10.1 第一类曲线积分(对弧长的曲线积分) 📖 课本内容

10.1.1 定义与物理意义 10.1.2 基本性质 10.1.3 参数化计算公式 10.1.4 三维曲线的弧长积分 10.1.5 对称性利用 10.1.6 常用曲线参数化表 10.1.7 典型例题 10.1.8 历年真题精选 10.1.9 题型总结与速解技巧

10.1.1 定义与物理意义

物理背景:非均匀曲线的质量

设平面曲线 $L$ 是一根细线,其线密度为 $\rho(x,y)$(单位长度的质量)。要求整条线的总质量 $M$,自然的做法是:

  1. 将 $L$ 分成 $n$ 小段 $\Delta s_1, \Delta s_2, \ldots, \Delta s_n$;
  2. 在每小段上取一点 $(\xi_i, \eta_i)$,近似质量 $\Delta M_i \approx \rho(\xi_i, \eta_i)\,\Delta s_i$;
  3. 求和取极限:$\displaystyle M = \lim_{\lambda\to 0}\sum_{i=1}^{n}\rho(\xi_i,\eta_i)\,\Delta s_i$,其中 $\lambda = \max\{\Delta s_i\}$。

这个极限就是 $\rho(x,y)$ 沿 $L$ 的第一类曲线积分(对弧长的曲线积分)。

定义(第一类曲线积分)

设 $L$ 为平面上的光滑(或分段光滑)曲线,$f(x,y)$ 在 $L$ 上有界。将 $L$ 任意分成 $n$ 小段,第 $i$ 段弧长为 $\Delta s_i$,在其上任取一点 $(\xi_i,\eta_i)$。若极限

$$\lim_{\lambda\to 0}\sum_{i=1}^{n}f(\xi_i,\eta_i)\,\Delta s_i$$

存在且与分法及取点方式无关,则称此极限为 $f(x,y)$ 沿 $L$ 的第一类曲线积分,记为

$$\int_L f(x,y)\,\dd s$$

其中 $\dd s$ 为弧长微元(弧微分),$f(x,y)$ 称为被积函数,$L$ 称为积分曲线。

几何意义:当 $f(x,y) \geq 0$ 时,$\int_L f(x,y)\,\dd s$ 表示以 $L$ 为底边、$f(x,y)$ 为高的"栅栏"(曲面帘)的面积。类比定积分是"曲边梯形"的面积,这里是"曲线帘"的面积。
特殊情形

10.1.2 基本性质

性质 1:线性
$$\int_L [\alpha f(x,y) + \beta g(x,y)]\,\dd s = \alpha\int_L f(x,y)\,\dd s + \beta\int_L g(x,y)\,\dd s$$

其中 $\alpha, \beta$ 为常数。

性质 2:路径可加性

若 $L = L_1 + L_2$($L$ 由 $L_1$ 和 $L_2$ 首尾相接组成),则

$$\int_L f\,\dd s = \int_{L_1} f\,\dd s + \int_{L_2} f\,\dd s$$
性质 3:与方向无关

设 $L^{-}$ 表示 $L$ 反向遍历的曲线,则

$$\int_{L^{-}} f(x,y)\,\dd s = \int_L f(x,y)\,\dd s$$

即第一类曲线积分的值与曲线的方向无关,只与曲线的形状和被积函数有关。

与第二类曲线积分的关键区别!

第二类曲线积分(对坐标的曲线积分)$\int_L P\dd x + Q\dd y$ 与方向有关:反向积分变号。而第一类曲线积分与方向无关,因为弧长微元 $\dd s > 0$ 始终为正。

口诀:"一类不变号,二类反方向变号"

性质 4:估值不等式

若 $m \leq f(x,y) \leq M$ 在 $L$ 上成立,$|L|$ 为曲线弧长,则

$$m\cdot|L| \leq \int_L f\,\dd s \leq M\cdot|L|$$
性质 5:积分中值定理

若 $f(x,y)$ 在光滑曲线 $L$ 上连续,则存在 $L$ 上某点 $(\xi,\eta)$ 使得

$$\int_L f\,\dd s = f(\xi,\eta)\cdot|L|$$

10.1.3 参数化计算公式(核心)

参数方程形式(最一般的公式)

核心公式:参数化计算

设曲线 $L$ 由参数方程 $x = x(t),\; y = y(t)$,$t \in [\alpha, \beta]$ 给出,且 $x'(t), y'(t)$ 连续,$(x'(t))^2 + (y'(t))^2 \neq 0$。则

$$\boxed{\int_L f(x,y)\,\dd s = \int_\alpha^\beta f\bigl(x(t),\, y(t)\bigr)\sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2}\,\dd t}$$

其中要求 $\alpha < \beta$(参数区间从小到大),这正是因为 $\dd s > 0$ 与方向无关。

推导:弧长微元 $\dd s = \sqrt{(\dd x)^2 + (\dd y)^2} = \sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2}\,\dd t$,代入即得。

注意:不论 $L$ 的参数化方向如何(从 $\alpha$ 到 $\beta$ 还是从 $\beta$ 到 $\alpha$),计算时一律取 $\alpha < \beta$。这与第二类曲线积分不同!第二类积分的上下限要与积分方向一致。

