誰能快速破解二型曲面積分?唯我高斯公式!

2021-01-18 寶刀君的進化之道



果不其然,將軍我在昨天發的帖子文章:急報!雕兄傳來書信:計算第二型曲線積分的格林公式怎麼破?猜測的沒錯!


敵人又來挑釁了!


一大早,雕兄就嗷嗷叫,叼著新到的書信傳到我的面前。


我拆開一看,真是如我所料,繼昨天敵人派出第二類曲線積分格林公式折磨同伴後,今天又派來第二類曲面積分考驗我等智商!更尤為可恨的是,這次他竟然直接把2009年的那道真題給派出來了:




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,我用助手遞過來的毛巾擦了擦臉,重新看了看題,細思極恐啊!頭上露出了像大家平時都描述的黃豆大的汗珠。


助手察覺到我的異樣,問道:「將軍,您臉色有點不大對勁,究竟是怎麼了?」


「小丹,你還記得第二型曲面積分嗎?記得它長啥樣嗎?」


「記得啊」,助手小丹機智的回答道,「這個第二型曲面積分呢,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」



「嗯,回答得不錯,那我再問你,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,那你說,我可以不可以這樣說:這其實就等同於算一個平面區域上的二重積分?」我注視著助手,微笑著對她說。



「將軍,不可以!」沒想到助手這麼快就回復了我。


「哦,為什麼這麼肯定呢?說說你的看法吧」


「將軍,您是在考我,我記得之氣將軍學習時給我講過,這個第二型的曲線積分、第二型的曲面積分啊,一定要注意方向!,像將軍剛才所講呢,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。」小丹得意洋洋的說道。


「哈哈,不錯不錯!回答得真好!不枉我平日裡對你大力的栽培啊」


聽到助手的回答,我甚是開心,問了兩個問題,她都回答的清清楚楚,明明白白,真沒想到她挺聰明啊!平日裡,軍中各個大小事務忙的讓我從沒有仔細看過她,沒想到今早仔細看看助手,發現她挺漂亮啊!


既然她已經連續回答對了2個問題,那就不妨再考考她,順便也檢驗我跟隨各位數學系前輩學習的效果。


「助手,那你還記得第二型曲面積分怎麼計算嗎?有幾種方法呀?」


「報告將軍,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。小女子鬥膽將將這兩種方法稱為2223。」助手信心滿滿的回答道。



「恩恩,說得真好,框架很清晰嘛,那你能進一步展開講講這兩種方法嗎?」


「恩,我試試啊,我記得上次高斯前輩再給您授課時,曾總結過在這兩個方法,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。」


助手的回答已經令我非常滿意了,我不覺得又仔細看了她兩眼,發現她最近進步神速啊!


助手繼續說道,「而第二個計算方法—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」。



「恩恩,對,高斯前輩當年在創立這套劍法之後,也曾親自給我傳授過他的這套劍法的應用場景以及限制條件,而這套劍法的弱勢之處恰恰就是敵人死死抓住不放的地方,因此每次和高斯前輩一塊並肩作戰時,我都要先幫他打頭陣,掃清前方的障礙,然後高斯前輩順勢而下,直搗對方黃龍老巢!」。



「恩恩,是的呢,每一次您和高斯前輩作戰時,我就在旁邊學著分析呢」。


「大清早的就在這討論戰術學習之道啊,真是應了你們中國人講的:宣父猶能畏後生,丈夫未可輕年少這一句詩詞啊」


一聽這渾厚的聲音,我就知道是我的恩師—高斯前輩過來了。


「高斯前輩早上好!我們在這裡學習你創的那套專門對付第二類曲面積分的劍法呢,您來的正好,剛好可以和您一塊討論下」。我望著高斯老前輩,畢恭畢敬的說道。


「和你們年輕人在一起討論問題,這正是我求之不得的事兒呢」高斯前輩哈哈大笑道,「今早我聽雕兄弟又傳來新的書信了,是否確有此事?」


「恩恩,確有此事,助手,你將書信呈上來,讓高斯前輩看看」。


吩咐完,助手呈上了書信內容。



在高斯前輩看題目的過程中,助手主動請纓道:「前輩,跟隨你們幾位好久了,我對您教的這套劍法也有一些心得,這個第一題,您看可以讓我和您一塊攻克嗎?」


「可以呢,走起!」


說完後,之間助手和高斯前輩搜的越到大梁之上,兩三回合之後,呈上的答案如下:


暫且不論答案是否正確,我只是注意到高斯前輩有些力不從心,一直在那哮喘!


什麼情況?難道是敵人布下了陷阱?我們上當了???


我趕緊快速看助手做的答案,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!!!我知道助手哪裡出問題了!


說時遲,那時快,我騰空一躍,揮舞起我的大刀,輕輕挑起一行線,重新排了順序,轉眼間高斯前輩又生龍活虎的站起來了!



「多謝將軍救命之恩,還好你出手快,不然老夫就不能一路陪你去斬妖除魔了」,高斯前輩雙手作揖。



「哪裡哪裡,晚輩還要感謝前輩平日裡的諄諄教導呢,前輩教我的劍法,我一直熟背著,未敢忘記,剛才突然記起來了前輩劍法的使用條件,於是就調整了順序,您看,我做的對否?」


說完,我將自己對這道題的學習心得寫在了旁邊:



前輩看完後,兩眼放光,豎起大拇指對我說:「善哉善哉,將軍威武!將軍所寫內容,的確是老夫劍法的精妙之處,要想順利用老夫的這套劍法,一定要在前面鋪好路,就算是加面減面,也得將順序調整好!」


「哦,我知道自己哪裡錯了,我應該把將軍劃紅線那一部分寫到前面,然後將曲面方程代入到被積函數中,接下來再補面,這樣就能讓高斯前輩所向披靡了!」助手歡快的說道。


「恩恩,對的!助手你還得再繼續跟著大將軍學習哦」


「恩恩,那既然這道題只這樣做,我看第二道題題幹和它差不多,這道題還能讓我再試一次嗎?」


不知為何,今天助手小丹頻頻表現,而且表現的還都不錯,畢竟她是個姑娘,既然有這樣的學習欲望,何不如她所願,就暫且讓她一試吧!


「試當然可以試,只不過你這次可不能再讓高斯前輩再受傷了哦!」


「恩恩,我知道的呢,我已經認真分析完這道題了,它這道題也是存在不連續的點,我試著補了個面,並取了外側,前面這些鋪墊已經做好了,就等高斯前輩出場了呢」


「哈哈,你這丫頭片子真有兩下子啊,計算速度還挺快的,那老夫就陪你走一遭」


說完後,之間我的助手刷刷刷在牆面上驗算了三個偏導數的和,然後又利用算術加減規則,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),緊接著高斯前輩出場了2次,轉化成3重積分,最後成功算出了答案!


這時候,之間高斯前輩面不改色,看來和我判斷的一樣,助手這次做對了!!!


雖然高斯前輩看起精神抖擻,可是,可是我的助手卻疲憊不堪了!


什麼情況?助手,你是怎麼了?是天氣太熱中暑了嗎?


望著助手她那煞白的臉,我的內心竟然有一絲觸動。

    

      


「啟稟將軍,這道題消耗了我的功力,你是知道的,到咱們正式上戰場時,拼的就是速度和準確度,但是我這次是速度沒跟上去,在前面計算偏導數時,耗費了大量的時間,而且剛才還有點緊張,老怕自己出錯,還好是對的,但是我的過程太長了」(正式考試或者模擬考試時,相信各位考生就能感受出來)


聽完助手的一番話,我猛地回想起來,破敵之道,恰恰就是這幾位數學系的前輩平日所強調的「穩、準、快」啊!


