10.2 知识点复习

10.2.1 平面区域的面积

在一元微积分中,我们可以计算以下类型的平面区域的面积:

(1)

y1,y2R[α,β]满足y1(x)y2(x),则y1,y2围成的有界区域的面积为(1)S=αβ(y2(x)y1(x))dx

(2)

对于由参数方程确定的简单闭曲线γ:[α,β]R2,记t(x(t),y(t)),其围成的有界区域的面积为(2)S=γxdy=αβx(t)y(t)dt=γydx=αβy(t)x(t)dt=12γ(xdyydx)=12αβ(x(t)y(t)y(t)x(t))dt=12γrdr=12αβr(t)r(t)dt 上述积分是有向积分,曲线γ的参数增加方向需要满足区域的自然正向,即:在区域边界按参数增加方向前进时,区域位于左手一侧。

(3)

平面极坐标系下,(3)S=12γr2dθ=12αβr(t)2θ(t)dt=12θ1θ2r(θ)2dθ 在(2)中的第三个公式中代入x(t)=r(t)cosθ(t)y(t)=r(t)sinθ(t)即可得到上式。

10.2.2 曲线的弧长

正则曲线x(t)C1([α,β];Rn),满足x(t)0,则其弧长为(4)L=γdl=αβx(t)dt

(1)

在空间直角坐标系下,(5)dl=dx12++dxn2=x1(t)2++xn(t)2dt

(2)

在平面极坐标系下,我们有x(t)=r(t)cosθ(t)y(t)=r(t)sinθ(t),则(6)dl=dx2+dy2=r(t)2+r(t)2θ(t)2dt=dr2+(rdθ)2

(3)

在空间柱坐标系下,我们有x(t)=r(t)cosθ(t)y(t)=r(t)sinθ(t)z(t)=z(t),则(7)dl=dx2+dy2+dz2=r(t)2+r(t)2θ(t)2+z(t)2dt=dr2+(rdθ)2+dz2

(4)

在空间球坐标系下,我们有x(t)=r(t)sinθ(t)cosϕ(t)y(t)=r(t)sinθ(t)sinϕ(t)z(t)=r(t)cosθ(t),则(8)dl=dx2+dy2+dz2=r(t)2+r(t)2θ(t)2+r(t)2sin2θ(t)ϕ(t)2dt=dr2+(rdθ)2+(rsinθdϕ)2

以上公式可以借助图像直观地理解,如图10.2.1所示。

PIC
(a) 柱坐标系
PIC
(b) 球坐标系
图 10.2.1: 三维空间中两种常用的正交曲线坐标系

10.2.3 曲线的曲率

正则曲线的弧长参数定义为(9)l(t):=αtx(s)ds 于是(10)l(t)=x(t)>0 因此l(t)C1的反函数t(l),用弧长参数表示的曲线方程x~(l):=x(t(l))满足(11)x~(l)=x(t)x(t),x~(l)=1,x~(l),x~(l)=0 这是一个以单位速率运动的曲线,其加速度与速度正交,是曲线的主法向量。曲线的曲率定义为(12)κ:=x~(l)=x(t)×x(t)x(t)3

10.2.4 旋转体与旋转面

平面封闭曲线γ:[α,β]R2位于x轴的一侧(包括x轴本身),它绕x轴旋转一周得到曲面Σ和旋转体Ω,则旋转面(即旋转体侧面)面积为(13)A=γ2πydl=2παβy(t)x(t)2+y(t)2dt 旋转体体积为(14)V=γπy2dx=παβy(t)2x(t)dt 上述积分中的符号来自于曲线定向。

祖暅原理:沿一个方向把Ω切割成与x轴垂直的一系列薄片,其近似为柱体,设截面面积为A(x)、薄体厚度为dx,则薄体体积为dV(x)=A(x)dx,因此(15)V=αβdV(x)=αβA(x)dx 曲面面积的计算是一个很微妙的问题,我们将在多元微积分时有更深入的(但仍是初等的)讨论。

10.2.5 质心与加权平均

X[α,β]R为连续的随机变量,其概率密度函数为f,则有(16)αβf(x)dx=1 定义分布函数F:[α,β][0,1](17)F(x):=αxf(t)dt,x[α,β](18)dF(x)=F(x)dx=f(x)dx 反映了随机变量X落在[x,x+dx]的概率。

ϕ:[α,β]R,则ϕ(X)的期望为(19)E[ϕ(X)]=αβϕ(x)dF(x)=αβϕ(x)f(x)dxX为几何体的质量,ϕ为恒等映射,则几何体的质心为(20)xc:=xdmdm=αβxρ(x)dxαβρ(x)dx=:αβxf(x)dx 其中ρ为线密度函数(单位长度几何体的质量),权函数(概率密度函数)f的定义为线密度函数的归一化,即(21)f(x):=ρ(x)αβρ(t)dt

以上概念容易推广到高维空间中。