直角坐标形式

$y = y(x)$ 形式

若 $L$ 可以表示为 $y = y(x)$,$x \in [a, b]$,则令 $t = x$:

$$\boxed{\int_L f(x,y)\,\dd s = \int_a^b f\bigl(x,\, y(x)\bigr)\sqrt{1 + [y'(x)]^2}\,\dd x}$$
$x = x(y)$ 形式

若 $L$ 可以表示为 $x = x(y)$,$y \in [c, d]$,则令 $t = y$:

$$\int_L f(x,y)\,\dd s = \int_c^d f\bigl(x(y),\, y\bigr)\sqrt{[x'(y)]^2 + 1}\,\dd y$$

极坐标形式

$r = r(\theta)$ 形式

若 $L$ 由极坐标 $r = r(\theta)$,$\theta \in [\alpha, \beta]$ 给出,利用 $x = r(\theta)\cos\theta$,$y = r(\theta)\sin\theta$,可得

$$x'(\theta) = r'(\theta)\cos\theta - r(\theta)\sin\theta,\quad y'(\theta) = r'(\theta)\sin\theta + r(\theta)\cos\theta$$ $$[x'(\theta)]^2 + [y'(\theta)]^2 = [r'(\theta)]^2 + [r(\theta)]^2$$

因此

$$\boxed{\int_L f(x,y)\,\dd s = \int_\alpha^\beta f\bigl(r(\theta)\cos\theta,\; r(\theta)\sin\theta\bigr)\sqrt{[r(\theta)]^2 + [r'(\theta)]^2}\,\dd\theta}$$
记忆技巧:弧长微元的三种形式统一记为 $$\dd s = \sqrt{(\dd x)^2 + (\dd y)^2} = \begin{cases} \sqrt{x'^2(t) + y'^2(t)}\,\dd t & \text{(参数形式)} \\ \sqrt{1 + y'^2(x)}\,\dd x & \text{(直角坐标)} \\ \sqrt{r^2(\theta) + r'^2(\theta)}\,\dd\theta & \text{(极坐标)} \end{cases}$$ 口诀:"参数求导平方和开根"。不论哪种形式,本质都一样。

10.1.4 三维曲线的弧长积分

空间曲线的第一类曲线积分

设空间曲线 $\Gamma$ 由参数方程 $x = x(t),\; y = y(t),\; z = z(t)$,$t \in [\alpha, \beta]$ 给出,则

$$\boxed{\int_\Gamma f(x,y,z)\,\dd s = \int_\alpha^\beta f\bigl(x(t),y(t),z(t)\bigr)\sqrt{[x'(t)]^2 + [y'(t)]^2 + [z'(t)]^2}\,\dd t}$$

本质相同:弧长微元 $\dd s = \sqrt{(\dd x)^2 + (\dd y)^2 + (\dd z)^2}$,多加一个 $z$ 分量即可。

典型空间曲线

10.1.5 对称性利用(偶倍奇零)

对称性是第一类曲线积分计算中最强大的化简工具。利用得当可以大幅减少计算量,甚至直接得出答案。

关于坐标轴对称

关于 $y$ 轴对称($x \to -x$)

若曲线 $L$ 关于 $y$ 轴对称,则:

关于 $x$ 轴对称($y \to -y$)

若曲线 $L$ 关于 $x$ 轴对称,则:

口诀:偶倍奇零。曲线关于某轴对称 + 被积函数对该轴上坐标为偶/奇 $\Rightarrow$ 翻倍/为零。

关于原点对称与轮换对称

关于原点对称

若 $L$ 关于原点对称,且 $f(-x,-y) = -f(x,y)$,则 $\displaystyle\int_L f\,\dd s = 0$。

注意:原点对称时 $f(-x,-y) = f(x,y)$(偶函数)不能直接"加倍"整条曲线,因为曲线可能不能自然分成上下或左右两半。需根据具体情况判断。

轮换对称性(极其重要!)

若曲线 $L$ 的方程在 $x \leftrightarrow y$ 互换后不变(例如 $x^2 + y^2 = R^2$),则

$$\int_L f(x,y)\,\dd s = \int_L f(y,x)\,\dd s$$

由此可得:

$$\int_L x^2\,\dd s = \int_L y^2\,\dd s = \frac{1}{2}\int_L (x^2+y^2)\,\dd s$$ $$\int_L x\,\dd s = \int_L y\,\dd s$$
轮换对称的典型应用

在圆 $x^2 + y^2 = R^2$ 上,

$$\int_L x^2\,\dd s = \int_L y^2\,\dd s = \frac{1}{2}\int_L (x^2+y^2)\,\dd s = \frac{R^2}{2}\int_L \dd s = \frac{R^2}{2}\cdot 2\pi R = \pi R^3$$

无需参数化计算!直接利用 $x^2+y^2 = R^2$ 和弧长公式。

对称性综合判定流程

解题前先问三个问题
  1. 曲线 $L$ 关于 $x$ 轴对称吗?关于 $y$ 轴对称吗?关于原点对称吗?
  2. $L$ 有没有轮换对称性($x \leftrightarrow y$)?
  3. 被积函数的奇偶性如何?能否分拆为奇+偶的组合?

