28.格林公式及其应用
格林公式及其应用
Pdx Qdy Pdx Qdy
L2
Pdx Qdy Pdx Qdy 0,
L1 L1 ( L2 ) L2
Pdx Qdy 0
此时L1 ( L2 )为有向闭曲线,故结论成立, 反之也成立.
3、定理2
设区域G是一个单连通域,函数P( x, y )、Q( x, y ) 在G内具有一阶连续偏导数,则曲线积分 Pdx Qdy
Q y2 x2 P 2 2 2 x ( x y ) y 则
L
xdy ydx x y
2 2
0
(2) 原点在D内时
选取适当小的r 0, 作位于D内的圆周l x2 y2 r 2 记L与l所围的闭区域为D1;
即D1为复连通区域,
l的方向取逆时针方向 有 , xdy ydx x y
P 因 连续,故第一式左边 y 2 ( x ) P ( x, y ) P b dy dx y dxdy a 1 ( x ) y D a Px, 2 ( x) Px,1 ( x)dx
b
第一式右边 Pdx Pdx Pdx
第三节
格林公式及其应用
一、格林公式
二、平面上曲线积分与路径 无关的条件 三、二元函数的全微分求积
一、 格林公式
平面单连通区域: 设D为平面区域,如果D内任一闭曲线所围的部
分都属于D,则称D为平面单连通区域,否则称为复连
通区域.
通俗的说,平面单连通区域是不含有“洞”的区
域.
例如 圆形区域: x, y ) x 2 y 2 1} {(
Pdx Qdy
ABPA
Q P x y dxdy Pdx Qdy D3 BCNB
高等数学-格林公式及其应用
(2) L为正方形 x y 1 的正向.
作位于 D内圆周 l : x2 y2 a2 ,
取顺时针方向。
记 D1由 L和 l所围成, 应用格林公式,得
L
xdy x2
ydx y2
xdy ydx Ll x2 y2
xdy ydx l x2 y2
,
0 2
所围面积
1 2 (abcos2 absin2 ) d ab 20 14
例5 计算抛物线 ( x y)2 ax(a 0) 与 x 轴所围成
的面积.
解 ONA为直线 y 0.
曲线 AMO 由函数
y ax x, x [0,a]表示,
M
N
A(a,0)
1
A xdy ydx
计算
L
xdy x2
ydx , y2
(1) L为圆周(x 1)2 ( y 1)2 1的正向.
(2) L为正方形 x y 1的正向.
解 记 L所围成的闭区域为 D,
令
P
y x2 y2
,
Q
x2
x
y2
,
则当
x2 y2 0
时,有
Q x
y2 x2 ( x2 y2 )2
P .
y
(1) L为圆周(x 1)2 ( y 1)2 1的正向.
高等数学
第二十讲
第三节
第十一章
格林公式及其应用
一、格林公式
二、平面上曲线积分与路径无关的 等价条件
一、 格林公式
区域 D 分类 单连通区域 ( 无“洞”区域 )
L
多连通区域 ( 有“洞”区域 )
D
域 D 边界L 的正向: 域的内部靠左
格林公式的讨论及其应用
格林公式的讨论及其应用格林公式是矢量分析中的重要定理之一,它描述了向量场在一个闭合曲面上面的流量与该向量场的散度在该闭合曲面所围成的空间体积之间的关系。
格林公式广泛应用于电磁学、流体力学、热力学等领域,下面将对格林公式进行详细讨论及应用。
格林公式可以用数学的方式描述为:对于一个可微的矢量场F,它的散度为div(F),则该矢量场F通过一个闭合曲面S的流量为∬F⋅ds,该闭合曲面S所围成的体积为∭div(F)dV,格林公式表达了这两者之间的关系,即:∬F⋅ds = ∭div(F)dV其中,∬表示曲面积分,∭表示体积积分,F⋅ds表示矢量场F与ds 的内积,div(F)表示矢量场F的散度。
1.流体力学中的应用格林公式在流体力学中有着广泛的应用。
例如,可以通过格林公式计算流体在一个闭合曲面上的流量,这对于流体的体积流量和质量流量的计算有重要意义。
另外,格林公式还可以用来推导流体的连续性方程和Navier-Stokes方程等重要方程。
2.电磁学中的应用格林公式在电磁学中也有着重要的应用。
例如,可以利用格林公式计算电磁场在一个闭合曲面上的通量,这对于计算电场和磁场的电荷和磁荷的分布有着重要意义。
此外,通过格林公式还可以推导出麦克斯韦方程组中的一些重要方程,如高斯定律、安培环路定理等。
3.热力学中的应用格林公式在热力学中也有着重要的应用。
例如,可以通过格林公式计算热场在一个闭合曲面上的通量,这对于计算热量的传递和热功的计算有着重要意义。
此外,格林公式还可用于推导出热传导方程等重要方程。
除了上述应用之外,格林公式还广泛应用于流场分析、电磁场分析、电力系统分析等领域。
在实际应用中,可以利用格林公式对复杂的问题进行推导和计算,从而得到更加精确的结果。
总结起来,格林公式是矢量分析中的重要定理之一,描述了向量场在一个闭合曲面上面的流量与该向量场的散度在该闭合曲面所围成的空间体积之间的关系。
它在流体力学、电磁学、热力学等领域都有重要的应用。
格林公式的应用
格林公式的应用
1.什么是格林公式?
