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应用高斯公式计算下列曲面积分:
(1),其中S是单位球面的外侧;
(2),其中S是立方体表面的外侧;
(3),其中S是锥面与平面z=h所围空间区域的表面,方向取外侧;
(4),其中S是单位球面的外侧;
(5),其中S是单位球面的外侧。
分析:记住高斯公式
,
其中S 取外侧.
解: (1)因为,,,
所以
(2)
(3),由柱面坐标变换
知 原式
(4)
(5):增补平面
使之成为一封闭体,并取下侧为
正侧,
原式
2.应用高斯公式计算三重积分
,
其中V由与所确定的空间区域。
分析:空间区域V如图:
解: 原式
3.应用斯托克斯公式计算下列曲线积分:
(1),其中L为与三坐标面的交线,它的走向使所围平面区域上侧在曲线的左侧;
(2),其中L为所交的椭圆的正向.
(3) ,其中L为以为顶点的三角形沿ABCA的方向.
分析:斯托克斯公式给出了双侧曲面积分与曲面边界的曲线积分的关系,即
其中S 的侧与 L 的方向按右手定则
解 (1)记L为曲面S:的边界,如图
由斯托克斯公式知
原式
且
同理
故原积分=0
(2)视L为该椭圆的边界,则
原式=
由于曲面上任一点处的发向量
中的,
从而由定义知,因此,原式=0.
(3)
4.求下列全微分的原函数:
(1);
(2)
分析:(1)因为,
而,,,
所以在内是某一函数的全微分
解: (1) 因,故原函数为:
(2)分析:因为,
而,,,
所以在内是某一函数的全微分。
解法1:任取,则
,
其中为任意常数.
解法2:
由于
故原函数为
5.验证下列线积分与路线无关,并计算其值;
(1);
(2),其中在球面上.
分析:要验证线积分与路线无关,只需要验证被积表达式是某二元函数的全微分,即
或验证
解: (1)因在内有
,
所以所给曲线积分与路线无关,从而
原积分
(2)因在内有
所以,所给曲线积分与路线无关,且
6.证明:由曲面S所包围的立体V的体积为
其中为曲面S的外法线方向余弦。
分析:再利用高斯公式
证明:
故原公式成立.
7.证明:若S为封闭曲面,为任何固定方向,则
其中n为曲面S的外法线方向.
分析:若为曲面S的外法线方向余弦,
有再利用高斯公式
证明: 设N和的方向余弦分别是和,则
由一.二型曲面积分之间的关系可得
=
由的方向固定, 都是常数,故
,由奥高公式得
原式=
8.证明公式
.
其中s是包围V的曲面,n是s的外法线方向,
分析:
因为
而,则由第一.二型曲面积分的关系及奥高公式可得。
证明:
故公式成立.
9.若L是平面上的闭曲线,它所包围区域的面积为S,求
其中L依正向进行.
分析:利用第一,二型曲面积分之间的关系及斯托克斯公式进行计算。
解: 因.
故由斯托克斯公式及得
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