先用对称性化简,再用参数化计算,可以事半功倍。

10.1.6 常用曲线参数化表

曲线方程参数化$\dd s$弧长
$x^2+y^2=R^2$ $x=R\cos t,\;y=R\sin t$
$t\in[0,2\pi]$
$R\,\dd t$ $2\pi R$
上半圆 $x^2+y^2=R^2,\;y\geq 0$ $x=R\cos t,\;y=R\sin t$
$t\in[0,\pi]$
$R\,\dd t$ $\pi R$
椭圆 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$ $x=a\cos t,\;y=b\sin t$
$t\in[0,2\pi]$
$\sqrt{a^2\sin^2 t+b^2\cos^2 t}\,\dd t$ 椭圆积分(无初等解)
星形线 $x^{2/3}+y^{2/3}=a^{2/3}$ $x=a\cos^3 t,\;y=a\sin^3 t$
$t\in[0,2\pi]$
$3a|\sin t\cos t|\,\dd t$ $6a$
摆线(一拱) $x=a(t-\sin t)$
$y=a(1-\cos t)$
$t\in[0,2\pi]$ $2a\left|\sin\frac{t}{2}\right|\dd t$ $8a$
心形线 $r=a(1+\cos\theta)$ $\theta\in[0,2\pi]$ $2a\cos\frac{\theta}{2}\,\dd\theta$
(上半部 $\theta\in[0,\pi]$)
$8a$
阿基米德螺线 $r=a\theta$ $\theta \geq 0$ $a\sqrt{1+\theta^2}\,\dd\theta$ (依区间而定)
螺旋线(空间) $x=a\cos t,\;y=a\sin t$
$z=bt$
$t\in[0,2\pi]$ $\sqrt{a^2+b^2}\,\dd t$ $2\pi\sqrt{a^2+b^2}$
星形线弧长微元推导:$x'(t) = -3a\cos^2 t\sin t$,$y'(t) = 3a\sin^2 t\cos t$,故 $$\dd s = 3a\sqrt{\cos^4 t\sin^2 t + \sin^4 t\cos^2 t}\,\dd t = 3a|\sin t\cos t|\sqrt{\cos^2 t + \sin^2 t}\,\dd t = 3a|\sin t\cos t|\,\dd t$$ 在第一象限 $t\in[0,\frac{\pi}{2}]$ 上弧长为 $\displaystyle\int_0^{\pi/2}3a\sin t\cos t\,\dd t = \frac{3a}{2}$,全长 $= 4\times\frac{3a}{2} = 6a$。
心形线弧长微元推导:$r = a(1+\cos\theta)$,$r' = -a\sin\theta$,故 $$\dd s = \sqrt{r^2 + r'^2}\,\dd\theta = a\sqrt{(1+\cos\theta)^2 + \sin^2\theta}\,\dd\theta = a\sqrt{2+2\cos\theta}\,\dd\theta = 2a\left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\dd\theta$$ 利用 $1+\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2}$。在 $\theta\in[0,\pi]$ 上 $\cos\frac{\theta}{2}\geq 0$,弧长 $= \int_0^\pi 2a\cos\frac{\theta}{2}\,\dd\theta = 4a\sin\frac{\theta}{2}\Big|_0^\pi = 4a$。全长 $= 2\times 4a = 8a$。

10.1.7 典型例题

例 1:直线段上的曲线积分(入门)

题目:计算 $\displaystyle\int_L (x+y)\,\dd s$,其中 $L$ 为从 $A(0,0)$ 到 $B(1,1)$ 的直线段。

第一步:参数化。直线段 $AB$ 可参数化为 $x = t,\; y = t$,$t \in [0, 1]$。

第二步:求弧长微元。$x'(t) = 1$,$y'(t) = 1$,故

$$\dd s = \sqrt{1^2 + 1^2}\,\dd t = \sqrt{2}\,\dd t$$

第三步:代入计算

$$\int_L (x+y)\,\dd s = \int_0^1 (t+t)\cdot\sqrt{2}\,\dd t = 2\sqrt{2}\int_0^1 t\,\dd t = 2\sqrt{2}\cdot\frac{1}{2} = \sqrt{2}$$
也可用 $y=x$ 形式:$y = x$,$y' = 1$,$\dd s = \sqrt{1+1}\,\dd x = \sqrt{2}\,\dd x$。 $$\int_0^1 (x+x)\sqrt{2}\,\dd x = 2\sqrt{2}\cdot\frac{1}{2} = \sqrt{2}$$ 结果相同。直线段的弧长微元始终是常数倍的 $\dd t$(或 $\dd x$)。

例 2:圆弧上的积分

题目:计算 $\displaystyle\int_L (x^2 + y^2)\,\dd s$,其中 $L$ 为圆 $x^2 + y^2 = a^2$($a > 0$,整圆)。

方法一(直接参数化):令 $x = a\cos t$,$y = a\sin t$,$t \in [0, 2\pi]$。

$$\dd s = \sqrt{a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t}\,\dd t = a\,\dd t$$ $$\int_L (x^2+y^2)\,\dd s = \int_0^{2\pi}a^2\cdot a\,\dd t = a^3\cdot 2\pi = 2\pi a^3$$

方法二(利用曲线方程,推荐!):在 $L$ 上恒有 $x^2 + y^2 = a^2$,故

$$\int_L (x^2+y^2)\,\dd s = a^2\int_L \dd s = a^2\cdot 2\pi a = 2\pi a^3$$

直接利用曲线方程将被积函数化为常数,妙!