助手雖然做到了穩和準,但在「快」這一點上,做的水準好像還達不到!


怎麼破?怎麼樣提高速度?誰能告訴我?


哪位前輩可以告訴我?費馬?拉格朗日?格林?高斯?


對了,格林、高斯!我知道怎麼做了!!!


片刻間,我舉起大刀,在牆面上揮灑了2下,順勢和高斯前輩又表演了一出,只不過這次,高斯前輩出場了一次,我們兩總共破這個題的時間也少了好多!我的刀法如下:



「將軍真是聰慧過人啊!你把我和你格林師傅傳授你的所學都已經融會貫通了」


「前輩過獎了,主要是2位前輩教得好,我只不過是稍微遷移了一下下而已」


「其實將軍能意識到提高速度已經很不錯了,事實上,格林老頭創的刀法和老夫的劍法有異曲同工之妙!


昨日你和格林老頭切磋武藝時,已經給出了任何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,那麼回到老夫創的高斯公式劍法上,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!!!」



「恩恩,高斯前輩總結的妙!其實,從剛才助手和您聯合破敵的過程也能看出來,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,就是您總結的這樣,您看」


「大將軍悟的對!相信大將軍最我和格林老頭所傳授的這點武學已經學會了,老夫甚是開心!不過,老夫提醒將軍,像之前的第二類曲線積分,你如果碰上了,一定要用格林老頭創的那套刀法,而至於老夫創的這套劍法嘛,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,這,就是格林老頭比我更受歡迎的原因啊」


「高斯前輩和格林前輩都是我的恩師,你們的武學之道我一直奉若神明,只要破敵之時,滿足條件,那我肯定會用你們的絕招呢」


「恩恩,我們兩都針對的是第二類線面積分的計算,不過依老夫對那考研數學大魔頭的了解,它有時不按常理出牌,偶爾也不讓我們登上歷史舞臺,雖然對第二類曲面積分是頻繁考,但也不能忽略考第一類曲面積分,這麼多年,關於第一類曲面積分的2次戰役深深的印在我的腦海裡,揮之不去,」


「哦,您說的是哪2個年份呢?」


「哎,關於第一類曲面積分的考察,那兩場戰役死傷無數,那兩個年份對大多數考生來說都是噩夢,這兩個年份相隔10年,具體年份明日再透漏給你吧」。


「哦,原來如此,但是它第一類曲面積分也不難啊,這廝又能掀起什麼腥風血雨?」


 我心裡喃喃自語道,「想當年令狐衝大俠在面對武當山下的三位高手時,也未曾有所退縮,還不是憑著一身膽氣,用獨孤九劍破了衝虛道長的太極劍法」。


「將軍萬萬不可輕敵啊,第一類曲面積分的題出出來,那就不是它一個人在戰鬥了,它會召集它的狐朋狗友,一起來迫害考生」


不知真的,心頭聽完這話,猛地一顫,難道真的像高斯前輩所言嗎?

究竟是哪一年?

真題中第一類曲面積分會綜合哪些只是來考?


正當我準備問高斯前輩時,高斯前輩好像看出了我的心思,說道:「大將軍你今天重新學習了這麼多知識,碼了這麼多字,況且這又不是簡單的寫小說,這是在寫武俠版的高等數學,不可相提並論,還是先讓諸位看官給你點個讚,順便幫你打賞幾個銅板,讓助手幫你做頓可口的飯菜,明日咱們再切磋吧」


「對了,助手啊,今天就做滬式白斬雞,明天的戰鬥量會更大,需要給將軍補補啊!」



「恩恩,好嘞,我知道啦」。


望著助手和高斯前輩遠去的背影,我不由得再次陷入沉思:

明天究竟會有怎樣的惡戰呢?

第一類曲面積分究竟會和誰一塊來擋我?

我還需要做什麼樣的準備?

.........



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