格林公式是指由英国数学家格林提出的用来计算某一多项式在
某一点的近似值的公式,它是一个多项式的近似值计算公式。
格林公式是基于抛物线(parabola)近似曲线在一定范围内拟合某多项式,其实际应用中是以三次多项式来近似计算出某多项式在某一点的近
似值。
2.格林公式的应用
(1)求解曲线的稳定点:格林公式可用来计算曲线的稳定点,即一阶导数为0时的值。
(2)优化函数:格林公式可用于优化函数,如果给定函数的一阶和二阶导,可利用格林公式求得函数的极值点。
(3)数值积分:格林公式也用于数值积分,能够准确而快速地求得曲线的积分值。
(4)对称函数:格林公式可用于求解对称函数的极值点,比如圆形的半径等。
(5)曲线拟合:格林公式也可以用于曲线拟合来确定某一多项式在某一点的值,从而降低计算的复杂度。
- 1 -。
《格林公式及其应用》PPT课件
n (cos,cos).
v nds L
(P cos Q cos)ds
L
由格林公式
Pdy Qdx =========
(P Q )d .
L
D y x
(格林公式的另一种形式)
称函数
为平面向量场 v (P(x, y),Q(x, y))
的散度.物理意义:稳定流体通过某一闭曲线的流量,等
于其散度在该闭曲线所的区域上的二重积分之值.
(x y)dx (x y)dy
( L )
x2 y2
0dxdy 0.
D1
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结束
铃
这里(L ) 表示多连通区域 D1的正向边界曲线 .这时L按 逆时针方向,而按顺时针方向.因而
(x y)dx (x y)dy
( L )
x2 y2
(x y)dx (x y)dy (x y)dx (x y)dy,
(x y)dx (x y)dy
L
x2 y2
1 r2
2 [r2 (cost sin t)(sin t) r2 (cost sin t)(cost)]dt
0
2
0 1dt 2.
例 4 设函数u(x,y)在有界闭区域D上有连续的二阶
偏导数,L 为D 的边界且逐段光滑.证明:
u
L
u n
ds
y
x
(x2 y)dx (x y2 sin3 y)dy, AO
oA
(x2 y)dx (x y2 sin3 y)dy
AO
0 x2dx 8 .
