如下的先 对y 、后对*的二次积分：r/ = J (1文Jf(x ,y)(\y ；如将0叫不等式表示为~Vr 2 -y 2^x^Vr 2 - y 2 ,0各/•，则可将/化为如卜的 先对*、后对y 的二次枳分：可编辑dr x,y) dx. (3)如图 10-7. :条边界曲线两两相交，先求得3个交点为(1 ,1 )，2,y 和(2,2).于是dy (i_/(^,y)+ tlj /( x ,y)dx.dx• \/4J\x y y)dy + d.vl(1%/T/(A ：,y)clr + d.vl ■ y A -x 2/(.r ,v )d > -f/(.v V v ) dv ./(.v ,v )d.v -f.\/4-、 /( \ , > ) d.v-f厂、/4 -、•'•I-v^ W"/( v , y) (l .\.| dxj[f(x,y)dy.注本题说明，将二重积分化为二次积分时，需注意根据积分区域的边界曲线 的情况，选取恰当的积分次序.本题中的积分区域/)的上、下边界曲线均分别由—个 方程给出，而左边界曲线却分为两段，由两个不同的方程给出，在这种情况下采取先 对y 、后对^的积分次序比较有利，这样只需做一个二次积分，而如果采用相反的枳 分次序则需计算两个二次积分.需要指出，选择积分次序时，还需考虑被积函数/U , y )的特点.具体例子n ]'见教 材下册第144页上的例2.(4)将D 按图10 - 8( a )和图10 - 8( 1>)的两种不同方式則分为4块，分別得x ,r) d.t.(5) (lx\ f{x,y)Ay\广2 f yix -x2(4)|叫2f{x,y)dy-,fix /-sin x(6)I Ax\J(x,y)Ay.JO J - siny图10-8,5.设/U，Y）在D上连续，其中/）是由直线;==所围成的闭区域，证明dx| f(x,y)Ay证等式两端的二次积分均等于二重积分J/U,y）d o•，因而它们相等.I）^6.改换下列二次积分的积分次序：(2) J) dj|：f(x,y)dx；解（丨）所给二次积分等于二重积分J[/U，;K）（^，其中o =丨h，y）1° ^ ^ ^r-"0 ^ j ^ I（. /> n|■改写为 | Uj） | * 矣y矣 1，0 ^ ^ I | （罔 10 - 9）,于是原式=丄<ixj/(x,y)dy.(3)所给一.次枳分等于二'Ti积分|/U,y)山，.K:中/)=I|.y2^^<2y,0 ^21. M I) njm为{u’y) I 音矣 j ^ 7^,0 ^ x 在4)( 1冬 1 1(> - I0)，W此原式=J,i\xjy/(x,y)i\y.-y 2^.V ^1$、飞 V 彡1(4) 所给二次积分等于二重积分.其中D = : (.v .v ) | - V 1UX ^ J 1 - y 2 ,0彡 >•彡 1 ; •又 D 可表示为：(JC ，)*)丨0彡 y 彡 V 1 - .r 2 , - 1 = (图10 -11)，因此f 1f V 1 -X~原式=J ^ dxj/(x , v )dy .(5) 所给二次积分等于二重积分其中D = : (.v .v ) ' 2 -hs/lx - x 1 %\ 彡.r 彡2 :.又 D 可表示为：(A :,V ) | 2 - 1彡.t •彡 1 + Y 1 — v 2,0 : (图 10 -12)，故原式=丄 d)j f(x %y)dx.(6)所给二次积分等于二重积分］|/(.10 )(1^,)1:中/)= 1(.v .v ) | 0 ^ v ^I)x 彡e | •又/)可表示为| ( A :，＞•) | e 、彡A •彡e ，0彡、彡1 i ( |劄10 - 1,故原式=L (I .、| ,./X .、，.、) (l .v .m1()-14,将积分|><:域/)丧示为/),U/)2，其中A),=j U，、)|arcsin>^可编辑/(x,y)dx. y广 1 r ir - arcsin > 原式=Idyf(x yy)c\xJO Jarcsin )T T - arcsin y ，0彡 y 彡 1 |1,D 2 = | (.r,y)一 2arcsi n , 一 1 彡)'彡0|.于是rt-x + xydrAy~d\ c\) ''i x E | o»•Y = s i n A的反闲数足A = i i r r s»My- -1 x足ih y - H in x = sin ( T T - x) "n!J TT - x ^ ar cKin y,从ifii 得反闲数 ^(子•中，TTT T - iin-Hiny.^7.设平面薄片所占的闭区域D 由直线;t = 2，y = 和;r 轴所围成，它的面密度/x (.t ,v ) = x 2 +y 2,求该薄片的质量.解 D 如图10-15所示.所求薄片的质M = jJ/Lt( x 9y) dcr = ^ dyj ( x 2 + y 2 ) dxr[+(2”)3+2,12| 冬| 10 - 158. i |灯|l |四个平而A ： = 0，y = 0，;t = I ，v = I 所闲成的柱休被平面z = 0及2.r +3y + z 6藏得的立休的体积.V - (I 6 - ^ x 2 + y 2) dx(\y6 ( 1 - x ) - x 2+——f 1\1_6"*10-17m 10 - 18解 江力一 E J .它？？芪是；c 0:. S 二苎泛7：省•。
2007级高等数学(1-1)试题参考答案及评分标准
重庆大学 高等数学I-I （理工综合班）（ 课程试卷2006 ~2007 学年 第 一 学期开课学院： 数理学院 考试日期： 2008年1月9日考试方式：考试时间： 120 分钟注：1.大标题用四号宋体、小标题及正文用小四号宋体；2.按A4纸缩小打印一．每小题6分，共60分1．求极限3tan sin limx x x x -→解：3sin sin limxx x x -→613cos 1limsin lim23=-=-=→→xx xxx x x2． 设000,2sin ,,)(2>=<⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧+=x x x x xb x a x f 在0=x处连续，求常数ba ,的值。
解： a x a x =+-→)(lim 2，22sin lim=+→xxx ，b f =)0(，所以当2,2==b a 时，)(x f 在0=x 处连续。
