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李斌的论文(巧用高斯公式计算曲面积分)
巧用高斯公式计算曲面积分
李 斌
[摘要]:第二型曲面积分的计算有三种方法,正确运用高斯公式可以简化曲面积分的计算。本文重点分析高斯公式的条件和结论,进而阐明在曲面积分计算中如何巧用高斯公式。
[关键词]:曲面积分 高斯公式
[ Abstract ]: The calculation of the second curved face integral calculus contains three kinds of methods and the Gauss formula of the exactitude usage can simplify the calculation of curved face integral calculus.This text point analyzes condition and conclusion of Gauss formula and then clarify in the curved face integral calculus the calculation how the Qiao use Gauss formula.
[ Key word ]:Curved face integral calculus Gauss formula
在微积分课程中,有关曲面积分,尤其是第二型曲面积分的计算是一个重点,也是一个难点问题。
曲面积分的定义:
定义1: 设函数f (x,y,z)是定义于空间区域V的有界函数,而在V内有一块按块光滑的曲面S。
把S任意分成n个小块,各小块的面积记作(i=1,2,…,n)。
在每一小块上任意取一点。
作和数:。
如果不论曲面如何划分及点如何取法,和数当n → ∞而最大的小块直径→ 0时有极限存在,这极限值就称为f (x,y,z)在曲面S上对面积的曲面积分(或第一型的曲面积分),记作。
如果f (x,y,z)连续,则它的曲面积分存在,如果S的方程是z=z (x,y),则,其中是S的xoy平面上的投影区域。如果S的方程由y=y (z,x) 或x=x (y,z)给出,也可以把曲面积分换成相应的二重积分。
定义2: 设P (x,y,z),Q (x,y,z),R (x,y,z)是定义于空间区域V的有界函数,而在V内有一个按块光滑的有向曲面S。
把S任意分成n个小块,其面积分别为(i=1,2,…,n),在yoz,zox,xoy面上的投影分别为。
在每一小块上任意取一点。
作和数:。
如果不论曲面如何划分及点如何取法,和数当n → ∞而最大的小块直径→0时有极限存在,这极限值就称为函数P,Q,R在曲面S上对坐标的曲面积分(或第二型的曲面积分),记作。
如果P,Q,R连续,则曲面积分存在。另外,如有向曲面反向,积分值也要相应变号。
设S的方程为z=z (x,y),而S在xoy平面上投影域为,则上侧取正,下侧取负。
设S的方程为x=x (y,z),而S在yoz平面上投影域为,则前侧取正,后侧取负。
设S的方程为y=y (z,x),而S在zox平面上投影域为,则右侧取正,左侧取负。
各种类型的曲面积分,可以概括如下:定积分、二重积分、三重积分,以及对弧长的曲线积分与第一型的曲面积分,它们定义的步骤和形式是完全一样的,只是积分区域与被积函数不同而已;而第二型的曲线、曲面积分则有不同,它们用投影来构作和数,因而与方向有关。
第二型曲面积分的计算:
第二型的曲面积分要化为三个二重积分来计算。
计算,当曲面S表示成z=z (x,y),并投影到xoy面上得区域,当曲面S指向与z轴正方向夹角小于时,称S为上侧,此时;当曲面S指向与z轴正方向夹角大于时,称S为上侧,此时。
计算及,将S分别表示成S:x=x (y,z),y=y (x,z),并投影到yoz面和zox面上,分别得投影区域和,则
(i),,其中S的指向分别与x轴正方向夹角小于,与y轴正方向夹角小于(分别称为前侧和右侧)。
(ii),
,其中S指向分别与x轴正方向夹角大于,与y轴正方向夹角大于(分别称为后侧和左侧)。
当函数P (x,y,z),Q (x,y,z),R (x,y,z)在闭曲面S所围成的空间区域V中有一阶连续偏导数,可利用高斯公式计算,其中S取外侧。
若曲面S不是闭曲面,直接进行曲面积分又较复杂,可添加曲面S′,使S+ S′为闭曲面,且有S′上的曲面积分简单,S+ S′能用高斯公式,则
I=
=
=,
其中V为S+ S′包围的空间区域,S+ S′取外侧。
因此,第二型的曲面积分的计算方法有:
(一)通过投影法化为二重积分。
(二)利用两类曲面积分之间的联系进行转化。
(三)利用高斯公式。
一般来说,曲面积分的计算较之曲线积分更为复杂,因而更需要考虑适当的简化方法,优先选用高斯公式是一个基本的考虑。
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