2
3
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结束
铃
当曲线积分 (x2 y)dx (x y2 sin3 y)dy 与路径无 AB
格林公式及其应用格林公式
格林公式及其应用格林公式格林公式是向量分析中的一个重要定理,也被称为格林-斯托克斯定理。
它是由爱尔兰数学家乔治·格林在19世纪提出的,用于计算一个曲线或曲面上的环流和散度之间的关系。
格林公式的应用非常广泛,可以用来求解流体力学、电磁学和热力学等领域的问题。
下面将介绍格林公式的表达形式,以及它在常见问题中的具体应用。
1.格林公式的表达形式格林公式有两种常见的表达形式,一种是针对平面区域的格林公式,另一种是针对空间曲线的格林公式。
下面将分别介绍这两种格林公式的表达形式。
1.1平面区域的格林公式若D是一个紧致的平面区域,边界为C(C是一个简单、逐段光滑的曲线),向量函数F(x,y)=(P(x,y),Q(x,y))在区域D中具有二阶连续偏导数,则有如下格林公式:∬D(∂Q/∂x-∂P/∂y)dxdy=∮C(Pdx+Qdy)其中,∂P/∂y和∂Q/∂x分别表示P和Q对y和x的偏导数,dxdy表示在D中的面积元素,Pdx+Qdy表示沿着边界C的曲线元素。
1.2空间曲线的格林公式若S是一个有向光滑曲面,它的边界为C(C是一个简单、光滑的曲线),向量函数F(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))在曲面S内具有连续偏导数,则有如下格林公式:∯S(∂R/∂y-Q)dydz+(∂P/∂z-R)dzdx+(∂Q/∂x-P)dxdy=∮C(Pdx+Qdy+Rdz)其中,∂P/∂z、∂Q/∂x和∂R/∂y分别表示P、Q和R对z、x和y的偏导数,dydz、dzdx和dxdy表示在S内的面积元素,Pdx+Qdy+Rdz表示沿着边界C的曲线元素。
2.格林公式的应用格林公式具有广泛的应用,在流体力学、电磁学、热力学等领域都能够找到它的身影。
下面将以几个例子来说明格林公式的具体应用。
2.1流体力学中的应用格林公式在流体力学中常常用于计算流体的环流和散度。
例如,可以利用格林公式来推导速度势函数和流函数之间的关系,进而求解流场中的速度分布。
格林公式及其应用【高等数学PPT课件】
解: 为了使用格林公式, 添加辅助线段 区域为D , 则
它与L 所 围
原式
例5. 验证 数 , 并求出它.
证: 令
在右半平面 ( x > 0 ) 内存在原函
则 由定理 2 可知存在原函数
或
例6. 设质点在力场
由
移动到
作用下沿曲线 L : 求力场所作的功W
解:
令
则有
可见, 在不含原点的单连通区域内积分与路径无关.
第十一章
第三节 格林公式及其应用
一、格林公式
二、平面上曲线积分与路径无关的 等价条件
一. Green公式 闭曲线L的正向: 当沿此方向前进时,L所 围的区域 总在左边.
(Green公式)
格林公式 推论: 正向闭曲线 L 所围区域 D 的面积
例如, 椭圆
所围面积
例1 解
例2. 计算
其中D 是以 O(0,0) , A(1,1) ,
则
1) 计算曲线积分时, 可选择方便的积分路径;
2) 求曲线积分时, 可利用格林公式简化计算,
若积分路径不是闭曲线, 可添加辅助线;
3) 可用积分法求d u = P dx + Qdy在域 D 内的原函数:
取定点
及动点
则原函数为
或
例4. 计算
其中L 为上半
圆周
从 O (0, 0) 到 A (4, 0).
定理2. 设D 是单连通域 , 函数
在D 内
具有一阶连续偏导数, 则以下四个条件等价:
(1) 沿D 中任意光滑闭曲线 L , 有
(2) 对D 中任一分段光滑曲线 L, 曲线积分
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
与路径无关, 只与起止点有关.
《格林公式及其应用》课件
特殊型格林公式
特殊形式的格林公式适用于计算具有特殊形 状的曲线或曲面上的积分,如圆形、椭圆形 等。
格林公式的应用
1 线积分的计算
通过格林公式,我们可以计算曲线上的积分,从而得到与曲线相关的物理量,如流量、 环流等。
2 面积的计算
利用格林公式,我们可以计算平面上的闭合曲线所围成的面积,为测量和计算提供了方 便。
3 体积的计算
基于格林公式,我们可以计算由曲线围成的立体图形的体积,为求解三维图形的体积提 供了便利。
格林公式的计算方法
1
极坐标系下的计算方法
当曲线在极坐标系下表达时,我们可以利用极坐标的性质,简化格林公式的计算 过程。
2
直角坐标系下的计算方法
当曲线在直角坐标系下表达时,我们可以借助直角坐标系的符号和定义,求解格 林公式中的各个参数。
格林公式及其应用
本课件介绍格林公式的形式、应用场景及计算方法,以及灵活应用格林公式 的技巧。让我们一起探索格林公式的奥秘!