3．设xx yarctan)1(2+=，求'y ，''y解：x y 2'=2211)1(arctan xx x +⋅++x 2=1arctan +x''y 2=212arctan xx x ++4．证明当1>x 时，exex>证： ex e x f x-=)(，)1(0)('>>-=x e e x f x，所以当1>x 时，)(x f 单调增加，从而 0)1()(=>f x f故当 1>x 时，ex ex>5．计算定积分 dxx x ⎰-π3sinsin解：dx x x ⎰-π03sinsin =-=⎰dx x x π2)sin1(sin dx x x cos sin 0⎰π-=⎰xdx x cos sin 2πxdx x cos sin 2⎰ππ-=⎰x d x sin sin 2πx d x sin sin 2⎰ππ2023s i n 32πx=34s i n 32223=-ππx6．已知xx ln 是函数)(x f 的一个原函数，求dxx xf)('⎰解：2'ln 1ln )(x x x x x f -=⎪⎭⎫⎝⎛=， ⎰⎰⎰-==dx x f x xf x xdfdx x xf)()()()('CxxC xx xx +-=+--=ln 21ln ln 17．求不定积分：dxx ⎰arctan解：dxxx x x dx x ⎰⎰+-=21arctan arctanCx x x ++-=)1l n (21a r c t a n 2命题人：组题人：审题人：命题时间：学院 专业 年级 学号 姓名封线密8．设0,,11)(<≥⎪⎩⎪⎨⎧+=x x e xx f x求⎰-2)1(dxx f解：令1-=x t ，则1+=t x⎰-2)1(dx x f ⎰⎰⎰--++==111111)(dt t dt edt t f t2ln 11+-=-e9．设dt t tx x F x⎰+-=1)(，求)('x F解：dt ttx x F x⎰+-=1)(-+=⎰dt t x x11dtttx⎰+01=)('x F xxxx dt tx+-+++⎰1111)1ln(11x dtt x+=+=⎰10．设)(x y y=是由方程1=+yexy所确定的隐函数，求)0('y 。
2007高等数学竞赛培训班重积分习题参考解答
2007年高等数学竞赛培训班 重积分练习题参考解答 2006.5.13一.填空题(每小题3分,共15分) 1.22231(2si 5n 1)d d π 4 x y x x y x y +≤-++=⎰⎰. 解：因为22:1D x y +≤关于0x =对称，且sin x 是x 的奇函数，故sin d d 0Dx x y =⎰⎰；同理22:1D x y +≤关于0y =对称，且3y 是y 的奇函数，故3d d 0Dy x y =⎰⎰；又由轮换对称性得2222222222112π 12 0011d d d d ()d d 2π1d d 24x y x y x y x x y y x y x y x y θρρρ+≤+≤+≤+==⋅==⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰；显然，221d d πx y x y +≤=⎰⎰；所以222315(2sin 1)d d π4x y x x y x y +≤-++=⎰⎰. 2.2222221,π (1ln2) 2d 1x y z z x y z V x y z ++≤≥++-=+++⎰⎰⎰. 解：积分域222:1,0x y z z Ω++≤≥关于0x =对称，2222221,d 1x y z z xV x y z ++≤≥+++⎰⎰⎰中被积函数是x 的奇函数，故2222221,d 01x y z z xV x y z ++≤≥=+++⎰⎰⎰； 同理2222221,d 01x y z z yV x y z ++≤≥=+++⎰⎰⎰； 而 2222221,d 1x y z z zV x y z ++≤≥=+++⎰⎰⎰2π2π1220cos sin d d d 1r r r r ϕϕθϕ⋅+⎰⎰⎰π3122 0 02πcos sin d d 1r r r ϕϕϕ=+⎰⎰()π1112πln 21ln 2.⎡⎤=⋅-=-⎢⎥⎣⎦. 故2222221,d 1x y z z x y zV x y z ++≤≥++=+++⎰⎰⎰()π1ln 22-.3.设{(,)0,D x y x y =≤≤，则()22sin max{,}d d 2 D x y x y =⎰⎰.解：用直线y x =将D 分为12D D +（见右图）.于是()22sin max{,}d d Dx y x y ⎰⎰()()122222sin max{,}d d sin max{,}dD D x y x y x y =+⎰⎰⎰⎰1222sin d d sin d d D D x x y y x y =+⎰⎰⎰⎰22 0d d d d x yx x y y y x =+⎰⎰⎰⎰2 02sin d cos 2x x x ==-=⎰.4.交换二次积分的积分次序： 21 10 1 12d d (,)(,)d d yxx f x y f x y x y y ---=⎰⎰⎰⎰.解：因为当10y -≤≤时有12y -≤，故该积分不是某个二重积分的二次积分，为此，交换内层积分的上、下限，得1 02121 1d (,)d d (,)d yyy f x y x y f x y x ----=-⎰⎰⎰⎰(,)d d Df x y x y =-⎰⎰ 211d (,)d xx f x y y -=-⎰⎰2 1 1d (,)d xx f x y y -=⎰⎰.5. 11 ln d l 1n b a x x b ax x ++-=⎰. 解： 1011110 011d d d d d ln 1d d bbay bby b y a a a a x x x b x y x x y y y x x y +-+=====+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰. 二.选择题(每小题3分,共15分)(将正确选项的代号填在括号内) 1.设123d d ,d ,4DD Dx y I x y I x y I +===⎰⎰22{(,)(1)(1)2}D x y x y =-+-≤，则有(A)123I I I <<. (B) 231I I I <<. (C) 312I I I <<. (D) 321I I I <<.