技巧:先看被积函数能否用曲线方程化简。如果被积函数中含有 $x^2+y^2$ 而曲线是圆,直接代入 $x^2+y^2=R^2$ 变为常数。这是最常见的技巧之一。

例 3:利用对称性化简

题目:计算 $\displaystyle I = \int_L \bigl(x^2 + 2xy + 3\bigr)\,\dd s$,其中 $L$ 为圆 $x^2 + y^2 = 4$。

对称性分析:$L$ 是以原点为中心的圆,关于 $x$ 轴、$y$ 轴和原点对称,且有轮换对称性。

将被积函数拆开:

$$I = \int_L x^2\,\dd s + 2\int_L xy\,\dd s + 3\int_L \dd s$$

第一项:$L$ 有轮换对称性,所以 $\int_L x^2\,\dd s = \int_L y^2\,\dd s$。因此

$$\int_L x^2\,\dd s = \frac{1}{2}\int_L(x^2+y^2)\,\dd s = \frac{1}{2}\cdot 4\cdot 2\pi\cdot 2 = 8\pi$$

第二项:$L$ 关于 $x$ 轴对称。$f(x,y) = xy$ 满足 $f(x,-y) = -xy = -f(x,y)$,关于 $y$ 为奇函数。故

$$\int_L xy\,\dd s = 0$$

第三项:$\displaystyle\int_L \dd s = 2\pi\cdot 2 = 4\pi$。

合计

$$I = 8\pi + 2\cdot 0 + 3\cdot 4\pi = 8\pi + 12\pi = 20\pi$$
拆项 + 对称性是处理圆上曲线积分最常用的套路。考试中务必先检查对称性,不要上来就参数化硬算。

例 4:空间曲线上的弧长积分

题目:计算 $\displaystyle\int_\Gamma (x^2 + y^2 + z^2)\,\dd s$,其中 $\Gamma$ 为螺旋线 $x = \cos t$,$y = \sin t$,$z = t$,$t \in [0, 2\pi]$。

弧长微元:$x'(t) = -\sin t$,$y'(t) = \cos t$,$z'(t) = 1$,故

$$\dd s = \sqrt{\sin^2 t + \cos^2 t + 1}\,\dd t = \sqrt{2}\,\dd t$$

被积函数:$x^2+y^2+z^2 = \cos^2 t + \sin^2 t + t^2 = 1 + t^2$。

计算

$$\int_\Gamma (x^2+y^2+z^2)\,\dd s = \int_0^{2\pi}(1+t^2)\cdot\sqrt{2}\,\dd t = \sqrt{2}\left[t + \frac{t^3}{3}\right]_0^{2\pi}$$ $$= \sqrt{2}\left(2\pi + \frac{8\pi^3}{3}\right) = \frac{2\sqrt{2}\pi(3+4\pi^2)}{3}$$
空间曲线积分的计算流程与平面完全一样:参数化 $\to$ 求 $\dd s$ $\to$ 代入 $\to$ 算定积分。只是弧长微元多一个 $z'(t)$ 的贡献。

例 5:分段参数化的综合题

题目:计算 $\displaystyle I = \int_L |y|\,\dd s$,其中 $L$ 是星形线 $x = a\cos^3 t$,$y = a\sin^3 t$($a > 0$,$t\in[0,2\pi]$,完整一周)。

对称性分析:星形线关于 $x$ 轴对称。$f(x,y) = |y|$ 满足 $f(x,-y) = |-y| = |y| = f(x,y)$,是 $y$ 的偶函数。故

$$I = 2\int_{L_{\text{上}}} |y|\,\dd s = 2\int_{L_{\text{上}}} y\,\dd s$$

上半部 $t \in [0, \pi]$,此时 $\sin t \geq 0$,$y = a\sin^3 t \geq 0$。

弧长微元

$$x'(t) = -3a\cos^2 t\sin t,\quad y'(t) = 3a\sin^2 t\cos t$$ $$\dd s = 3a|\sin t\cos t|\,\dd t$$

在 $t\in[0,\frac{\pi}{2}]$ 上 $\sin t\cos t \geq 0$;在 $t\in[\frac{\pi}{2},\pi]$ 上 $\sin t \geq 0$,$\cos t \leq 0$,故 $|\sin t\cos t| = -\sin t\cos t$。

进一步利用星形线关于 $y$ 轴的对称性:$|y|$ 关于 $x$ 也是偶函数($|y|$ 不含 $x$),弧长元也对称,故

$$I = 2\times 2\int_0^{\pi/2} a\sin^3 t\cdot 3a\sin t\cos t\,\dd t = 12a^2\int_0^{\pi/2}\sin^4 t\cos t\,\dd t$$

令 $u = \sin t$,$\dd u = \cos t\,\dd t$:

$$I = 12a^2\int_0^1 u^4\,\dd u = 12a^2\cdot\frac{1}{5} = \frac{12a^2}{5}$$

例 6:极坐标曲线上的积分

题目:计算 $\displaystyle\int_L x\,\dd s$,其中 $L$ 为心形线 $r = a(1+\cos\theta)$($a > 0$)的上半部分($\theta \in [0, \pi]$)。