什么是格林公式
格林公式是一个在向量分析中常用的定理,它将二重积分与线积分、面积积分联系起来。了解它的基本 原理对于理解多变量微积分至关重要。
格林公式的形式
一般型格林公式
一般形式的格林公式在计算线积分与面积积 分时特别有用,它将曲线的内部区域与曲线 的边界联系起来。
例题分析
给定一个曲线和一个区域,我们将应用格林公式来计算相关的积分和物理 量,以解决问题。
总结
格林公式的优势与不足
格林公式在解决某些问题中非常有用,但在特定场景下可能有其局限性,我们需理解其应用ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ范围和限制。
如何灵活应用格林公式
学习了格林公式的基本原理和计算方法后,我们可以尝试将其巧妙应用于实际问题中,创造 性地解决难题。
格林公式及其应用
平面单连通区域的概念:
设D为平面区域,如果D内任一闭曲线所围的部分都
属D则称D为平面单连通区域,否则称为复连通区域 。通
俗的说,平面单连通区域就是不含“洞”(包括点“洞”) 的
区域,复连通区域是含有“洞”(包含“洞”的区域)。
例如,平面上的圆形区域{(x,y) |1< x2 y2 <4 } 或
2 xy Q d (x ,x y )d y 2 xy Q d (x ,x y )dy
(0 ,
解: 由题意知曲线积分与路径无关,因而有 Q (2xy)
x y
-
即 Q 2x. 于是 Q(x,y)x2(y)其中 ( y)
x
为任意可导函数。 如图所示,取点 A (t,0) , B (t,1) , C (1,0) , D (1,t) . 对所给等式
-
定理1:设闭区域D由分段函数光滑的曲线L围成, 函数P(x,y)及Q(x,y)在上具有一阶连续偏导数,则有
DQ xP ydxdyPdxQdy (1)
其中L是D的取正向的边界曲线。 公式(1)叫做格林公式。
注意哦
对于复连通区域D,格林公式(1)右端应包括沿区 域D的全部边界的曲线积分,且边界的方向对区域D来 说都是正向。
(3) 若函数 P (x,y), Q(x,y) 满足定理2条件
(x,y)
u(x,y)
PdxQd满y 足
x y ( , ) 00
-
duPdxQdy
例 4 设函数 Q(x,y) 在xoy面上具有一阶连续偏导数,曲线积分
L2xydQ y(x,y)dy
与路径无关,且对任意实数 t ,恒有
(t,1 )
(1 ,t)
{(x,y)| 0< x2 y2 <2}都是复连通区域。
格林公式及其应用
格林公式及其应用格林公式是微积分中的一个重要工具,用于计算其中一区域内的面积和体积。
它是由德国数学家格林(Carl Friedrich Gauss)在19世纪初提出的,被广泛应用于物理、工程、经济等领域的计算中。
格林公式的一般形式如下:$$\oint_C (Pdx + Qdy) = \iint_D ( \frac{{\partialQ}}{{\partial x}} - \frac{{\partial P}}{{\partial y}} ) dA $$其中,$C$表示封闭曲线,$D$表示被封闭曲线围成的区域,$P$和$Q$是$D$内的函数,$\frac{{\partial P}}{{\partial y}}$表示$P$对$y$求偏导数,$\frac{{\partial Q}}{{\partial x}}$表示$Q$对$x$求偏导数,$dA$表示面积元素。
格林公式的应用有以下几个方面:1.计算曲线积分:格林公式将曲线积分转化为了面积积分,使得计算曲线积分更加简便。
通过计算封闭曲线上其中一函数和微分形式 $Pdx + Qdy$ 的积分,可以得到围成该区域的面积。
2.计算平面区域的面积:通过格林公式可以计算出封闭曲线围成的平面区域的面积。
将面积元素 $dA$ 替换为 $1$,$Pdx + Qdy$ 替换为$dx$,然后对曲线积分进行计算,即可得到该区域的面积。
