对称性在曲线积分中的应用_第二型曲线积分对称性
时间：2020-03-28 07:44:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
内容摘要:在计算对称区间上的定积分和对称区域上的重积分时,适当利用积分区域和被积函数的对称性可起到简化计算的作用。同样,在曲线积分的计算中,也可利用对称性简化计算。 关键词:对称性;曲线积分;实例
中图分类号:O13 文献标识码:A
在各类《高等数学》教材中,在计算对称区间上的定积分和对称区域上的重积分时,适当利用积分区域和被积函数的对称性可起到简化计算的作用,但在曲线积分却很少谈及。实际上,在曲线积分问题中,也有相应的问题。如果把定积分、重积分视为线积分的特殊情况,则奇偶性、对称性这些在特定情况下的性质就可以推广到一般的线积分中。
探讨如何利用对称性计算曲线积分及曲面积分,使得曲线(面)积分更为简便、快捷。笔者通过自己的实践经验,运用实例,提出了自己的观点,希望能够起到抛砖引玉的效果。
一、曲线积分中的对称性问题
定理1:设平面[或空间]曲线C由关于点P(或直线l)[或平面a]对称的曲线C1和C2组成,且设M(∈C1)的对称点为M(∈C2),则
例1:计算 ,其中C:(x2+y2)2=a2(x2-y2)。
解:由于f(x,y)=|y|,而曲线C关于x轴、y轴对称,由定理1就只考虑第一象限部分的曲线积分即可。采用极坐标,令x=ρcosθ,y=ρsinθ,于是C的方程化为:ρ2=a2cos2θ
令又
由定理1:得。其中C1是曲线C在第一象限的部分。
例2:计算 ,其中Σ为平面z=π/2,0≤x≤π,0≤y≤π的上侧。
解:
其中Dxy={(x,y)�0≤x≤π,0≤y≤π}为Σ在xoy平面的投影。
定理2:设f(x,y)在光滑或分段光滑的平面曲线L上可积,L关于直线l对称。若f(x,y)关于直线l为奇函数,则
若f(x,y)关于直线l为偶函数,则,其中L1为L在直线l一侧的部分。
推论:设f(x,y)在光滑或分段光滑的平面曲线L上可积,L关于直线x=a对称。若f(2a-x,y)=-f(x,y),则;若f(2a-x,y)=f(x,y),则 ,其中L1为L在直线x=a一侧的部分。
例3:设f(x,y)函数在曲线L上连续,其中L关于直线x=a对称,弧长为s。计算 。
解:令 ,(x,y)∈L,则g(2a-x,y)==-g(x,y),即g
(x,y)关于直线x=a为奇函数。由定理1的推论2知
。
于是,
二、利用积分曲线关于变量的轮换对称性
定义1:设 ,如果 ,就都有P2(x2,x3,…xn,x1)∈Ω,…,Pn(xn,x1…,xn-2,xn-1)∈Ω成立,所以称区域Ω关于变量x1,x2,…,xn-1,xn具有轮换对称性。定义2:设函数F(x1,x2,…,xn-1,xn)≡F(x2,x3,…,xn,x1)≡…≡F(xn,x1,…,xn-2,xn-1)
则把函数F(x1,x2,…,xn-1,xn)称为关于变量x1,x2,…,xn-1,xn具有轮换对称性。
定理3:对于第一类平面曲线积分,如果积分曲线L关于变量x,y具有轮换对称性,则
(1) ;
(2)当L关于y=x对称,L在y=x的上半部分为L1,在下半部分为L2,则
定理4:对于第一类空间曲线积分,如果Γ关于x,y,z具有轮换对称性,那么
定理5:如果积分曲线Γ关于x,y,z具有轮换对称性,那么
例4:试计算 ,
其中(1)Γ:x2+y2=a2 ;(2) ,
解: ∵积分曲线关于变量x,y 具有轮换对称性,
∴由定理6:得
∵积分曲线关于变量x,y,z具有轮换对称性,
∴由定理7:得
参考文献:
[1]徐海娜.对称性在曲线积分计算中的应用[J].高校理科研究,2009,01
[2]程希旺.对称性在曲线积分和曲面积分计算中的应用[J].遵义师范学院学报,2007,10
[3]程峰.谈对称性在曲线积分和曲面积分的运用[J].大众商务,2010,01
[4]纪荣芳,娄本平.对称性在曲线积分及曲面积分计算中的应用[J].泰山学院学报,2004,05
作者简介:
韩艳光(1986- ),汉族,北京人,西北民族大学数学与计算机科学学院数学与应用数学专业。
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