如何優化用高斯公式求解第二類曲面積分的解法?

2021-02-08 寶刀君的進化之道

    



寫在前面:建議讀者看完題後,先自己親自做下,然後再結合本文分析來看,這樣效果會更好!


各位考研狗辛苦了,先給各位上兩道小菜,讓各位再辛苦下!


兩道第二類曲面積分題目的計算:



哎呦!


不是度過了打拼的年齡,就應該退隱江湖嗎?

不是度過了打拼的年齡,就應該食山果飲甘露,日撫瑤琴夜讀詩書嗎?

2009年的第二型曲面積分,這貨怎麼又重出江湖興風作浪了?



難道說武林有一場大事發生?


稍作鎮定下來,我定了定神,思考第二型曲面積分長啥樣?

1  第二型曲面積分長啥樣?

第二型曲面積分呢,也叫對坐標的曲面積分,題目中會出現P、Q、R三個的積分,它長這個樣子」


繼續展開思考哦~

假如現在就讓你算一個曲面積分,沒有P、Q這兩個函數,只有R,這裡的曲面取得比較特殊,它就取的是一個xoy上的一個平面區域,那你想一下,我可以不可以這樣講:這其實就等同於算一個平面區域上的二重積分?、



不可以!


為什麼?


因為第二型的曲線積分、第二型的曲面積分啊,一定要注意方向!

剛才所提問的,其實是沒有指明方向,如果你說清楚這裡的平面區域是向上或者向下,那麼在結果上就要加正號或者負號。


2 第二型曲面積分的計算


還記得第二型曲面積分怎麼計算嗎?有幾種方法呀?」


有兩種解法。


一種是咱們平時的基本計算,也就是將第二類曲面積分化為二重積分來計算;

另一種計算辦法是高斯公式法,也就是將第二類曲面積分轉化成3重積分。



進一步展開講講這兩種方法:

3 第一種計算方法


在第一種方法中,我們把它叫做:一代二換三定號」。


所謂一代,指的是將曲面方程代入被積函數,即將被積函數中的某一個量藉助曲面方程來表示出來,這一步是必須做的。

所謂二換,指的是將ds換成dxdy,將曲面sigma換成Dxy,當然,這裡講的是假設它投影到xoy平面,

最後所謂的三定號,指的是需要我們最後在二重積分的結果前面加上正負號,上為正,右為正,前為正,其餘為負,主要是看平面的法向量方向與z軸正向的夾角為銳角還是鈍角,如果是銳角,則為正,反之則為負。


4 第二種計算法---高斯公式法!


第二個計算方法—高斯公式法呢,乃高斯前輩所創,這套方法是將第二類曲面積分化成了3重積分來計算,雖然說積分重數上增大了,但是實際上簡化了運算」。



既然是有用的公式,那麼就有對應的使用條件,針對使用條件,考試中心那幫人肯定就會給你使壞,給你破壞公式!




術 清晰了,咱們回看開頭給的那兩道小菜!


不就是計算第二類曲面積分嗎?我用高斯公式分分鐘滅掉你!來吧!比試比試!


5 第一題的解答

第一題的解答如下:


如果你的答案是上面的,那麼恭喜你!


數字對了,步驟錯了!


你得不到滿分!!!


什麼情況?難道是敵人布下了陷阱?我們上當了???


低下高昂的頭顱,重新認真分析,可惡,這題所給條件不封閉,我得加個面,然後將曲面方程代入到被積函數中,很熟悉的套路!


咦?哪裡好像不對勁?


啊!竟然是它!又是你—不連續!!!我知道哪裡出問題了!重新來戰!!!




說時遲,那時快,我輕輕畫了一條線,重新排了順序,轉眼間得到滿分了!!!


補充的那個面含有奇點,如果先補面,然後再帶入,勢必會讓高斯公式失效,發揮不了威力,因此只能先將曲面方程代入被積函數,打好這個頭陣,然後再補面!



思考完畢,我將自己對這道題的學習心得寫在了旁邊:



就算是加面減面,也得將順序調整好!

6 第二題的解答(2009年真題!)

既然是加了個面,那我就減去這個面(不要管什麼積分符號,就按照最簡單的數學加減來想),緊接著再利用高斯公式,轉化成3重積分,最後成功算出了答案!


答案雖好,可是卻費時費力!!!


眼尖的同學,估計已經看出來這道題在哪出現過了,它不僅僅是一到考研真題,更是2018某數學18講中的一道例題!圖片為證!



考研狗們,需要你靜下心來思考一下了!