3.计算体积:对于封闭曲线$C$,通过格林公式可以计算出围成该曲线的曲面的面积。
再通过计算该曲面旁切平面上函数的面积积分,就可以得到该曲面的体积。
4.计算电场:格林公式在物理学中应用广泛,特别是在电场计算中。
当电场满足一些条件时,可以通过格林公式计算出电场的其中一参数。
例如,在静电学中,可以通过格林公式计算电场的电势差,从而得到电场的分布。
5.计算流体的流量:格林公式在流体力学中也有重要应用。
通过格林公式,可以计算流体从一个闭合曲面流出的流量,从而得到流体的流速和流量。
格林公式及其应用(课堂PPT)
式得:
xdy
x2
ydx
y2
0
10
当 (0,0) D 时,选取适当的 r>0 ,作为于D内的
圆周 l : x2 y2 r2 记 L 和 l 所围得闭区域为 D1 (如图)。
y
D1
0
x
lL
对复连通区域 D1 应用格林公式,得
11
L
xdy
x2
ydx
y2
l
xdy
x2
ydx
y2
0
其中 l 的方向取逆时针方向,于是:
x2 y2 2ax
解:
y a 圆 : (x a)2
2
2
的参数方程为:
x a a cos, y asin,0 2 ,
30
A
1 2
L
xdy
ydx
1
2
[a(1 cos )a cos a sin (a sin )]d
20
2
a
2
(1 cos )d
2
a 2 0
3 . 证明下面曲线积分在整个xOy 面内与路径无关,并计算积 分值:
x
为任意可导函数。 如图所示,取点 A (t,0) , B (t,1) , C (1,0) , D (1,t) . 对所给等式
左端沿折线 OAB ,右端沿折线 OCD直线进行曲线积分,得
y t 1
o
1t
x
18
t
1
1
t
0 0dx 0 Q(t, y)dy 0 0dx 0 Q(1, y)dy.
将前面得到的 Q (x,y) 代入上式,得
5
定理1:设闭区域D由分段函数光滑的曲线L围成, 函数P(x,y)及Q(x,y)在上具有一阶连续偏导数,则有
格林公式及其应用
x 2 ( y) Cy 1 ( x ) x b
Q( 2 ( y ), y ) d y Q( 1 ( y ), y ) d y c
CBE
Q( x, y )d y
EAC
Q( x, y )d y
即 同理可证
①
② ①、②两式相加得:
Q P D x y d xd y L Pd x Qd y
例31.8. 计算 I
B(2,0)的路径.
AOB
(12 xy e y )dx (cos y xe y )dy ,
其中AOB为由点A(1,1)沿y x 2到O(0,0),再沿y 0到
解: 添加辅助线: 直线段BC与CA.
y A
O
I sin 1 e 1.
C
B
x
(2) 若D不满足以上条件,则可通过加辅助线将其分割
为有限个上述形式的区域 , 如图 Q P D x y d xd y
y
D2
D1
L
Dn
k 1 n
n
Dk
Q P d xd y x y
o
x
k 1
Dk
P dx Qd y
(Dk 表示 Dk 的正向边界 )
(1)
其中L取正向.
公式(1)称为格林公式.(Green formula)
证明: (1) 若D 既是 X - 型区域 , 又是 Y - 型区域 , 且
1 ( x) y 2 ( x) D: a xb
y
d x 1 ( y) A
E
y 2 ( x)
D
B
格林公式及其应用
2. 质点M 沿着以AB为直径的半圆, 从 A(1,2) 运动到 点B(3, 4),在此过程中受力 F 作用, F 的大小等于点 M
到原点的距离, 其方向垂直于OM, 且与y 轴正向夹角为
锐角, 求变力 F 对质点M 所作的功.
( 1990 考研 )
解: 由图知 F ( y , x) , 故所求功为
注:若存在连续可微函数 ( x, y) 0 , 使 为全微分方程, 则称 ( x, y )为原方程的积分因子. 在简单情况下, 可凭观察和经验根据微分倒推式得到
思考: 如何解方程
积分因子.
