8.4 习题课讲解
例 8.4.1
记,设满足,证明:
证明
由题得
注意到
记(自然正向),则有
由积分中值定理可得使得
例 8.4.2
设为有界开集上的调和函数(记),证明:
-
(1)
-
其中、、、为的单位外法向量。
-
(2)
-
其中为以为圆心、为半径的位于中的任意圆周。
证明
(1) 注意到
原积分在处有瑕点。记(自然正向),,由Green公式可得
注意到,计算可得
由积分中值定理可得使得
由积分的三角不等式可得
因此
(2) 由(1)的结论可得
例 8.4.3
计算:
其中是曲线(),从轴正方向看去为逆时针方向。
证明
首先需要利用对称性。观察到曲线关于平面对称,在对称点上(以及)大小相等、符号相反(见图 8.4.1),故有
其次,本题的关键在于选择合适的曲线参数化方式。一种自然的想法是利用,故可取
计算可得
另一种想法是利用球坐标,即
因此曲线可参数化为
其余计算过程与前述相同。
例 8.4.4
(例5)求
其中是球面片的边界曲线,绕向量按右手定则旋转。
解
直接利用Stokes公式并不是一个好的做法,因为3段积分曲线分别在3个坐标平面上,直接计算并不麻烦。利用的轮换对称性可得
其中分别为在坐标平面的部分。对于,计算可得
例 8.4.5
(例10)设在上半平面内,函数具有连续偏导数,且对任意的都有。证明:对内的任意分段光滑的有向简单闭曲线,都有
证明
不妨设为自然正向,记围成的区域为。由于在上半平面内,故有
因此
设的原函数为,则有
例 8.4.6
设是微分同胚,;为有界闭区域,其边界分段,。用Green公式证明:
证明
首先,我们需要证明以下引理:
引理 8.4.7
将映射为,则映射前后曲线正向是否改变取决于的符号。
引理证明
我们首先需要给“曲线正向”一个数学表述。
对于平面闭合曲线,其前向单位切向量为、外向单位法向量,轴的(正向)单位向量为,则的符号反映了的定向。设分别为与同向的切向量、法向量,则的符号反映了的定向。
设由确定(否则考虑),则为外法向量(指向增大的方向)。设可以参数化为,则为前切向量。
现考虑变换、,令,则由确定,;可以参数化为,则。记,由链式法则可得
因此、。
设,等式两端分别同乘,结合可得
记
则有
故的符号与相同。
引理证明结束,我们回到原命题。注意到
若,则映射前后曲线正向不变,故有
若,则映射前后曲线正向改变,故有
综上所述,原命题得证。