弧长微元(已在参数化表中推导过):

$$\dd s = \sqrt{r^2+r'^2}\,\dd\theta = a\sqrt{2+2\cos\theta}\,\dd\theta = 2a\cos\frac{\theta}{2}\,\dd\theta$$

(在 $\theta\in[0,\pi]$ 上 $\cos\frac{\theta}{2}\geq 0$。)

被积函数:$x = r\cos\theta = a(1+\cos\theta)\cos\theta = a\cos\theta + a\cos^2\theta$。

代入

$$I = \int_0^\pi \bigl(a\cos\theta + a\cos^2\theta\bigr)\cdot 2a\cos\frac{\theta}{2}\,\dd\theta$$

令 $u = \frac{\theta}{2}$,$\theta = 2u$,$\dd\theta = 2\,\dd u$,$\cos\theta = 2\cos^2 u - 1$,$u\in[0,\frac{\pi}{2}]$:

$$I = 2a^2\int_0^{\pi/2}\bigl[(2\cos^2 u - 1) + (2\cos^2 u - 1)^2\bigr]\cdot\cos u\cdot 2\,\dd u$$ $$= 4a^2\int_0^{\pi/2}\bigl[(2\cos^2 u - 1) + (4\cos^4 u - 4\cos^2 u + 1)\bigr]\cos u\,\dd u$$ $$= 4a^2\int_0^{\pi/2}(4\cos^4 u - 2\cos^2 u)\cos u\,\dd u$$ $$= 4a^2\int_0^{\pi/2}(4\cos^5 u - 2\cos^3 u)\,\dd u$$

利用 Wallis 公式:$\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^5 u\,\dd u = \frac{4\cdot 2}{5\cdot 3} = \frac{8}{15}$,$\displaystyle\int_0^{\pi/2}\cos^3 u\,\dd u = \frac{2}{3}$。

$$I = 4a^2\left(4\cdot\frac{8}{15} - 2\cdot\frac{2}{3}\right) = 4a^2\left(\frac{32}{15} - \frac{4}{3}\right) = 4a^2\cdot\frac{32-20}{15} = 4a^2\cdot\frac{12}{15} = \frac{16a^2}{5}$$

例 7:利用曲线方程化简(高频考法)

题目:计算 $\displaystyle\int_L \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}\,\dd s$,其中 $L$ 为椭圆 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$。

注意到被积函数恰好就是椭圆方程的左端!在 $L$ 上恒有 $\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1$,故

$$\int_L \left(\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2}\right)\dd s = \int_L 1\,\dd s = |L|$$

即椭圆周长。虽然椭圆周长无初等表达式,但可以写为

$$|L| = \int_0^{2\pi}\sqrt{a^2\sin^2 t + b^2\cos^2 t}\,\dd t$$

特别地,当 $a = b = R$ 时,$|L| = 2\pi R$。

关键洞察:当被积函数可以用曲线方程化为常数时,积分立即化为弧长的倍数。这是第一类曲线积分中最优美的技巧。

10.1.8 历年真题精选

真题 1:综合对称性与参数化

题目:计算 $\displaystyle I = \int_L (x^2+y^2)^n\,\dd s$,其中 $L$ 为圆 $x^2+y^2 = R^2$,$n$ 为正整数。
展开解答

在 $L$ 上恒有 $x^2+y^2 = R^2$,故 $(x^2+y^2)^n = R^{2n}$(常数)。

$$I = R^{2n}\int_L \dd s = R^{2n}\cdot 2\pi R = 2\pi R^{2n+1}$$

点评:本题看似复杂($n$ 次幂),实则一步到位。关键在于识别被积函数与曲线方程的关系。

真题 2:空间曲线积分(交大期中类型)

题目:计算 $\displaystyle I = \int_\Gamma (x+y+z)\,\dd s$,其中 $\Gamma$ 为球面 $x^2+y^2+z^2=R^2$ 与平面 $x+y+z=0$ 的交线(大圆)。
展开解答

对称性分析:平面 $x+y+z=0$ 过原点,交线 $\Gamma$ 是球面上的大圆,半径为 $R$,弧长 $|\Gamma| = 2\pi R$。

$\Gamma$ 在平面 $x+y+z=0$ 上。在 $\Gamma$ 上每一点都满足 $x+y+z=0$,因此被积函数 $f = x+y+z \equiv 0$。

$$I = \int_\Gamma 0\,\dd s = 0$$

点评:利用 $\Gamma$ 所在平面的方程直接代入。如果没有看出这一点,参数化大圆来算会非常繁琐。

真题 3:分段曲线与绝对值

题目:计算 $\displaystyle I = \int_L (|x|+|y|)\,\dd s$,其中 $L$ 为圆 $x^2 + y^2 = 1$。
展开解答