内容小结
1. 格林公式 2. 等价条件
Q P d xd y L P d x Q d y D x y
D L O 1 2x
2. 设
提示: d u ( x, y ) ( x 4 xy ) dx (6 x y 5 y ) d y
4 3 2 2 4
( x 4 xy ) dx (6 x y 5 y )d y C
x 4 y x d x (6 x 2 y 2 0 0
4
3
(5 x 4 3x y 2 y3 ) d x (3x 2 y 3x y 2 y 2 ) d y 0 P 2 Q 6x y 3y , 故这是全微分方程. 解: 因为 y x 法1 取 x0 0, y0 0, 则有
2 2 2 u ( x, y ) 5 x d x 0 (3 x y 3x y y ) d y 4 0 x y
思考与练习
1. 设
2
y
l
且都取正向, 问下列计算是否正确 ? xd y 4y d x l x2 y2 1 1 x d y 4 y d x 5 d 5 π 4 l 4 D 2 2 x y 0时 提示 : xd y yd x Q P l x2 y2 (1) x y 1 1 x d y yd x 2 d Q P 4 D 4 l (2) x y 2π
格林(Green)公式及其应用
• 格林公式简介 • 格林公式的基本性质 • 格林公式的应用 • 格林公式的扩展 • 格林公式的实际例子 • 总结与展望
01
格林公式简介
格林公式的定义
格林公式是一个数学定理,用于描述二维平面上的向量场和路径之间的关系。它 指出,在一个封闭的区域内,沿任意路径的积分等于该区域内散度的体积分。
在实变函数中的应用
证明定理
格林公式在证明实变函数中的一些定 理中发挥了重要作用,如黎曼定理和 克雷洛夫定理等。
求解积分方程
利用格林公式,可以将积分方程转化 为边界积分方程,从而简化求解过程。
04
格林公式的扩展
高维格林公式
总结词
高维格林公式是格林公式在高维空间中 的推广,它描述了高维空间中向量场和 标量场之间的关系。
THANKS
感谢观看
格林公式的变种
总结词
格林公式的变种是原始格林公式的不同形式 或应用,它们在特定情况下可能更加方便或 有效。
详细描述
随着数学和物理学的发展,人们发现了许多 格林公式的变种。这些变种可能在某些特定 情况下更加适用,例如在处理非线性问题或 复杂边界条件时。了解这些变种有助于我们
更好地理解和应用格林公式。
03
格林公式在数学分析中占有重要的地位,是微积分学中的基本定理之一。它为 解决许多复杂的积分问题提供了一种有效的方法,使得许多难以计算的问题变 得简单明了。
对未来研究的展望
随着数学和其他学科的发展,格 林公式在各个领域的应用越来越 广泛。未来,我们可以进一步探 索格林公式的各种应用,如数值 计算、物理模拟、图像处理等。
解决偏微分方程的实例
总结词
格林公式还可以用于解决偏微分方程的问题,通过将 偏微分方程转化为等价的积分方程,可以简化求解过 程。
格林公式
四、证明曲线积分 (3,4) (6xy2 y 3 )dx (6x 2 y 3xy2 )dy (1,2)
在整个 xoy 面 内与路径无关,并计算积分值 . 五、利用格林公式,计算下列曲线积分:
1、 ( x 2 y)dx ( x sin2 y)dy其中 L是在圆周 L y 2 x x 2 上由点(0,0)到点(1,1)的一段弧;
圈时,2n.
八、u( x, y) x3 y 4x2 y2 12( ye y e y ).
九、 1, u( x, y) r .
y
lL
o
x
D1
xd y ydx
xd y ydx
l x2 y2 Ll x2 y2 D1 0d xd y 0
2
0
r
2
cos2
r
r2
2
sin2
d
2
二、平面上曲线积分与路径无关的等价条件
定理2. 设D 是单连通域 , 函数 具有一阶连续偏导数, 则以下四个条件等价:
a cos b sin
,
0 2
所围面积
1 2
02
(abcos2
absin2
)d
ab
2、简化曲线积分
例1. 设 L 是一条分段光滑的闭曲线, 证明
L2xydx x2 dy 0
证: 令 P 2x y, Q x2, 则
利用格林公式 , 得 L2x ydx x2 d y 0dx d y 0 D
A
L1
说明: 积分与路径无关时, 曲线积分可记为
证明 (2)
格林公式应用
格林公式应用
格林公式是一种将面积、体积或曲面积分转化为线积分和一般积分的定理,在物理学、数学和工程学中有广泛的应用。
以下是几个常见的应用:
1.计算曲面积分:使用格林公式可以将曲面积分转化为线积分,从而简化计算,例如计算电场、磁场的曲面积分。
2.计算曲线积分:格林公式可以将曲线积分转化为一般积分或区域积分,用以计算流量、功率、电荷等。
3.流量计算:流量是指液体或气体在单位时间内通过单位面积的空间的体积,通过使用格林公式可以将流量计算转换为曲线积分,从而得到精确的流量值。
4.温度计算:格林公式可以将温度计算转化为线积分,从而得到空间内各点温度的变化情况。
这在热力学、气象学等领域中有广泛的应用。
5.电路理论:格林公式可以用来计算感性电路、电容性电路等的电流和电容等参数。
6.分析力学:格林公式可以用来计算刚体的动量、动能、力矩等物理量。
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称(x, y)是方程的积分因子.