解：由图可知(,)x y D ∀∈，01x y+≤≤，故4x y +<<，且等号只x +x +在个别点处成立，又被积函数连续，所以d d d d 4D D Dx y x y x y x y +<<⎰⎰. 2.设2221:D x y R +≤，2222:2D x y R +≤，3:max{,}D x y R ≤；记221()1e d d xy D I x y -+=⎰⎰，222()2e d d xy D I x y -+=⎰⎰，22()3xy D I -+= (A) 123I I I <<. (B) 132I I I <<.(C) 213I I I <<. (D) 321I I I << 答解：被积函数相同且恒正，则积分的大小关系与积分域的包含关系一致. 3. 二次积分π1πsin 2d (,)d xx f x y y ⎰⎰等于(A) 1π0πarcsin d (,)d y y f x y x +⎰⎰. (B) 1π0πarcsin d (,)d y y f x y x -⎰⎰.(C) 1πarcsin π2d (,yy f x +⎰⎰πarcsin π2(,)d yy f x y x -⎰.答：（B ）4.设(,,)f x y z 是连续函数且(0,0,0)0f ≠，2222()(,,)d d d x y z t I t f x y z x y z ++≤=⎰⎰⎰,则当0t +→时，下列结论正确的是(A) ()I t 是t 的一阶无穷小量. (B) ()I t 是t 的二阶无穷小量. (C) ()I t 是t 的三阶无穷小量. (D) ()I t 是比3t 高阶的阶无穷小量.答: ( C )解：2222()(,,)d d d x y z t I t f x y z x y z ++≤=⎰⎰⎰34(,,)π3f t ξηζ=⋅，300()4π4πlim lim(,,)(0,0,0)033t I t f f t ξηζξηζ+→→→→∴==≠，故()I t 是t 的三阶无穷小量. πarcsin x y =-5.设222{(,,)1,0}x y z x y z z Ω=++≤≥，则(e e e )d x y z V Ω++⎰⎰⎰等于(A) 3e d x V Ω⎰⎰⎰. (B) 3e d zV Ω⎰⎰⎰. (C)(2e +e )d xzV Ω⎰⎰⎰. (D) (e +2e )d xzV Ω⎰⎰⎰. 答: ( C )解：因为积分域Ω关于,x y 轮换对称（即在Ω的表示式中将,x y 换为,y x 时Ω不变），故e d e d x y V V ΩΩ=⎰⎰⎰⎰⎰⎰，而积分域Ω关于,x z 不具有轮换对称，积分域Ω关于,y z 也不具有轮换对称，所以(e e e )d xyzV Ω++⎰⎰⎰(2e +e )d (2e +e )d xzy zV V ΩΩ⎛⎫== ⎪⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰. 三.(本题6分)计算二重积分ed d yx yDx y +⎰⎰，其中D 是由0,0x y ==及1x y +=所围成的平面闭域.解:方法一 采用极坐标进行积分.0,0x y ==及1x y +=的极坐标方程分别为 π,02θθ==及1sin cos ρθθ=+,故 π1sined d ed d yDx y θθθθθθρρ=⎰⎰⎰⎰π1sin22sin +cos sin +cos 001e d 2θθθθθρθ=⎰ ()πsin2sin +c 2os 01d s 1e 2in +cos θθθθθθ=⎰()πsin sin +cos 0sin d sin +c e s 1o 2θθθθθθ=⎰ πsin 2sin +cos 0e 11e 22θθθ-==. 方法二 作代换.ed d y x yDx y +⎰⎰ 1 1 0d ed y yx yy x -+=⎰⎰，若令x y u +=，则d d x u =，当0x =时u y =，1x y =-时0u =，于是原式 1 1 0d ed yyx yy x -+=⎰⎰1 00 d e d yuyy u =⎰⎰ 1 0d e d y uu y ⎰⎰1 100e 1ed (e 1)d 2[]y uuu u u u -==-=⎰⎰.交换次序四.(本题7分) 设()f x 在[0, 1]上连续,已知 1()d f x x A =⎰,求11d ()()d xx f x f y y ⎰⎰.解:解法一令 1 ()d ()xf y y x ϕ=⎰,则()(),(0),(1)0x f x A ϕϕϕ'=-==,故11 1 1 1d ()()d ()d ()d ()()d xxx f x f y y f x x f y y x f x x ϕ==⎰⎰⎰⎰⎰2 122 01()d ()[(1)(0)]22A x x ϕϕϕϕ=-=--=⎰.解法二1 1 0d ()()d xx f x f y y ⎰⎰ 1 1 0d ()()d d ()()d y xy f x f y x x f x f y y ==⎰⎰⎰⎰,1 12d ()()d xx f x f y y ∴=⎰⎰ 11 1 0 0d ()()d d ()()d xxx f x f y y x f x f y y +⎰⎰⎰⎰112 0()d ()d f x x f y y A ==⎰⎰,即2 1 1d ()()d 2xA x f x f y y =⎰⎰. 五.(本题7分) 设ππ{(,)0,0}22D x y x y =≤≤≤≤，计算二重积分d DI x y =. 解: d DI x y =cos()d d Dx y x y =+⎰⎰12cos()d d cos()d d D D x y x y x y x y =++-+⎰⎰⎰⎰ππππ 2222π 02d cos()d d cos(x x x x y y x x --=+-+⎰⎰⎰⎰ππ 0(1sin )d (cos 1)d π2x x x x =---=-⎰⎰.六.(本题7分) 设2,1, (,)12,x x y f x y x y ⎧+≤⎪=≤+≤求积分(,)d D f x y σ⎰⎰,其中{}(,)1D x y x y =+≤.