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§4曲面积分.docVIP

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§4曲面积分.doc

第四节 对面积的曲面积分(第一类曲面积分) 曲面积分有两种一种是对坐标的曲面积分,一种是对面积的曲面积分. 一 对面积的曲面积分(第一类曲面积分)的基本概念与性质 设有一曲面型构件的物体,在点处的密度为,求此物体的质量. 求解的方法是, 将曲面分为若干个小块(),其面积分别记为(),在小块曲面上任意取一点,若密度函数是连续变化的则可以用点处的密度近似小块上的密度.于是小块的质量为,将所有这样的小块的面积加起来,就是物体的质量的近似值.即 当个小的曲面的直径的最大值时,上面的式子右端的极限值如果存在,则将此极限值定义为曲面的质量.即 . 总之, 以上解决问题的方法就是: 先把它分成一些小片,估计每一小片上的质量并相加,最后取极限以获得精确值. 这同积分思想相一致. 为此我们定义对面积的曲面积分. 定义13.3 设函数是定义在光滑曲面(或分片光滑曲面)上的有界函数.将曲面分为若干个小块(),其面积分别记为,在小块曲面上任意取一点,若极限 存在,则称此极限值为函数在曲面上对面积的曲面积分(或称第一类曲面积分).记为.即 =. 其中表示所有小曲面的最大直径, 称为被积函数, 称为积分曲面. 对面积的曲面积分与对弧长的曲线积分具有相似的性质.如 ; ; . 二 对面积的曲面积分(第一类曲面积分)的计算 设积分曲面由单值函数确定,曲面在坐标面上的投影为,函数在具有连续偏导数(即曲面是光滑曲面).按照对面积的曲面积分的定义有 . 设对曲面的第块在坐标面上的投影为,则可以表示为下面的二重积分: 有二重积分的中值定理有 其中是小曲面上的任意一点,为内任意一点,所以 注意到,从而得到二重积分的计算公式 . 这个公式是很容易理解和记忆的,因为曲面的方程是,曲面的面积元素为,曲面在坐标面上的投影是,于是对面积的曲面积分就化为二重积分了.将这个过程简单归纳如下: 用的函数代替; 用换; 将曲面投影到坐标面上得到投影. 简单地说就是“一代二换三投影”. 例13.16 计算曲面积分,其中曲面是由平面截球面 的顶部. 图13-16 解: 曲面的方程为,它在坐标面上的投影为圆形的闭区域:. , 所以 = 利用极坐标计算上面的积分,得到 例13.17 计算曲面积分,其中曲面是由平面以及三个坐标面所围成的四面体的表面. 图13-17 解:如上图,曲面由曲面组成,其中分别是平面,上的部分. ; ; ; . 所以 习题13.4 计算. 其中为上半球面. 计算. 其中为曲面介于二平面之间的部分. 计算. 其中是锥面及平面所围成的区域的整个边界曲面. 求抛物面壳的质量, 此壳的面密度的大小为. 求面密度为的均匀半球壳对于轴的转动惯量. 计算. 其中为四面体, , 及的边界面. 参考答案 1. 2. 3. 4. 5. 6. . 第五节 对坐标的曲面积分 一 对坐标的曲面积分的概念和性质 为了讨论对坐标的曲面积分,首先要对曲面作一些说明. 1. 曲面的侧 在曲面上的任意一点处作曲面的法线向量,有两个方向,取定其中的一个方向,当点在曲面上不越过边界连续运动时,法线向量也随着连续变动,这种连续变动又回到时,法线向量总是不改变方向,则称曲面是双侧的,否则,称曲面是单侧的.如著名的Mbius带就是单侧曲面. 今后我们只讨论曲面是双侧的. 例如曲面,如果轴的正方向是竖直向上的,则有上侧和下侧.又如空间中的闭曲面有内侧和外侧之分.我们可以通过曲面上的法向量的指定来确定曲面的侧.例如对于曲面,若取定的法向量是朝上的,那么实际上就是取定曲面为上侧;对于封闭曲面,若取定的法向量是由内指向外的,则取定的曲面是外侧.选定了曲面的侧的曲面称为有向曲面. 流向曲面一侧的流量 设稳定的不可压缩的液体以速度 流向有向曲面,求液体在单位时刻内流过曲面指定侧的流量.其中函数都是曲面上的连续函数. 如果流体流过平面上的一个面积为A的闭区域,且流体在闭区域上各点处的流速为常向量,又设是该平面上的单位法向量,那么在单位时间内流过这个闭区域的流体组成一个底面积为A,斜高为的斜柱体,其体积即流量为 这就是通过闭区域A流向所指的一侧的流量. 对于一般的曲面,我们可以将它划分为若干个小块,在是光滑的和是连续的前提下,只要的直径很小,我们就可以用上任意一点处的流速 近似替代上各点处的流速,以此点处的曲面的单位法向量 代替上各点处的单位向量,从而得到通过流向指定侧的流量的近似值为 ,(为的面积) 于是通过曲面指定侧的流量近似地为 注意到 ; ; . 因此上式可以写为 当所有小块的直径的最大值时,上面和的极限就是流量的精确值. 在实际问题中还

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