例: ydx xdy 0 不是全微分方程.
取(x, y)
1 y2
,
ydx xdy y2
0是全微分方程 .
即: d( x ) 0, x C是方程通解. 1 , 1 , 1
y
y
x2 xy x2 y 2
也是该方程积分因子30
例1: 求微分方程通解 (x2 2xy y2 )dx (x2 2xy y2 )dy 0
1. P Q 在D内恒成立. y x
du Pdx Qdy,
由定理的条件,有 P Q .
y x
23
例1:计算 (e y x)dx (xe y 2 y)dy, L
L : 过o(0,0), A(0,1)及B(1,2)所决定的圆周的一段弧 .
y
解: P e y x; Q xe y 2y
20
3a2 8
2 sin 2 2tdt
0
3a 2
8
16
三、平面曲线积分与路径无关条件
设P(x,y),Q(x,y)是定义在平面域D上的有界函数,
如果对于D内的任意两点A,B以及D内 从点A到点B的任意两条曲线 , L1 L2
y
Pdx Qdy L1
BD A
O
x
17
定理 :
1. P Q 在D内恒成立. y x
L
L1 L2
Pdx Qdy
L1 L2 ABBA
(Q P )dxdy x y D 8
Q P
( )dxdy P(x, y)dx Q(x, y)dy
x y
L
D
可记为: x y dxdy ÑL P(x, y)dx Q(x, y)dy
DP Q
格林公式实质:
给出了沿闭曲线的第二类曲线积分与二重积分的关系
2) : L 为x2 y2 4的边界正向.
D
O
不能直接用格林公式. 老办法!
x
x 2cos
L
:
y
2 sin
,
0 2
xdy ydx
L x2 y2
2 2 cos 2 cosd 2sin (2sin )d
0
4
2
xdy ydx 1 xdy ydx 1
L x2 y2 4 L
y x
x a cos
直接算,老办法! (x y)dx (x y)dy
L : y a sin ,
L
x2 y2
0 2
2 a(cos sin ) (asin )d a(cos sin ) a cosd
0
2
a2 d
2
0 a2
ห้องสมุดไป่ตู้
a2
(其它方法?)
12
例4:计算
L
xdy x2
0
0
3
3
通解:x3 x2 y xy2 y3 C
31
3
3
称u(x, y)是Pdx Qdy的一个原函数.
全微分方程
称 P( x, y)dx Q( x, y)dy 0 1
或恰当方程
1 的通解为: u(x, y) C
28
2.由前面定理知 :
P Q y x
存在u(x, y), 使du Pdx Qdy.
P(x, y)dx Q(x, y)dy 0是全微分方程.
同理可证 u Q( x, y) .
21
y
D(x0, y)
y•
• A( x0 , y0 )
O
y
Q(x, y)dy y0 x
P(x, y)dx. x0
u使得 : du Pdx Qdy成立。
• B(x, y)
• C(x, y0 )
x
22
4.存在二元可微函数 u(x, y), 使du Pdx Qdy.
4
dt
4
3
2
14
利用格林公式计算平面图形的面积
A
1 2
L
xdy
ydx
.
15
例5:利用曲线积分计算星形线
y
解: S 1
x y (1
a cos3 t a sin3 t
1)dxdy
所围图形的面积.