做題絕不是做出個答案,一看對了就萬事大吉了,不要忘了優化!


試想一下,等到你正式上戰場時,拼的就是速度和準確度,你這個解法在前面計算偏導數時,耗費了大量的時間,而且萬一在考場上緊張呢,忙中出錯呢???


像只用這種教材輔導書教出來的徒弟,做了不多多思考,恐怕在戰場上會大大的吃虧!


   


破敵之道,關鍵就是寶刀君平日強調的「穩、準、快」!


怎麼破?怎麼樣提高速度?誰能告訴我?


哪位高數前輩可以告訴我?費馬?拉格朗日?格林?高斯?


對了,格林、高斯!我知道怎麼做了!!!


優化後的解法如下:



能寫出上面這個答案的,估計就是已經將格林公式和高斯公式融會貫通了!!!



事實上,格林公式和高斯公式有異曲同工之妙,回想一下格林公式:任何2條同向包含奇點在內的封閉曲線,兩條曲線積分的結果都是一樣的,那麼回到高斯公式上,任何包含奇點在內的兩個曲面,只要方向相同,那麼他們兩的曲面積分記過也是相同的,經過這樣構造的曲面方程,就可以順利的去掉分母,然後再次使用高斯公式,簡化計算!!!」



其實,從剛才第二題的第一個解法步驟中,其實我們也能發現,原式的曲面積分積分值,就等於重新構造的在這個同向曲面上的積分值,就是:



那麼,格林公式和高斯公式又有何不同呢?


像之前的第二類曲線積分,你如果碰上了,一定要用格林公式,而至於高斯公式嘛,滿足條件你就用,如果不滿足,那就老老實實的用第一個計算方法吧!

7 總結

以上是對第二類曲面積分的分析,這個內容確確實實是考研考試中的重點,但是我們不要忘了,還有第1類曲面積分呢?它要是哪一年冷不丁出出來,難度一點都不必第二類曲面積分難度小!


如何應對?


點擊文末下方的閱讀全文,讓寶刀君在知乎上發表的文章告訴你!


以上內容為「考研擺渡人寶刀君」原創,歡迎轉發,未獲授權,轉載必究!