解：由区域的对称性和被积函数的奇偶性，有1(,)d 4(,)d DD f x y f x y σσ=⎰⎰⎰⎰，其中1D 是D 在第一象限的部分，而11121(,)d (,)d (,)d ,D D D f x y f x y f x y σσσ=+⎰⎰⎰⎰⎰⎰其中 {}11(,)01,01D x y y x x =≤≤-≤≤ {}21(,)12,0,0D x y x y x y =≤+≤≥≥11111112220(,)d d d d (1)d12xD D f x y x x x x x x σσ-===-⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰ 而1212ππ2100sin cos d 1(,)d d d sin cos D D f x y θθθθθσσθρρρθθ+===+⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰()()())ππ420d ππcsc cot 1,44π4θθθθ⎡⎤==+-+=⎢⎥⎣⎦+⎰))11(,)d 411.Df x y σ⎡⎤∴=+=+⎢⎥⎣⎦⎰⎰七.(本题7分)设Ω是由曲面z xy =与平面,1,0y x y z ===所围成的闭区域，求三重积分23d I xy z V Ω=⎰⎰⎰.解：23d I xy z V Ω=⎰⎰⎰ 23 0d d d xyxyD x y xy z z =⎰⎰⎰1 5656 0011d d d d 44xyyD x y x y y x y x ==⎰⎰⎰⎰112 011d 24312y y ==⎰.八.（本题7分）求三次积分211 1(1) 0 0d d (1)e d x x zy z x z y y -------⎰⎰⎰.解：注意到被积函数与x 无关，交换次序，先对211 1(1) 0d d (1)ed xx zy z x z y y -------⎰⎰⎰2(1)(1)e d d d y z y x y z Ω---=-⎰⎰⎰21(1) 0d d (1)ed yzy zy z D y z y x -----=-⎰⎰⎰1z =21 1(1) 0 0(1)d (1)e d yy z y y y z z ----=---⎰⎰21 1(1)1(1)e d 2z y y z z y y =----==-⎰()21(1)1 011111(1)(1e )d 1e 22224ey y y ---⎡⎤=--=--=⎢⎥⎣⎦⎰. 九.(本题7分) 设222{(,,)14,0,0,0},x y z x y z x y z Ω=≤++≤≥≥≥求积分 222()()e d .xy z I x z V Ω-++=+⎰⎰⎰解：I2222ππ2()22212ed 2d d cose sin d x y z r z V r r r Ωθϕϕϕ-++-=⎰⎰⎰⎰⎰⎰223π244341011π(2e 5)πππ2sin cos d e d e d e e .2444e u r r u u u r r u u u ϕϕϕ=-----⎡⎤=⋅==--=⎣⎦⎰⎰⎰ 十.（本题7分）计算22[sin()]d xy y z V Ω++⎰⎰⎰，其中Ω是由曲线220 z x y ⎧=⎨=⎩绕x 轴旋转一周而成的曲面与平面4x =所围成的立体.解：Ω是由旋转抛物面222y z x +=与平面4x =围成的（见下图）.由于Ω关于0y =对称，故s i n (x y Ω⎰⎰⎰而[0, 4]x ∀∈，22():2D x y z x +≤，所以22[sin()]d xy y z V Ω++⎰⎰⎰220()d y z V Ω=++⎰⎰⎰442π222 0()d ()d d d d d D x x y z y z x θρρ=+=⋅⎰⎰⎰⎰⎰⎰42 01282πd π3x x ==⎰.十一. (本题7分)求d d x y z Ω，其中222:1x y z Ω++≤.解：d d x y z Ω2010π02πd d r r ϕθθϕ≤≤≤≤≤≤=⎰⎰⎰22π1 π0 0d d d r θϕϕ=⎰⎰⎰112 0 02π2π d π2d 43r r r r =⋅==⎰⎰.轮换对称性十二. (本题8分)1. 设函数()f u 连续且恒正，讨论222()22()()d ()()d t D t f x y z V t f x y Ωϕσ++=+⎰⎰⎰⎰⎰在区间(0, )+∞内的单调性，其中2222(){(,,)}t x y z x y z t Ω=++≤， 222(){(,,)}D t x y z x y t =+≤.2. 设(,)f x y 在单位圆域上有连续的偏导数，且在边界上的值恒为零，证明：2201(0,0)lim d d ,2πx y Dxf yf f x y x y ε+→''+-=+⎰⎰ 其中D 为圆环域222 1.x y ε≤+≤ 解：1.因为222()22()()d ()()d t D t f x y z Vt f x y Ωϕσ++=+⎰⎰⎰⎰⎰2ππ 2222 00 0 2π220d d ()sin d 4π()d d ()d 2π()d ttttf r r rf r r r f f θϕϕθρρρρρρ==⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰，222222 022 0()()d ()()d ()2()d tttt f t f tf t f r r rt f ρρρϕρρρ-'=⋅⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰222222 022 0()()d ()()d 2()d t tt t f t f u u u tf t f u u uf u u u -=⋅⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰⎰⎰ 22 022 0()()()d 20()d tt tf t f u u t u uf u u u -=⋅>⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰⎰，故()t ϕ在区间(0, )+∞内的单调增加.2. 2201lim d d 2πx y Dxf yf x y x y ε+→''+-+⎰⎰ 2π1200cos (cos ,sin )sin (cos ,sin )1lim d d 2πx x f f εερθρθρθρθρθρθθρρρ+→=''+-⎰⎰ []2π100cos (cos ,sin )sin (cos ,sin )1lim d d 2πx x f f εεθρθρθθρθρθθρ+→''-=+⎰⎰[]2π1001l d (cos ,sin )d im d d 2πf εερθρθρθρ+→-=⎰⎰ []2π1001lim (cos ,sin )d 2πf εερθρθθ+→-=⎰ []2π00(cos ,si 1lim(cos ,sin )d 2)πn f f εθθεθεθθ+→-=-⎰ []2π001lim(cos ,sin )0d 2πf εεθεθθ+→-=-⎰ []01lim (cos ,sin )2π (0, 2π)2πf εεξεξξ+→-=-⋅∈ (0,0).f =。
