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9.3对面积的曲面积分

《对面积的曲面积分》 包括但不限于:

  • 对面积的曲面积分的定义
  • 对面积的曲面积分的计算法
    • 投影后转化成二重积分做

对面积的曲面积分(第一类曲面积分)


一、定义

设函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在光滑(或分片光滑)曲面 Σ\Sigma 上有定义。将曲面 Σ\Sigma 任意分割nn 个小块 ΔSi\Delta S_i(也用 ΔSi\Delta S_i 表示其面积),在每一小块上任取一点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i, \eta_i, \zeta_i),作和式:

i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i, \zeta_i) \, \Delta S_i

λ\lambda 为各小块直径(小块上任意两点间距离的最大值)的最大值。若当 λ0\lambda \to 0 时,上述和式的极限 存在,且该极限与曲面的分割方式以及点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i, \eta_i, \zeta_i) 的选取方式 无关,则称此极限为函数 f(x,y,z)f(x,y,z) 在曲面 Σ\Sigma对面积的曲面积分,记作:

Σf(x,y,z)dS=limλ0i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi\iint_{\Sigma} f(x,y,z) \, dS = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i, \eta_i, \zeta_i) \, \Delta S_i

物理意义:若 f(x,y,z)f(x,y,z) 表示曲面 Σ\Sigma 的面密度,则积分 Σf(x,y,z)dS\iint_{\Sigma} f(x,y,z) \, dS 表示该曲面的总质量


二、计算法 —— 投影后转化为二重积分

核心思想:将曲面积分投影到某个坐标平面上,转化为该平面区域上的二重积分

2.1 基本公式(投影到 xOyxOy 平面)

设曲面 Σ\Sigma 由显式方程 z=z(x,y)z = z(x,y) 给出,(x,y)Dxy(x,y) \in D_{xy},其中 DxyD_{xy}Σ\SigmaxOyxOy 平面上的投影区域。函数 z(x,y)z(x,y)DxyD_{xy} 上具有一阶连续偏导数,则:

面积元素

dS=1+zx2+zy2  dxdydS = \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2} \; dxdy

计算公式

Σf(x,y,z)dS=Dxyf(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2  dxdy\iint_{\Sigma} f(x,y,z) \, dS = \iint_{D_{xy}} f\big(x, y, z(x,y)\big) \cdot \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2} \; dxdy

操作步骤:

  1. 将曲面写成 z=z(x,y)z = z(x,y) 的形式,求出偏导数 zxz_xzyz_y
  2. 将被积函数中的 zz 替换为 z(x,y)z(x,y)
  3. 计算面积元素系数 1+zx2+zy2\sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}
  4. 找出曲面在 xOyxOy 平面上的投影区域 DxyD_{xy}
  5. DxyD_{xy} 上计算二重积分。

2.2 投影到其他坐标平面

根据曲面方程的形式,可灵活选择投影方向。

投影到 xOzxOz 平面(曲面方程为 y=y(x,z)y = y(x,z)

Σf(x,y,z)dS=Dxzf(x,y(x,z),z)1+yx2+yz2  dxdz\iint_{\Sigma} f(x,y,z) \, dS = \iint_{D_{xz}} f\big(x, y(x,z), z\big) \cdot \sqrt{1 + y_x^2 + y_z^2} \; dxdz

投影到 yOzyOz 平面(曲面方程为 x=x(y,z)x = x(y,z)

Σf(x,y,z)dS=Dyzf(x(y,z),y,z)1+xy2+xz2  dydz\iint_{\Sigma} f(x,y,z) \, dS = \iint_{D_{yz}} f\big(x(y,z), y, z\big) \cdot \sqrt{1 + x_y^2 + x_z^2} \; dydz

2.3 选择投影方向的原则

曲面特征推荐投影方向
曲面可写成 z=z(x,y)z = z(x,y) 且投影区域简单投影到 xOyxOy 平面
曲面关于 xOyxOy 平面”陡峭”(zxz_xzyz_y 很大)考虑投影到 xOzxOzyOzyOz
被积函数中含某一变量较简单消去该变量,选择另两个变量所在平面

三、对称性简化

当积分曲面和被积函数具有某种对称性时,可以简化计算:

  • 曲面关于 xOyxOy 平面对称

    • f(x,y,z)f(x,y,z) 关于 zz奇函数(即 f(x,y,z)=f(x,y,z)f(x,y,-z) = -f(x,y,z)),则 ΣfdS=0\iint_{\Sigma} f \, dS = 0
    • f(x,y,z)f(x,y,z) 关于 zz偶函数(即 f(x,y,z)=f(x,y,z)f(x,y,-z) = f(x,y,z)),则 ΣfdS=2ΣfdS\iint_{\Sigma} f \, dS = 2 \iint_{\Sigma_{\text{上}}} f \, dSΣ\Sigma_{\text{上}} 为上半部分曲面)。
  • 类似结论适用于关于 xOzxOz 平面、yOzyOz 平面的对称性。

  • 轮换对称性:若曲面方程和积分区域在变量轮换下不变,可利用轮换对称性简化。


四、典型例题思路

:计算 Σ(x+y+z)dS\displaystyle \iint_{\Sigma} (x+y+z) \, dS,其中 Σ\Sigma 为平面 x+y+z=1x+y+z=1 在第一卦限的部分。

求解思路

  1. 曲面方程:z=1xyz = 1 - x - y
  2. 求偏导:zx=1z_x = -1zy=1z_y = -1
  3. 面积元素系数:1+(1)2+(1)2=3\sqrt{1 + (-1)^2 + (-1)^2} = \sqrt{3}
  4. 投影区域 DxyD_{xy}x0,y0,x+y1x \ge 0, y \ge 0, x+y \le 1 确定;
  5. 代入公式: Σ(x+y+z)dS=Dxy(x+y+(1xy))3  dxdy=3Dxy1  dxdy=3×12=32\iint_{\Sigma} (x+y+z) \, dS = \iint_{D_{xy}} \big(x + y + (1-x-y)\big) \cdot \sqrt{3} \; dxdy = \sqrt{3} \iint_{D_{xy}} 1 \; dxdy = \sqrt{3} \times \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{2}

五、与”对坐标的曲面积分”的区别

对面积的曲面积分对坐标的曲面积分
类型第一类(标量型)第二类(向量型)
记号ΣfdS\iint_{\Sigma} f \, dSΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_{\Sigma} P \, dydz + Q \, dzdx + R \, dxdy
物理意义质量、总面积等通量、流量等
方向性无方向(与曲面侧无关)有方向(与曲面侧有关)
计算核心化为二重积分 + 面积元素系数化为二重积分 + 方向符号

以上就是对面积的曲面积分的核心内容,涵盖了定义、计算法、投影转化、对称性以及与第二类曲面积分的区别。可以直接复制到 Obsidian 中使用。

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