相關焦點

  • 2011年考研數學高數預測:曲線、曲面積分(數一)(全文)
    考點1:結合性質計算第一類曲線積分
  • 《高斯公式與斯託克斯公式》專題練習與參考解答
    對兩類曲面積分相關問題及計算思路的分析、探討,在《公共基礎課》課堂中有多個課程針對不同問題類型進行了詳細的分析與探討,尤其是其中的《專題教學:積分不等式證明和對面積的曲面積分計算》在線課堂更是結合實例對相關的問題求解思路、問題類型、涉及的知識點等進行了詳細的討論,並對相關內容進行擴展與延伸,如高斯公式、斯託克斯公式的反向應用
  • 2017考研數學一備考之第二類曲面積分的計算方法
    2017考研數學一備考之第二類曲面積分的計算方法   第二類曲面積分也稱為對坐標的曲面積分,常常是針對數一同學考查的重點。且第二類曲面積分有時常常需要轉化為三重積分的計算,甚至有時會和空間解析幾何結合起來一起進行考查 .
  • 新角度輕鬆解決第一類曲面積分
    第一類曲面積分是在二重積分的基礎上拓展而來。二重積分描述的是函數對位於x軸y軸平面上的一塊區域面積的積分,而第一類曲面積分則是將積分區域拓展至三維甚至更高維的空間。那麼第一類曲面積分幾何意義是什麼呢?在不易畫出積分區域的前提下,如何正確計算第一類曲面積分?
  • 專題47:高斯公式、斯託克斯公式及常見物理量的計算內容小結、應用與典型題
    關於各類計算之間的關係的討論和對兩類曲面積分相關問題及計算思路的分析、探討,在《公共基礎課》課堂中有多個課程針對不同問題類型進行了詳細的分析與探討,尤其是其中的《專題教學:積分不等式證明和對面積的曲面積分計算》在線課程更是結合實例對相關的問題求解思路、問題類型、涉及的知識點等進行了詳細的討論,並對相關內容進行擴展與延伸,如
  • 曲線曲面積分與重積分知識點匯總
    1.2 斯託克斯公式學了斯託克斯公式以後, 我們知道空間第二型曲線積分還有另外一種極端重要的方法——轉化為第二型曲面積分. 這時要求積分曲線是一條周線, 從而圍成一個面, 這個面就是化為第二型曲面積分後的積分區域. 例題見之後的 2.3. 2.
  • 詳解有理函數不定積分的通用解法
    有理函數不定積分的通用解法雖然複雜、不易理解,但幸運的是,在考試中基本不需要用到有理函數不定積分的通用解法。儘管如此,理解通用解法,對提升解題能力、理解能力都是有益無害。1. 什麼是有理函數不定積分?當被積函數的分子或分母均為自變量的n次多項式時,此時的不定積分為有理函數不定積分。下方左圖是有理函數不定積分的三個例子,下方右圖為非有理函數不定積分的例子。2.
  • 2018考研數學複習:巧用對稱性計算第二類空間曲線積分
    勤加練習,熟能生巧,方法公式就擺在課本上,希望考生在日常聯繫中夯實基礎,在考場上才能運用自如。以下是小編為考生們梳理的2018考研數學複習:巧用對稱性計算第二類空間曲線積分相關內容,希望大家堅守初心,盡全力備戰2018考研。   曲線積分和曲面積分是高等數學的一個重要章節,是考研數學(一)的必考內容之一,也是一個難點。
  • 考研樹洞第三期:如何計算三重積分
    三重積分的計算三重積分這部分內容是數一的多元積分學中的重要部分,因為不僅除了重積分的計算題會考到三重積分,第二類曲面積分的計算也有很大可能考到三重積分(使用高斯公式的情況)。三重積分的確有一定難度,因為它需要大家熟悉空間區域,會畫圖形,然後會選擇正確的積分方法,並能正確的計算。
  • 2020山東考研數學高數考前梳理:曲線積分與曲面積分
    2020山東考研數學高數考前梳理:曲線積分與曲面積分 2019-12-06 17:09:30| 山東中公教育小編為了方便大家更好的備戰2020山東考研數學,特為大家帶來:
  • 《高等數學》常見題型一般求解思路、方法、知識點總結與典型題分析
    >題:基於對數函數法和麥克勞林公式計算函數極限●基於對數函數法和麥克勞林公式計算函數極限(23分鐘)第3題:基於分部積分遞推公式計算積分的思路與方法●基於分部積分遞推公式計算積分的思路與方法(16分鐘)第4
  • 《數學基本問題的MATLAB解法》詳細目錄
    >3.11  曲線積分與曲面積分3.11.1 曲線積分的概念3.11.2 曲線積分的筆算方法簡介3.11.3 曲線積分的MATLAB計算3.11.4 兩類曲線積分的聯繫3.11.5 格林公式及其應用3.11.6 曲面積分的概念3.11.7 曲面積分的筆算方法簡介3.11.8 曲面積分的MATLAB
  • 「曲面面積和曲面積分」圖解高等數學下 第25節
    關注遇見數學, 遇見更精彩的自己13.5 曲面面積和曲面積分計算曲面積分的技巧是要將其轉換成平面區域的二重積分.曲面面積觀察下圖曲面 S 以及它的垂直投影.將所有小平面分割近似所有的小區面, 這樣就構成了曲面 S , 因此其和式就是曲面 S 面積的一個近似, 而不斷的細分 R 後, 即為下面二重積分的近似.
  • 一篇致敬數學家高斯的論文:任意N階積分型高斯行星運動方程解析解| 遇見論文#29
    2020年7月,Aerospace Science and Technology國際期刊在線發表了西北工業大學黨朝輝副教授等人的論文,報導其採用一種全新解法,創造性地建立了任意N階積分型GVEs解析解,將該問題得到了完整解決。本文將簡要介紹這一成果的主要思想,並結合作者研究的心路歷程講述研究背後的苦與樂。
  • 2017考研數學衝刺:必須死磕的幾個知識點 用生命記住
    (幾何應用:面積、體積、曲線弧長和旋轉面的面積(數一、二),物理應用:變力做功、形心質心、液體靜壓力)  7、變限積分(求導)  8、廣義積分(收斂性的判斷、計算)第五章空間解析幾何(數一)  1、向量的運算(加減、數乘、數量積、向量積)  2、直線與平面的方程及其關係  3、各種曲面方程
  • 高等數學入門——基本積分表的擴充及不定積分的一題多解舉例
    本節我們來對用換元法計算不定積分作一些補充介紹,主要包括總結一些利用換元法推導出的常用積分公式,以及通過一個典型例題來說明很多不定積分可以利用多種方法求解,並且得到的原函數在形式上可能有所不同。(由於公式較多,故正文採用圖片形式給出。)