对称性分析:$L$ 关于两坐标轴和原点都对称。$f(x,y) = |x|+|y|$。

$|x|$ 是关于 $x$ 的偶函数,$|y|$ 是关于 $y$ 的偶函数。两者都是非负的偶函数。

利用 $L$ 关于两坐标轴的对称性,以及 $|x|$ 和 $|y|$ 的偶性:

$$\int_L |x|\,\dd s = 4\int_{L_1}|x|\,\dd s = 4\int_{L_1}x\,\dd s$$

其中 $L_1$ 是第一象限部分 $x = \cos t,\; y = \sin t$,$t\in[0,\frac{\pi}{2}]$,$\dd s = \dd t$。

$$\int_L |x|\,\dd s = 4\int_0^{\pi/2}\cos t\,\dd t = 4[\sin t]_0^{\pi/2} = 4$$

同理(轮换对称),$\displaystyle\int_L |y|\,\dd s = 4$。

$$I = 4 + 4 = 8$$

点评:绝对值的处理:利用对称性化到第一象限去掉绝对值,再用轮换对称 $|x|$ 与 $|y|$ 的积分相等。

10.1.9 期末考试题型总结

题型 1:直接参数化计算

识别特征:给定明确的曲线方程和被积函数,要求计算第一类曲线积分。

标准步骤

  1. 将曲线参数化:$x=x(t)$,$y=y(t)$,确定参数范围 $[\alpha,\beta]$,$\alpha < \beta$
  2. 计算 $\dd s = \sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)}\,\dd t$
  3. 将 $f(x,y)$ 中的 $x,y$ 用 $t$ 表示
  4. 化为定积分 $\int_\alpha^\beta(\cdots)\dd t$ 并计算

速解技巧:先看被积函数能否用曲线方程化简(如 $x^2+y^2$ 在圆上等于常数)。

易错点:参数区间必须 $\alpha < \beta$(这不同于第二类!),别搞混方向。

题型 2:利用对称性

识别特征:曲线具有明显的对称性(圆、椭圆、正方形等),被积函数含有奇偶成分。

标准步骤

  1. 判断曲线的对称性(关于 $x$ 轴、$y$ 轴、原点、$y=x$)
  2. 将被积函数拆为奇+偶的组合
  3. 奇部分积分为零,偶部分积分翻倍
  4. 若有轮换对称($x\leftrightarrow y$),利用 $\int x^2\dd s = \int y^2\dd s$

速解技巧:遇到圆上积分,先拆项、再判奇偶、最后轮换。三板斧用完再考虑参数化。

易错点:轮换对称要求曲线方程在 $x\leftrightarrow y$ 下不变。椭圆 $\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=1$($a\neq b$)没有轮换对称性!

题型 3:空间曲线的弧长积分

识别特征:曲线是两个曲面的交线、螺旋线等空间曲线。

标准步骤

  1. 将空间曲线参数化为 $x=x(t),y=y(t),z=z(t)$
  2. 计算 $\dd s = \sqrt{x'^2+y'^2+z'^2}\,\dd t$
  3. 将被积函数用 $t$ 表示并计算

速解技巧:两曲面交线常用其中一个曲面的参数化(如柱面 $x^2+y^2=R^2$ 用 $x=R\cos t,y=R\sin t$),再由另一个曲面求 $z(t)$。

易错点:别忘了 $z'(t)$ 对 $\dd s$ 的贡献!在 $z$ 不是常数时容易遗漏。

题型 4:物理应用(质量、质心、转动惯量)

识别特征:求非均匀曲线的质量、质心、转动惯量。

标准步骤

  1. 质量:$M = \int_L \rho(x,y)\,\dd s$
  2. 质心:$\bar{x} = \frac{1}{M}\int_L x\rho\,\dd s$,$\bar{y} = \frac{1}{M}\int_L y\rho\,\dd s$
  3. 转动惯量:$I_x = \int_L y^2\rho\,\dd s$,$I_y = \int_L x^2\rho\,\dd s$,$I_O = \int_L (x^2+y^2)\rho\,\dd s$

速解技巧:均匀曲线($\rho=$ 常数)的质心即形心。对称曲线(如整圆)的形心在对称中心。

易错点:$I_x$ 是关于 $x$ 轴的转动惯量(距离 $x$ 轴的距离是 $|y|$,故用 $y^2$),不要把下标和被积函数搞混。

解题检查清单

做完题后务必检查
  1. 参数区间是否从小到大?($\alpha < \beta$)
  2. 弧长微元 $\dd s$ 是否正确?有没有漏掉根号下的某项?
  3. 被积函数是否正确地用参数表达了?有没有忘记代入 $y(t)$ 或 $z(t)$?
  4. 有没有利用对称性?如果用了,对称性判断是否正确?
  5. 定积分计算是否正确?特别注意 $\sin^2,\cos^2$ 的积分。
  6. 最终答案的量纲是否合理?(积分结果应与弧长同量纲,乘以被积函数的量纲)

附:第一类 vs 第二类曲线积分对比

对比项第一类(对弧长)第二类(对坐标)
记号 $\displaystyle\int_L f\,\dd s$ $\displaystyle\int_L P\,\dd x + Q\,\dd y$
物理意义 质量(标量场沿曲线积分) 做功(向量场沿曲线积分)
微元 $\dd s > 0$(弧长,标量) $\dd x, \dd y$(坐标增量,有符号)
方向 与方向无关 与方向有关(反向变号)
参数化 $\alpha < \beta$(始终从小到大) 上下限与曲线方向一致
关系 $P\,\dd x + Q\,\dd y = (P\cos\alpha + Q\cos\beta)\,\dd s$,其中 $(\cos\alpha,\cos\beta)$ 为曲线切方向
记忆要点:第一类积分是"无方向的累加"(如称质量),第二类积分是"有方向的累加"(如算做功)。两者可以互化,但性质不同,使用场景不同。考试中务必先判断题目要求的是哪一类!