线面积分——精选推荐
线⾯积分第⼗⼀章线⾯积分内容概要与重点难点提⽰本章涉及的内容较多（共有七节），⾸先分别介绍了第⼀、第⼆类曲线积分的概念、性质和计算⽅法，格林公式揭⽰了平⾯区域内的⼆重积分与其正向边界曲线上的线积分之间的关系，曲线积分与路径⽆关和全微分求积的充要条件。
再介绍了第⼀、第⼆类曲⾯积分的概念、性质和计算⽅法，⾼斯公式揭⽰了空间区域内的三重积分与其外侧边界曲⾯积分之间的关系，曲⾯积分与曲⾯⽅程⽆关的充要条件。
斯托克斯公式揭⽰了空间曲线积分与它张成的曲⾯积分之间的关系。
最后介绍了场论中“三度”（即梯度、散度、旋度）的相关知识。
重点把第⼀、第⼆类曲线积分转化为定积分及它们之间的区别于联系，把第⼀、第⼆类曲⾯积分转化为⼆重积分及它们之间的区别于联系，三个公式的应⽤。
难点第⼀、第⼆类曲线积分和曲⾯积分计算的技巧，三个公式条件不成⽴时的处理办法。
考试内容要点讲解⼀、对弧长的曲线积分（第⼀类）（⼀）概念与性质 1、定义1(,)l i m(,)ni i i Li f x y d s f s λξη→==?∑?。
（1）可积的充分条件是(,,)f x y 在L 上连续；（2）i s ?与ds 是对应的，后者就是弧微分；（3）当L 是封闭曲线弧的时候，记为(,)Lf x y ds ?；（4）L 在第⼀类中的是没有⽅向的；（5）物理意义(,)Lf x y d s表⽰占有平⾯曲线L ，线密度为(,)f x y 的质量曲线（或者曲线型构件）的质量，即(,)Lm f x y ds =?，特别地，若(,)1f x y ≡，则Ls ds =?（表⽰L 的弧长）；（6）定义同理可以推⼴到(,,)f x y z 空间曲线Γ上，有1(,,)l i m (,,)ni i i i i f x y z d s f s λξηζΓ→==?∑?2(,)(,)(,)L L L L f x y ds f x y ds f x y ds +=+?；若(,)(,)f x y g x y ≤，则(,)(,)LLf x y dsg x y ds ≤?；若(,)f x y 在L 上最值为()M m ，则 (,)Lm s f x y d sM s≤≤；若(,)f x y 在L 上连续，则存在(,)L ξη∈，使得(,)(,)L f x y ds f s ξη=??；特别要注意，(,)(,)ABBAf x y ds f x y ds ??=??。
北京交通大学2007年高等数学竞赛试题(甲组)答案
1 1 ⎛1⎞ ⎛1⎞ f ( ) = a + b ⎜ ⎟ + o ⎜ ⎟ ， (n → ∞) . n n ⎝ n⎠ ⎝n⎠
先看级数
∑
n =1
∞
1 f( ) ∞ 1 1 f ( ) ，显然当 a ≠ 0 时，由 lim n = a ≠ 0 ，可知 ∑ f ( ) 发散；当 a = 0 n →∞ 1 n n n =1 n
2
=−
∫
0
t sin t dt + 2007π
2
∫
0
故 I = (2007)
π。
二、提示：令 G ( x) =
∫ f ( x)dx ，由于
0
x
∫ xf ′( x)dx = xf ( x) − ∫ f ( x)dx = −∫ f ( x)dx = 1 ⇒ G(1) = −1 ，另外显然有
0 0 0 0
∫
1
∫∫
∫
0 1
y2 ≤1− z 4
dxdy = ∫ 3 z ⋅ π 2(1 − z )dz = π 。
0
1
5．解：
f ( x )dx = xf ( x ) 0 − ∫ xf ′( x )dx ,在方程 f ( x ) =
1 0
1
1− x
∫e
0
y (2 − y )
dy 中，令 x = 1 ，得
f (1) = ∫ e y (2− y )dy = ∫ e y (2− y )dy = 0 ． 再 在 方 程 f ( x ) =
1 f( ) ∞ 1 n 时，由 lim = ，可得级数 f ( ) 收敛且绝对收敛. b ∑ 2 n →∞ n n =1 ⎛1⎞ ⎜ ⎟ ⎝n⎠
由上面的讨论易见：当 a = 0 时，级数
大学高数第十章曲线积分与曲面积分课后参考答案及知识总结
，
原式=
注：利用二重积分的被积函数的奇偶性及积分区域的对称性有 .
★★4.利用曲线积分，求星形线 所围成图形的面积。
解：由公式
★★5.求双纽线 所围区域的面积。
解：双纽线的极坐标方程为：
由图形的对称性知：
★★6.计算 ，其中 为圆周 的顺时针方向。
解： 参数方程为： 变化从 到
原式
原式
法二： 线积分与路径无关。
原式 =
★★15.利用曲线积分，求下列微分表达式的原函数：
(1) ;
(2) ;
(3) .
解：(1) ,
是某函数的全微分
.
(2)
是某函数的全微分
.
(3)
是某函数的全微分
★★16.设有一变力在坐标轴上的投影为 ， ，改变力确了一个力场.
证明质点在此场内移动时，场力所作的功与路径无关.
(1)螺旋形弹簧关于 轴的转动惯量 ;
(2)螺旋形弹簧的重心.
解:
(1)
.
(2)
螺旋形弹簧关于 平面的静力矩分别为：
同法得：
.
,
.
提高题
★★★1.计算 ，其中 为正向圆周 ，直线 及 轴在第一项限内所围成的扇形的整个边界.
解： 与 在第一象限的交点为 .
如图：
;
; .
则原式
★★★★2.计算 ，其中 为圆柱面 与锥面 的交线.
解：摆线的参数方程为：
原式
★★5.计算曲线积分 ，其中 为螺旋线 上相应于 从 到 的一段弧。
解：
原式
★★6.计算曲线积分 ，其中 为折线 ,这里 , , , 依次为点 ， ， ， .
解：如图，原式=
高等数学习题课-线面积分的计算
y
C
L
I AB (x2 y) d x ( y2 x)dy B o A x
a
a
x
2
d
x
20
例4. 计算 其中L 是沿逆时针方向以原点为中心, a 为半径的上半圆周.
