《对坐标的曲面积分》
包括但不限于:
- 侧的概念
- 投影区域面积的正负
- 对坐标曲面积分的定义
- 对坐标曲面积分的计算方法
对坐标的曲面积分(第二类曲面积分)
一、曲面的「侧」的概念
对坐标的曲面积分依赖于曲面的定向,即指定曲面的哪一侧为「正侧」。这是它与第一类曲面积分的根本区别。
1.1 双侧曲面与单侧曲面
- 双侧曲面:可以区分两个面(如上/下、内/外)。我们通常研究的曲面都是双侧曲面。
- 单侧曲面:如莫比乌斯带,无法区分两侧。本课程中只讨论双侧曲面。
1.2 由显式方程给出的曲面 ——「上下、左右、前后」侧
📌 曲面 Σ:z=z(x,y) → 投影到 xOy 平面
- 上侧:曲面的法向量 n 与 z 轴正向的夹角 γ 为锐角(cosγ>0)。
- 下侧:法向量 n 与 z 轴正向的夹角 γ 为钝角(cosγ<0)。
记忆:上侧 = 法向量指向上方;下侧 = 法向量指向下方。
📌 曲面 Σ:y=y(x,z) → 投影到 xOz 平面
- 右侧:法向量 n 与 y 轴正向夹角 β 为锐角(cosβ>0)。
- 左侧:法向量 n 与 y 轴正向夹角 β 为钝角(cosβ<0)。
记忆:站在 y 轴正方向看,右侧 = 曲面在右边。
📌 曲面 Σ:x=x(y,z) → 投影到 yOz 平面
- 前侧:法向量 n 与 x 轴正向夹角 α 为锐角(cosα>0)。
- 后侧:法向量 n 与 x 轴正向夹角 α 为钝角(cosα<0)。
记忆:前侧 = 法向量指向前方(x 轴正方向)。
1.3 封闭曲面的「外侧」与「内侧」
对于封闭曲面(如球面、椭球面),不区分上下左右,而是:
- 外侧:法向量 n 指向曲面外部(远离曲面所包围区域)。
- 内侧:法向量 n 指向曲面内部(朝向曲面所包围区域)。
对于球面 x2+y2+z2=R2:外侧对应法向量从球心向外辐射;内侧对应法向量指向球心。
1.4 「正侧」与「负侧」
- 通常,我们约定曲面方程显式表达的那一侧为正侧:
- z=z(x,y) → 上侧为正侧,下侧为负侧;
- y=y(x,z) → 右侧为正侧,左侧为负侧;
- x=x(y,z) → 前侧为正侧,后侧为负侧。
- 封闭曲面通常取外侧为正侧。
二、投影区域面积的「正负」
对坐标曲面积分中,投影到坐标平面上的面积元素是带符号的(可正可负),符号由曲面的侧决定。
2.1 核心原理:cos 的符号决定投影正负
dxdy=cosγdS,dzdx=cosβdS,dydz=cosαdS
其中 dS 是曲面的面积元素(恒正)。投影面积的正负完全取决于方向余弦的符号:
2.2 封闭曲面的外侧投影符号
对于封闭曲面取外侧:
- 在曲面的上半部分(z 较大处),外侧通常是上侧,cosγ>0,dxdy 取正;
- 在曲面的下半部分(z 较小处),外侧通常是下侧,cosγ<0,dxdy 取负。
⚠️ 注意:同一封闭曲面,外侧在不同位置对应不同的「上/下」侧,投影符号要分片判断。
2.3 判断正负的实用方法
方法一:看曲面法向量与坐标轴的夹角。若法向量指向该轴正方向一侧,则投影为正;否则为负。
方法二:对于 dxdy 项,若指定了曲面的侧:
- 若曲面上每点的法向量均指向 z 轴正方向一侧(即与 z 轴夹角为锐角),则 dxdy 投影取正;
- 否则取负。
三、定义
设 Σ 是光滑的有向曲面(指定了正侧),函数 R(x,y,z) 在 Σ 上有定义。
将 Σ 分割成 n 个小块 ΔSi(面积),在每一小块上任取一点 (ξi,ηi,ζi),该点处曲面指定侧的法向量方向余弦为 cosαi,cosβi,cosγi。
作和式:
i=1∑nR(ξi,ηi,ζi)(ΔSi⋅cosγi)
记 λ 为各小块最大直径。若 λ→0 时上述和式的极限存在且与分割方式和点的选取无关,则称此极限为 R(x,y,z) 在曲面 Σ 指定侧上对坐标 x,y 的曲面积分,记作:
∬ΣR(x,y,z)dxdy=λ→0limi=1∑nR(ξi,ηi,ζi)(ΔSi⋅cosγi)
类似定义:
∬ΣP(x,y,z)dydz,∬ΣQ(x,y,z)dzdx
组合形式(最常见的写法):
∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy
物理意义:设 A=(P,Q,R) 为流速场,则该积分表示单位时间内流过曲面 Σ(指定侧)的通量(流量)。
四、计算方法 —— 判断正负 + 投影做二重积分
4.1 基本计算步骤(以 dxdy 项为例)
第一步:将曲面 Σ 写成显式方程 z=z(x,y),确定其在 xOy 平面上的投影区域 Dxy。
第二步:判断符号 —— 根据指定侧确定 dxdy 前的正负号:
若曲面不能一步写成 z(x,y)(如封闭曲面),需分片,每片分别判断符号。
第三步:代入二重积分公式:
∬ΣR(x,y,z)dxdy=±∬DxyR(x,y,z(x,y))dxdy
公式中的 ±:上侧取 +,下侧取 −。
4.2 处理 dydz 和 dzdx 项
dydz 项(需写成 x=x(y,z))
投影到 yOz 平面:
∬ΣP(x,y,z)dydz=±∬DyzP(x(y,z),y,z)dydz
dzdx 项(需写成 y=y(x,z))
投影到 xOz 平面:
∬ΣQ(x,y,z)dzdx=±∬DxzQ(x,y(x,z),z)dzdx
4.3 完整计算流程(以 ∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy 为例)
方法一:分项投影法(最常用)
分别计算三项,每项投影到对应的坐标平面并判断符号。
方法二:统一投影法(合一法)
利用关系:
dydz=−zyzxdxdy,dzdx=−zxzydxdy(仅当 z=z(x,y) 时)
或者更准确地,利用法向量方向余弦:
(dydz,dzdx,dxdy)=(cosα,cosβ,cosγ)dS
对于 z=z(x,y) 取上侧:
n=(−zx,−zy,1)或归一化1+zx2+zy21(−zx,−zy,1)
因此:
dydz=cosαdS=−1+zx2+zy2zxdS,dzdx=−1+zx2+zy2zydS,dxdy=1+zx2+zy21dS
全部投影到 xOy 平面,再化为二重积分:
∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬Dxy[P(−zx)+Q(−zy)+R]z=z(x,y)dxdy
⚠️ 注意:此公式仅适用于上侧。若取下侧,需整体加负号(因为方向余弦全反号)。
4.4 封闭曲面的计算 —— 高斯公式
若 Σ 是封闭曲面(取外侧),且 P,Q,R 在 Σ 所围区域 Ω 上有一阶连续偏导数,则:
∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∭Ω(∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R)dV
这是将第二类曲面积分转化为三重积分的利器。
五、典型例题示范
例:计算 ∬Σxyzdxdy,其中 Σ 是球面 x2+y2+z2=1 外侧在 x≥0,y≥0 的部分。
解:
球面需分上半球面(z=1−x2−y2)和下半球面(z=−1−x2−y2)。
- 上半球面取外侧 → 对应上侧 → dxdy 取正;
- 下半球面取外侧 → 对应下侧 → dxdy 取负。
投影区域 Dxy 均为 x2+y2≤1,x≥0,y≥0。
∬Σxyzdxdy=∬Σ上xyzdxdy+∬Σ下xyzdxdy=+∬Dxyxy1−x2−y2dxdy+(−∬Dxyxy(−1−x2−y2)dxdy)=∬Dxyxy1−x2−y2dxdy+∬Dxyxy1−x2−y2dxdy=2∬Dxyxy1−x2−y2dxdy
再用极坐标计算即可。
六、对比总结:两类曲面积分