文档介绍:第二类曲面积分计算方法
赵海林 张纬纬
摘要 利用定义法,参数法,单一坐标平面投影法,分项投影法,高斯公式,Stokes公式,积
分区间对称性,向量计算形式和利用两类曲面积分之间联络等方法进行求解.
关键词 第二类曲面积分 定义法 参数法 投影法 高斯公式 Stokes公式 向量计算形
式
1 引言
曲面积分是多元函数积分学关键组成部分,在曲面积分计算中,综合利用着一元积分和重积分计算思绪、方法和技巧,在第二型曲面积分学****过程中,必需在了解概念和性质同时,,计算方法灵活多变,而且包含数学知识面广,掌握起来有一定难度,而且是数学分析学****中难点,很多学生在求解这一类题型时感到相当困难,所以本文给出了第二型曲面积分计算多个方法,并举例说明了这多个方法应用,力图使学生能计算第二型曲面积分,并能深入了解第一型曲面积分和第二型曲面积分,曲面积分、曲线积分和重积分之间亲密联络,让多种计算方法愈加直观展现在读者面前,表现了第二型曲面积分计算方法应用.
2 预备知识
2.1第二型曲面积分概念
流量问题(物理背景)
设稳定流动不可压缩流体(假定密度为)速度为
,
∑是一光滑有向曲面,求单位时间内从曲面∑一侧流向另一侧流量.
若为平面上面积为区域,而流速是常向量,指定侧单位法向量
则
若为曲面,流速不是常向量,则用下面方法计算流量.
(1) 分割
将任意分成小块同时代表其面积.
(2) 近似
,以点处流速和单位法向量分别替换上其它各点处流速和单位法向量,得到流过指定侧流量近似值:
(3) 求和
(4) 取极限
定义
.
若存在,
或
.
2.2 第二型曲面积分性质
性质1 (方向性)
为和取相反侧曲面,则在上第二型曲面积分也存在,.
性质2 (线性性) 若 存在,则有
=,
其中是常数.
性质3 (曲面可加性) 若曲面是由两两无公共内点曲面块所组成,且
存在,则有
第二型曲面积分数量表示式
记,称为曲面
从而
.
即,是在面上投影;是在面上投影;在在面上投影. 她们取值可正、可负、,取符号.
特殊形式:
称为对坐标曲面积分;
称为对坐标曲面积分;
称为对坐标曲面积分.
介绍两类曲面积分之间联络
和曲线积分一样,当曲面侧确定以后,,并以上侧为正侧,为上连续函数,
(1)
由曲面面积公式,其中是曲面法线方向和轴正向交角,,所以是锐角 .又由是光滑,,在内必存在一点,使这点法线方向和轴正向夹角满足等式或.
于是. 个部分相加后得
(2)
现在以表示曲面在点 法线方向和轴正向夹角余弦,则由连续性,可推适当初,
(3)
这里注意当改变曲面侧向时,左边积分改变符号,,所以右边积分也对应改变了符号.
同理可证:
(4)