思考:
y
C
L
B o Ax
(利用格林公式)
(1) 若L 改为顺时针方向,如何计算下述积分:
I1 L (x2 3 y) d x ( y2 x) d y
o1
取辅助曲面 1 : y 3 取右侧 x
y
3 1
且有 I
1
1
26
求
2
I (8y 1)xdydz 2(1 y )dzdx 4yzdxdy
P Q R
1
(
x
y
z
)dxdydz
z
2
(8y 1 4y 4y)dxdydz
3
dv 1 dy dxdz
Dxz
3
( y 1)dy
2 ,
(沿L的正向) 格林公式
10
3.三重积分与曲面积分的联系
(P x
Q y
R)dv z
Pdydz
Qdzdx
Rdxdy
高斯公式
4.曲面积分与曲线积分的联系
R Q
P R
Q P
(
y
z
)dydz
( z
)dzdx (
x
x
)dxdy y
Pdx Qdy Rdz
斯托克斯公式
11
（三）场论初步
梯度
gradu
利用对称性
2(x z) d S 0
25
例2
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2007年高等数学竞赛培训班线面积分练习题参考解答一.填空题(每小题3分,共15分)1.设L 为椭圆22143y x +=，其周长为a ，则222(234)d 12L a xy x y s ++=⎰Ñ. 解：222222(234)d 2d (34)d 012d 12LLLLxy x y s xy s x y s s a ++=++=+=⎰⎰⎰⎰蜒蜒. 2.设∑:1x y z ++=，则()dx y S ∑+=⎰⎰解：()d d d x y S x S y S ∑∑∑+=+⎰⎰⎰⎰⎰⎰()8110d d 333x y z S S ∑∑∑=+++==⎰⎰⎰⎰88d d 33xyxyD D x y x y ==⎰⎰⎰⎰3.密度为0μ的均匀金属丝2222:0 x y z R x y z Γ⎧++=⎨++=⎩对于x 轴的转动惯量304π 3x R I μ=.解：22222220000222()d ()d d 2π333x I y z s xy z s R s R R ΓΓμμμμΓ=+=++==⋅⎰⎰⎰蜒? 304π3R μ=.4.设22:(1)2L x y ++=，则 22d d 23π Lx y y xx y y -=+--++⎰Ñ.解： 22d d 23Lx y y x x y y --=+++⎰Ñ 222(1)2d d 11(11)d ππ2242L x y x y y x σ-++≤-=-+=-=-+⎰⎰⎰Ñ.5.设:z ∑=，则2d d cos d d d d 2π3I x y z y z x z x y ∑=++=⎰⎰下侧. 解：22212d d cos d d d d 00d π3x y I x y z y z x z x y x y ∑∑∑+≤=++=+-=⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰下侧下侧下侧.评注：对于第二类线、面积分也可利用对称性简化计算，但要注意1z =①不能就组合积分整体使用，要分成单个积分进行；②与Riemann 积分的对称性的结论刚好相反，例如光滑曲面∑关于0x =（即yOz 平面）对称（包括侧也对称），则有0, (,,)d d 2( d , ,,)d f f x y z y z f x y z y z x x f ∑∑⎧⎪=⎨⎪⎩⎰⎰⎰⎰半若为的函数，若函数.奇为的偶③也可利用轮换对称性。
二.选择题(每小题3分,共15分)(将正确选项的代号填在括号内)1.设曲线积分2d ()d Cxy x y x y ϕ+⎰与路径无关，其中()x ϕ有连续的导数，且(0)0ϕ=，则(1,1)2(0,0)d ()d xy x y x y ϕ+⎰等于(A)1. (B) 0. (C) 21. (D)12. 答: ( D )解：(1,1)1122(0,0)0011d ()d (0)d 1d 0.22xy x y x y y y x x ϕϕ+=+⋅=+=⎰⎰⎰ 2. 设222: 1 (0)S x y z z ++=≥,1S 是S 在第一卦限中的部分，则有 (A) 1d 4d SS x S x S =⎰⎰⎰⎰. (B) 1d 4d SS y S x S =⎰⎰⎰⎰.(C)1d 4d SS z S x S =⎰⎰⎰⎰. (D) 1d 4d SS xyz S xyz S =⎰⎰⎰⎰. 答: ( C )解：因为222: 1 (0)S x y z z ++=≥关于0x =对称，关于0y =也对称，且x 和xyz都是x 的奇函数、y 是y 的奇函数，于是d 0,d 0,d 0SSSx S xyz S y S ===⎰⎰⎰⎰⎰⎰，但114d 0,4d 0S S x S xyz S >>⎰⎰⎰⎰，故（A ）、（B ）、（D ）都不对.事实上，将d Sz S⎰⎰视为密度z μ=时S 的质量，则显然有1d 4d SS z S z S =⎰⎰⎰⎰，再由,,x y z 在1S 上的轮换对称性有11d 4d 4d SS S z S z S x S ==⎰⎰⎰⎰⎰⎰.3. 设2222{(,,)}x y z x y z a ∑=++=，在以下四组积分中，一组的两个积分同时为零的是（A ）22d ,d d x S x y z ∑∑⎰⎰⎰⎰乙外. （B ）2d ,d d x S x y z ∑∑⎰⎰⎰⎰乙外.（C ）d ,d d x S x y z ∑∑⎰⎰⎰⎰乙外. （D ）d ,d d xy S y z x ∑∑⎰⎰⎰⎰乙外. 答: ( B )解：因为∑关于0x =（即yOz 平面）对称，x 和xy 是x 的奇函数，而2x 是x 的偶函数，故第一类曲面积分d 0,d 0xy S x S ∑∑==⎰⎰⎰⎰ÒÒ，4224πd 2d 3R x S x S ∑∑==⎰⎰⎰⎰乙半；而第二类曲面积分22234πd d 2d d 2d 3y z R R x y z x y z y z ∑∑+≤===⎰⎰⎰⎰⎰⎰乙外上侧上半，2d d 0x y z ∑=⎰⎰Ò外.类似地，有34πd d 2d d 3R y z x y z x ∑∑==⎰⎰⎰⎰乙外前侧前半. 4.设曲线L ：(,) 1 (,)f x y f x y =(具有一阶连续偏导数）过第II 象限内的点M 和第IV 象限的点N ,Γ为L 上从点M 到点N 的一段弧,则下列积分小于零．．．