P y, Q x
2D
o
x 1 ( y)dx xdy 2L
3a2 2 (sin4 t cos2 t cos4 t sin2 t)dt
ydx y2 ,
其中:L由点A( , )经曲线y cos x到点B( , )
解:
L1
:
x
2 cos t
y 2 sin t
xdy ydx
L x2 y2
y L1
LZ
o
x
xdy ydx xdy ydx
LL1 x2 y2
L1 x2 y2
A
B
0
xdy ydx
5
L1 x2 y2
10.3 格林公式及其应用 一、连通区域 二、格林公式 三、曲线积分与路径无关的条件 四、二元函数的全微分求积
1
一、连通区域
1.连通区域 : D内任意两点都可用 D内折线连接起来.
设 平面区域D是由闭曲线L围成的连通区域 , 如果 D内任一闭曲线所围成的 区域都包含于 D , 则称 D 为单连通区域,否则 称为复连通区域 .
A(0,1)
B(1,2)
P e y Q ,
o C(1,0) x
y
x
积分与路径无关 .
(e y x)dx (xe y 2 y)dy L
(e y x)dx (xe y 2y)dy (e y x)dx (xe y 2y)dy
OC
CB
1
(e
0
x)dx
0
2 0 (e y 2 y)dy e2 7
10
例2:计算 (e x sin y my)dx (e x cos y m)dy, L L : x2 y 2 ax顺时针方向的上半圆 . 繁! y 解:可直接利用第二类曲线积分的计算方法.
补上AO,方向A O,使积分变成封闭的.
o
A(a,0) x P ex sin y my Q ex cos y m
4.存在二元可微函数 u(x, y), 使du Pdx Qdy.
证:
y
M(x, y)
M0 (x0, y0 )
D
下面证明
O
x
20
由偏导数的定义,有
y
xx
P(x, y)dx x
M(x, y)
D M0 (x0, y0 )
M1 ( x x, y)
O
x
由定积分中值定理,得 P(x x, y) x, (0 1).
ydx y2 ,
其中:L由点A( , )经曲线y cos x到点B( , )
解:若不换路径,计算困难!
P
y x2 y2
,
Q
x2
x
y2
P y2 x2 Q y (x2 y2 )2 x
补充路径:
y L1
LZ
o
x
A
B
L1 :以原点为圆心,2为半径的圆,逆时针方向 13
例4:计算
L
xdy x2
x y
L
D
其中 L 是 D的取正向的边界曲线 .
4
证明:
先证:ÑL Pdx
D
P y
dxdy
(1) D是单连通区域,
y L2 : y 2 (x)
L
D既是"X型"又是"Y型"区域.
L1 : y 1(x)
oa
bx
D是"X型"区域 D={(x, y) | 1(x) y 2 (x), a x b}
0
0
2
24
例2 计算 xdy ydx , L x2 y2 1) : L 为1 x2 y2 4的边界正向.
2) : L 为x2 y2 4的边界正向.
3) : L为任意包含原点的封闭 曲线,逆时针方向.
解1:
y L1
D
L2
O
x
xdy
ydx
格林公式
0
.
L x2 y2
25
例2 计算 xdy ydx , L x2 y2 y L 解2:
D
P y
dxdy
d
y
L1
:
x
1
(
y)
c
D也是"Y型"区域,
o
D {(x, y) |1( y) x 2 ( y), c y d}
同理可证 :
ÑL Qdy
D
Q x
dxdy
两式相加得:
L
D
L2 : x 2 ( y)
x
6
y
L3
D3
L5
D1
o
区域D不满足上述特点.
将 D 分成三个区域 D1, D2 , D3 .
(ex sin y my)dx (ex cos y m)dy L
(ex sin y my)dx (ex cos y m)dy
L AO
(ex sin y my)dx (ex cos y m)dy
AO
mdxdy
(ex sin 0 m0)dx 0 1 ma2
D
AO
8
4
2dxdy 2
D
26
例2 计算 xdy ydx , L x2 y2
3) : L为任意包含原点的封闭 曲线,逆时针方向.
y
L D
解3:
L1
同理 : 不能直接用格林公式.
O
x 取:L1 : x2 y2 a2包含在L内,顺时针.
x a cos
L1