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如何优化用高斯公式求解第二类曲面积分的解...

    

写在前面:建议读者看完题后,先自己亲自做下,然后再结合本文分析来看,这样效果会更好!

各位考研狗辛苦了,先给各位上两道小菜,让各位再辛苦下!

两道第二类曲面积分题目的计算:

哎呦!

不是度过了打拼的年龄,就应该退隐江湖吗?

不是度过了打拼的年龄,就应该食山果饮甘露,日抚瑶琴夜读诗书吗?

2009年的第二型曲面积分,这货怎么又重出江湖兴风作浪了?

难道说武林有一场大事发生?

稍作镇定下来,我定了定神,思考第二型曲面积分长啥样?

1  第二型曲面积分长啥样?

第二型曲面积分呢,也叫对坐标的曲面积分,题目中会出现P、Q、R三个的积分,它长这个样子”

继续展开思考哦~

假如现在就让你算一个曲面积分,没有P、Q这两个函数,只有R,这里的曲面取得比较特殊,它就取的是一个xoy上的一个平面区域,那你想一下,我可以不可以这样讲:这其实就等同于算一个平面区域上的二重积分?、

不可以!

为什么?

因为第二型的曲线积分、第二型的曲面积分啊,一定要注意方向!

刚才所提问的,其实是没有指明方向,如果你说清楚这里的平面区域是向上或者向下,那么在结果上就要加正号或者负号。

2 第二型曲面积分的计算

还记得第二型曲面积分怎么计算吗?有几种方法呀?”

有两种解法。

一种是咱们平时的基本计算,也就是将第二类曲面积分化为二重积分来计算;

另一种计算办法是高斯公式法,也就是将第二类曲面积分转化成3重积分。

进一步展开讲讲这两种方法:

3 第一种计算方法

在第一种方法中,我们把它叫做:一代二换三定号”。

所谓一代,指的是将曲面方程代入被积函数,即将被积函数中的某一个量借助曲面方程来表示出来,这一步是必须做的。

所谓二换,指的是将ds换成dxdy,将曲面sigma换成Dxy,当然,这里讲的是假设它投影到xoy平面,

最后所谓的三定号,指的是需要我们最后在二重积分的结果前面加上正负号,上为正,右为正,前为正,其余为负,主要是看平面的法向量方向与z轴正向的夹角为锐角还是钝角,如果是锐角,则为正,反之则为负。

4 第二种计算法---高斯公式法!

第二个计算方法—高斯公式法呢,乃高斯前辈所创,这套方法是将第二类曲面积分化成了3重积分来计算,虽然说积分重数上增大了,但是实际上简化了运算”。

既然是有用的公式,那么就有对应的使用条件,针对使用条件,考试中心那帮人肯定就会给你使坏,给你破坏公式!

术 清晰了,咱们回看开头给的那两道小菜!

不就是计算第二类曲面积分吗?我用高斯公式分分钟灭掉你!来吧!比试比试!

5 第一题的解答

第一题的解答如下:

如果你的答案是上面的,那么恭喜你!

数字对了,步骤错了!

你得不到满分!!!

什么情况?难道是敌人布下了陷阱?我们上当了???

低下高昂的头颅,重新认真分析,可恶,这题所给条件不封闭,我得加个面,然后将曲面方程代入到被积函数中,很熟悉的套路!

咦?哪里好像不对劲?

啊!竟然是它!又是你—不连续!!!我知道哪里出问题了!重新来战!!!

说时迟,那时快,我轻轻画了一条线,重新排了顺序,转眼间得到满分了!!!

补充的那个面含有奇点,如果先补面,然后再带入,势必会让高斯公式失效,发挥不了威力,因此只能先将曲面方程代入被积函数,打好这个头阵,然后再补面!

思考完毕,我将自己对这道题的学习心得写在了旁边:

就算是加面减面,也得将顺序调整好!

6 第二题的解答(2009年真题!)

既然是加了个面,那我就减去这个面(不要管什么积分符号,就按照最简单的数学加减来想),紧接着再利用高斯公式,转化成3重积分,最后成功算出了答案!

答案虽好,可是却费时费力!!!

眼尖的同学,估计已经看出来这道题在哪出现过了,它不仅仅是一到考研真题,更是2018某数学18讲中的一道例题!图片为证!

考研狗们,需要你静下心来思考一下了!

做题绝不是做出个答案,一看对了就万事大吉了,不要忘了优化!

试想一下,等到你正式上战场时,拼的就是速度和准确度,你这个解法在前面计算偏导数时,耗费了大量的时间,而且万一在考场上紧张呢,忙中出错呢???

像只用这种教材辅导书教出来的徒弟,做了不多多思考,恐怕在战场上会大大的吃亏!

   

破敌之道,关键就是宝刀君平日强调的“稳、准、快”!

怎么破?怎么样提高速度?谁能告诉我?

哪位高数前辈可以告诉我?费马?拉格朗日?格林?高斯

对了,格林、高斯!我知道怎么做了!!!

优化后的解法如下:

能写出上面这个答案的,估计就是已经将格林公式和高斯公式融会贯通了!!!

事实上,格林公式和高斯公式有异曲同工之妙,回想一下格林公式:任何2条同向包含奇点在内的封闭曲线,两条曲线积分的结果都是一样的,那么回到高斯公式上,任何包含奇点在内的两个曲面,只要方向相同,那么他们两的曲面积分记过也是相同的,经过这样构造的曲面方程,就可以顺利的去掉分母,然后再次使用高斯公式,简化计算!!!”

其实,从刚才第二题的第一个解法步骤中,其实我们也能发现,原式的曲面积分积分值,就等于重新构造的在这个同向曲面上的积分值,就是:

那么,格林公式和高斯公式又有何不同呢?

像之前的第二类曲线积分,你如果碰上了,一定要用格林公式,而至于高斯公式嘛,满足条件你就用,如果不满足,那就老老实实的用第一个计算方法吧!

7 总结

以上是对第二类曲面积分的分析,这个内容确确实实是考研考试中的重点,但是我们不要忘了,还有第1类曲面积分呢?它要是哪一年冷不丁出出来,难度一点都不必第二类曲面积分难度小!

如何应对?

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