的是 (A)(,)d f x y x Γ⎰. （B ）(,)d f x y y Γ⎰.（C ）(,)d f x y s Γ⎰. （D ）(,)d (,)d x y f x y x f x y y Γ''+⎰. 答：（B ）解： (,)d d d 0,f x y x x x ΓΓ-+==>⎰⎰⎰不选（A）；(,)d d d 0,f x y y y x ΓΓ-+==<⎰⎰⎰选（B）；(,)d d 0,f x y s s ΓΓ=>⎰⎰不选（C）；(,)d (,)d d (,)d (,)()()110,Nx y Mf x y x f x y y f x y f x y f N f M ΓΓ''+===-=-=⎰⎰⎰不选（D ）.5.设()22: 1z x y z ∑=+≤，22:1xy D x y +≤，则d d z y z ∑⎰⎰外可化为二重积分(A)22()2d d xyD xy x x y +⋅⎰⎰. (B)22()(2)d d xyD xy x x y +⋅-⎰⎰.(C)22()2d d xyD x y y x y +⋅⎰⎰. (D) 22()d d xyD x y x y +⋅⎰⎰. 答: ( A ) 解：因为cos d d cos d d d cos y z S x y ααγ==（一般地有d d d d d d cos cos cos y z x yz x αβγ==），而()22: 1z x y z ∑=+≤的外侧即下侧，故d d d d 2d d x y z z x y x x y '=-=-，所以d d z y z ∑⎰⎰外2222()(2)d d ()2d d xyxyD D x y x x y x y x x y =-+⋅-=+⋅⎰⎰⎰⎰. 三.(本题6分) 计算222222()d (2)d (3)d LI y z x z x y x y z =-+-+-⎰Ñ，其中L 是平面2x y z ++=与柱面1x y +=的交线，从z 轴正向看去，L 为逆时针方向. 解：设∑为平面2x y z ++=上由L 所围成部分的上侧，xy D 是∑在xOy 面上的投影域，则∑的法向量的方向余弦为cos cos cos αβγ===，:1xy D x y +≤，∑的曲面面积元素d d S x y =. 由Stokes 公式，得222222()d (2)d (3)d LI y z x z x y x y z =-+-+-⎰Ñ222222d 23S x y z y z z x x y∑∂∂∂=∂∂∂---⎰⎰(846)d x y z S ∑=---(423)d (d xyD x y z S x y x y ∑=++=-+⎰⎰22006d d 1224xy D x y ⎡⎤⎢⎥=-++=-⋅=-⎢⎥⎣⎦⎰⎰.另解：将其化为平面曲线积分.记L 在xOy 面上的投影曲线为C ，则:C 1x y +=，取逆时针方向，C 所围域记为xy D .因为2z x y =--，d d d z x y =--，故原积分可化为22222222[(2)]d [2(2)]d (3)d (3)d CI y x y x x y x y x y x x y y =---+-------⎰Ñ 2222[4442]d [28843]d Cx x y xy y x x x y xy y y =-++-++----++⎰Ñ(2212)d d 0012d d 24xyxyD D x y x y x y -+-=+-=-=⎰⎰⎰⎰格林公式.四.(本题6分) 求密度为0μ的均匀半球壳:z ∑=z 轴的转动惯量.解：222222200()d (d z x y R I x y S x y x y ∑μμ+≤=+=+⎰⎰⎰⎰22π 200 001d d 2π2RRR R t μθρρρμ==⋅⎰⎰⎰222324200024π222π()π33RRR t R R t R μμμ⎡⎤-=-+=⋅-=⎢⎥⎣⎦⎰. 五．（本题6分）计算222()dLx y z s++⎰，其中L是球面22292x y z++=与平面1y z+=的交线.解：方法一因为L的方程可表示为()22121421yxz y⎧-⎪+=⎨⎪=-⎩，则其参量方程为2cos1 (02π)212xyzθθθθ⎧=⎪⎪=+≤≤⎨⎪⎪=⎩.故222()dLx y z s++⎰ 2π 2π0 0999d2d18π222Lsθθ====⎰⎰⎰.方法二222()dLx y z s++⎰9d2Ls=⎰99d22LLs s==⎰（L s表示L的弧长）；而22292:1x y zLy z⎧++=⎪⎨⎪+=⎩显然是平面1y z+=上的圆周，为求周长只需求出其直径d即可. 在L的方程中令0x=得圆周上的两点：(110,,22A+和(110,22B，易知AB就是L的一条直径，于是4d AB==.所以222()dLx y z s++⎰99d22LLs s==⎰9π4=18π2=⋅⋅.六．(本题6分)计算积分)d dLI x y y x=+⎰，其中L是依次联结点(1,0)A-、(2,2)B和(1,0)C的有向折线段.解：直接计算较繁.添加直线段CA，构成闭合曲线L CA+，使用格林公式.记L CA+所围域为D.,P y Q x==，2Q Px y∂∂-=-∂∂，故)d d LI x y y x =+⎰()[d )d ]L CACAy x x y +=-+⎰⎰Ñ()111(2)d d 0d 22242Dx y x -=--=⋅=-⋅⎰⎰⎰.七．(本题6分) 设对于半空间0x >内任意的简单光滑有向闭合曲面∑，都有2()d d ()d d e d d 0x xf x y z yf x z x xz x y ∑--=⎰⎰Ò， 其中()f x 有连续导数，且0lim ()1x f x +→=，求()f x . 解：设∑所围成的有界闭域为Ω，由题设及Gauss 公式得20()d d ()d d e d d xxf x y z yf x z x xz x y ∑=--⎰⎰Ò 2[()()()e ]d x f x xf x f x x V Ω'=±+--⎰⎰⎰2[()e ]d x xf x x V Ω'=±-⎰⎰⎰.由∑的任意性，知2()e 0x xf x x '-=，即2()e x f x '=，解得21()e 2x f x C =+.由0lim ()1x f x +→=得12C =，故2e 1()2xf x +=. 