自测练习

练习 1:计算 $\displaystyle\int_L y\,\dd s$,其中 $L$ 为上半圆 $x^2+y^2=4$,$y\geq 0$。
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参数化:$x = 2\cos t$,$y = 2\sin t$,$t\in[0,\pi]$,$\dd s = 2\,\dd t$。

$$\int_L y\,\dd s = \int_0^\pi 2\sin t\cdot 2\,\dd t = 4\int_0^\pi\sin t\,\dd t = 4[-\cos t]_0^\pi = 4\cdot 2 = 8$$
练习 2:计算 $\displaystyle\int_L \sqrt{x^2+y^2}\,\dd s$,其中 $L$ 为心形线 $r = 1+\cos\theta$(整条曲线)。
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$\sqrt{x^2+y^2} = r = 1+\cos\theta$,$\dd s = 2\left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\dd\theta$。

利用 $1+\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2}$:

$$I = \int_0^{2\pi}(1+\cos\theta)\cdot 2\left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\dd\theta = \int_0^{2\pi}2\cos^2\frac{\theta}{2}\cdot 2\left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\dd\theta = 4\int_0^{2\pi}\cos^2\frac{\theta}{2}\left|\cos\frac{\theta}{2}\right|\dd\theta$$

心形线关于 $x$ 轴对称,被积函数 $\sqrt{x^2+y^2}$ 关于 $y$ 为偶函数。取上半部 $\theta\in[0,\pi]$,此时 $\cos\frac{\theta}{2}\geq 0$:

$$I = 2\times 4\int_0^\pi \cos^3\frac{\theta}{2}\,\dd\theta$$

令 $u = \frac{\theta}{2}$,$\dd\theta = 2\,\dd u$,$u\in[0,\frac{\pi}{2}]$:

$$I = 16\int_0^{\pi/2}\cos^3 u\,\dd u = 16\cdot\frac{2}{3} = \frac{32}{3}$$
练习 3:计算 $\displaystyle\int_\Gamma z\,\dd s$,其中 $\Gamma$ 是球面 $x^2+y^2+z^2=4$ 与平面 $z=1$ 的交线。
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交线 $\Gamma$:$x^2+y^2 = 4-1 = 3$,$z=1$。这是平面 $z=1$ 上半径为 $\sqrt{3}$ 的圆。

在 $\Gamma$ 上 $z\equiv 1$(常数),$|\Gamma| = 2\pi\sqrt{3}$。

$$\int_\Gamma z\,\dd s = 1\cdot 2\pi\sqrt{3} = 2\sqrt{3}\pi$$
练习 4:设 $L$ 为 $y = \ln x$ 上从 $(1,0)$ 到 $(e,1)$ 的一段弧,求 $\displaystyle\int_L \frac{\dd s}{\sqrt{x^2+1}}$。
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$y = \ln x$,$y' = \frac{1}{x}$,$\dd s = \sqrt{1+\frac{1}{x^2}}\,\dd x = \frac{\sqrt{x^2+1}}{x}\,\dd x$。

$$\int_L\frac{\dd s}{\sqrt{x^2+1}} = \int_1^e \frac{1}{\sqrt{x^2+1}}\cdot\frac{\sqrt{x^2+1}}{x}\,\dd x = \int_1^e \frac{1}{x}\,\dd x = \ln e - \ln 1 = 1$$

点评:弧长微元中的 $\sqrt{x^2+1}$ 恰好和被积函数中的 $\sqrt{x^2+1}$ 对消,这是一种精心构造的巧妙化简。

🔬 期末强化:第一型曲线积分 历年真题原型

定位:第一型曲线积分(弧长/质量)几乎年年出现(4/5 年,大题 T12,8 分)。套路死、会算就拿满。下面两道带年份的真题原型给完整步骤。

【2018-2019 T12】(悬链线质量,双曲化根号) $L:\,y=\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}$($0\le x\le 1$),线密度 $\rho=3x$,求弧 $L$ 的质量 $m$。
点击查看完整解答

第一步:弧长微元。 $y'=\dfrac{e^x-e^{-x}}{2}$,故

$$1+y'^2=1+\frac{(e^x-e^{-x})^2}{4}=\frac{4+(e^x-e^{-x})^2}{4}=\frac{(e^x+e^{-x})^2}{4}$$

(用了 $(e^x+e^{-x})^2-(e^x-e^{-x})^2=4$。)所以根号开得尽:

$$\dd s=\sqrt{1+y'^2}\,\dd x=\frac{e^x+e^{-x}}{2}\,\dd x$$

第二步:代入并积分。

$$m=\int_L\rho\,\dd s=\int_0^1 3x\cdot\frac{e^x+e^{-x}}{2}\,\dd x=\frac32\int_0^1 x(e^x+e^{-x})\,\dd x$$