八.(本题6分) 计算曲面积分d d 2d d 3d d I xz y z zy z x xy x y ∑=++⎰⎰，其中∑是曲面221 (01)4yz x z =--≤≤的上侧. 解: 取S 为xOy 平面上由椭圆2214y x +=所围部分的下侧，由∑和S 所围空间区域记为Ω.由Gauss 公式，得()2214d d 2d d 3d d 20d 3d d S S y x I xz y z zy z x xy x y z z V xy x y ∑Ω++≤⎛⎫⎛⎫ ⎪=-++=++-- ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ò 221100143d d 032π(1)d π.y x zz zz z z σ+≤-=-=-=⎰⎰⎰⎰九. (本题8分) 计算曲面积分()32222d d d d d d x y z y z x z x yI xy z∑++=++⎰⎰，其中∑是曲面()()16125211022-+--=y x z在xOy 平面之上的部分的上侧.解: ()23222z y xxP ++=,()23222z y x yQ ++=,()23222z y x zR ++=,除点()0 ,0 ,0O 外,z R y Q x P ∂∂∂∂∂∂,,处处连续,且0=∂∂+∂∂+∂∂zR y Q x P . ∑为顶点在()10 ,1 ,2的椭圆锥面的一部分,它在xOy 面上的投影域为xyD :()()141522222≤-+-y x .采用《挖洞法》：设0>ε充分小,取-S 为222 :y x z S --=ε之下侧,又取1∑-为平面域}),{(\222ε<+y x y x D xy 之下侧,于是1S ∑∑++构成一封闭曲面,记其所围成的空间域为Ω.由Gauss 公式得11(S S I ∑∑∑+----++∴=--⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ò⎰⎰⎰Ω=z y x d d d 0⎰⎰+∑+1(++=00⎰⎰+S y x d d 13ε22223 013d d x y z z x εε++≤≥⎡⎢=⎢⎢⎣⎰⎰⎰ 十. (本题6分) 计算积分d ∑⋅⎰⎰rot F S ，其中32()()3x z x yz xy =-+-F i +j k ，∑是锥面 2z =xOy 面上方的部分，取上侧.解：设∑的边界曲线为Γ，则224:0x y z Γ⎧+=⎨=⎩，取逆时针方向.故由Stokes 公式得d ∑⋅⎰⎰rot F S d Γ=⋅=⎰ÑF s 32()d ()d 3d x z x x yz y xy z Γ-+--⎰Ñ 3(0)d (0)d 0x x x y Γ=-+--⎰Ñ3d d x x x y Γ=+⎰Ñ 22243d d x y x x y +≤==⎰⎰格林公式2π 223 0 0163cos d d 3π12π4θθρρ=⋅⋅=⎰⎰.十一. (本题6分)设2222:22220x y z ax ay az a ∑++---+=（0a >），求()d I x y z S ∑=++⎰⎰Ò解：方法一 （直接计算） 因为()()()2222:x a y a z a a ∑-+-+-=，故由轮换1对称性得 3d I z S ∑=⎰⎰Ò3()d 3d z a S a S ∑∑=-+⎰⎰⎰⎰乙23034π12πa a a =+⋅=. 方法二（利用形心坐标公式）显然()()()2222:x a y a z a a ∑-+-+-=的形心坐标为(,,)(,,)x y z a a a =，于是2d d 4πx S x S a x Sa∑∑===⎰⎰⎰⎰乙，由此得3d 4πx S a ∑=⎰⎰Ò；同理有3d 4πy S a ∑=⎰⎰Ò，3d 4πz S a ∑=⎰⎰Ò； 故 312πI a =.十二. (本题6分)计算曲线积分⎰++++++Γz y x y x z x z y 222222d )(d )(d )(,其中Γ为曲线⎩⎨⎧=+=++ 2222222ax y x Rxz y x (0,0≥<<z R a ), +Γ与Oz 轴正向成右手系. 解: 取Stokes 公式中的S 为曲面222y x Rx z --=的上侧（注意：S 关于0y =对称）,其上任意一点),,(z y x 处的单位法向量},,{0Rz R yR R x -=n ,S 在xOy 平面的投影域为:xy D ax y x 222≤+.于是原式S y x x z z y z y x Rz R y R R x Sd 222222⎰⎰+++∂∂∂∂∂∂-= S R z y x R yx z R x z y S d ])()()1)([(2⎰⎰-+-+--=S y z Sd )(2⎰⎰-=2d 0xyD x y =+⎰⎰22πRa =.十三. (本题8分)1. 设()f u 是连续函数，Γ为任意分段光滑的有向简单闭曲线，试证：222()(d d d )0.f x y z x x y y z z Γ++++=⎰Ñn2.设在上半平面{}(,)0D x y y =>内，(,)f x y 具有连续的偏导数，且0t ∀>，都有2(,)(,)f tx ty t f x y -=，证明：对D 内任意分段光滑的有向简单闭曲线L ，都有(,)d (,)d 0Lyf x y x xf x y y -=⎰Ñ.证：1.设()f u 的一个原函数为()F u ，则2222221 ()(d d d )d ()02f x y z x x y y z z F x y z ΓΓ++++=++=⎰⎰蜒.2.21(,),(,),(,)(,),(,)(,).QP P yf x y Q xf x y f x y yf x y f x y xf x y y x∂∂''==-=+=--∂∂ 由题设：(,),0x y D t ∀∈∀>，有2(,)(,)f tx ty t f x y -=.两边对t 求导，得312(,)(,)2(,).xf tx ty yf tx ty t f x y -''+=-令1t =得12(,)(,)2(,),xf x y yf x y f x y ''+=-即21(,)(,)(,)(,).Q P f x y yf tx ty f x y xf x y y x∂∂''=+=--=∂∂ 所以(,)d (,)d 0Lyf x y x xf x y y -=⎰Ñ.。