分部积分 $\int x e^x\dd x=(x-1)e^x$,$\int x e^{-x}\dd x=-(x+1)e^{-x}$:

$$\frac32\Big[(x-1)e^x-(x+1)e^{-x}\Big]_0^1=\frac32\Big[(0-(-2e^{-1}))-(-1-1)\Big]=\frac32\Big(2-\tfrac2e\Big)=\boxed{3\left(1-\dfrac1e\right)}$$
题眼:见到悬链线 $\dfrac{e^x+e^{-x}}{2}$,立刻想到 $1+y'^2$ 是完全平方 —— 根号必开得尽。这是该题型最经典的"化根号"陷阱/送分点。
【2020-2021 T12】(空间螺旋线,别漏 $z'$) $C:\,x=\cos t,\ y=\sin t,\ z=\sqrt2\,t$($t\in[0,2\pi]$),求 $\displaystyle\int_C(x-2y)^2\,\dd s$。
点击查看完整解答

第一步:空间弧长微元(三项都要)。 $x'=-\sin t$,$y'=\cos t$,$z'=\sqrt2$,

$$\dd s=\sqrt{x'^2+y'^2+z'^2}\,\dd t=\sqrt{\sin^2 t+\cos^2 t+2}\,\dd t=\sqrt3\,\dd t$$

第二步:被积函数用 $t$ 表示。 $(x-2y)^2=(\cos t-2\sin t)^2=\cos^2 t-4\sin t\cos t+4\sin^2 t$。

第三步:逐项积分($[0,2\pi]$ 上 $\int\cos^2=\int\sin^2=\pi$,$\int\sin t\cos t=0$)。

$$\int_C(x-2y)^2\,\dd s=\sqrt3\int_0^{2\pi}(\cos^2 t-4\sin t\cos t+4\sin^2 t)\,\dd t=\sqrt3\,(\pi-0+4\pi)=\boxed{5\sqrt3\,\pi}$$
题眼:空间曲线 $\dd s$ 必带 $z'$ 项(这里 $z'=\sqrt2$ 贡献了 $+2$),漏了就把 $\sqrt3$ 错算成 $1$。
📌 必背块(第一型曲线积分)
  1. 弧长微元三形式:平面显式 $\dd s=\sqrt{1+y'^2(x)}\,\dd x$;参数 $\dd s=\sqrt{x'^2(t)+y'^2(t)}\,\dd t$;极坐标 $\dd s=\sqrt{r^2(\theta)+r'^2(\theta)}\,\dd\theta$;空间 $\dd s=\sqrt{x'^2+y'^2+z'^2}\,\dd t$。
  2. 方向无关,参数区间一律 $\alpha<\beta$(因 $\dd s>0$)。这与第二类相反!
  3. 物理量:弧长 $|L|=\displaystyle\int_L\dd s$;质量 $m=\displaystyle\int_L\rho\,\dd s$;质心 $\bar x=\dfrac1m\displaystyle\int_L x\rho\,\dd s$;转动惯量 $I_x=\displaystyle\int_L y^2\rho\,\dd s$,$I_y=\displaystyle\int_L x^2\rho\,\dd s$。
  4. 用曲线方程化常数(高频送分):圆 $x^2+y^2=R^2$ 上 $\displaystyle\int_L(x^2+y^2)^n\dd s=R^{2n}\cdot2\pi R$;椭圆上 $\displaystyle\int_L\!\big(\tfrac{x^2}{a^2}+\tfrac{y^2}{b^2}\big)\dd s=|L|$。
  5. 对称性「偶倍奇零」+ 轮换:圆上 $\displaystyle\int_L x^2\dd s=\int_L y^2\dd s=\tfrac12\int_L(x^2+y^2)\dd s=\pi R^3$。
  6. 常用弧长:螺旋线 $(a\cos t,a\sin t,bt)$ 的 $\dd s=\sqrt{a^2+b^2}\,\dd t$;星形线全长 $6a$;心形线 $r=a(1+\cos\theta)$ 全长 $8a$。
⚠️ 易错点
  1. 空间曲线漏 $z'$ 项:$\dd s$ 根号下必须有 $z'^2$;$z$ 非常数时最容易遗漏(2020-T12 的 $\sqrt2$ 就藏在这)。
  2. 第一类参数区间一律小到大 $\alpha<\beta$:起点参数比终点大时要交换上下限,不能像第二类那样照写。
  3. 根号能化简先化简:悬链线/$\sqrt{r^2+r'^2}$/$\sqrt{t^2+2}$ 这类往往是完全平方或有双曲恒等式,硬算反而错。
  4. 轮换对称要求曲线方程在 $x\leftrightarrow y$ 下不变;椭圆($a\ne b$)没有轮换对称性,别乱用 $\int x^2=\int y^2$。
🔴 你在这卡过(薄弱点精析 Ch9 #第一类曲线积分坐标系表示):5/10 你做第一类曲线/曲面积分时,把第一卦限斜面投影误当成矩形导致答案翻倍($8\sqrt{61}$ 应为 $4\sqrt{61}$);同期还在「不同坐标系下 $\dd s/\dd S$ 写法」上踩坑(柱面/球面 $R$ 是常数、没有 $\dd r$ 项)。
怎么破:① 投影/定限先画区域再写,斜面投影是三角形不是矩形;② 牢记柱面 $\dd s/\dd S$ 中 $R$ 是常数——参数化 $x=R\cos t,y=R\sin t$ 时 $R$ 提出来不参与求导,$\dd s=R\,\dd t$(弧)、$\dd S=R\,\dd\theta\dd z$(面),根号里没有 $\dd r$。一句话:「半径固定的曲线/曲面,$R$ 是常数不求导」