← 返回《高等数学》目录

9.4对坐标的曲面积分

《对坐标的曲面积分》 包括但不限于:

  • 侧的概念
    • 上下左右前后侧
    • 外侧内测
    • 正侧和负侧
  • 投影区域面积的正负
    • 根据对应cos值来取正负
  • 对坐标曲面积分的定义
  • 对坐标曲面积分的计算方法
    • 判断正负
    • 投影做二重积分

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)\Sigma: z = z(x,y) → 投影到 xOyxOy 平面

  • 上侧:曲面的法向量 n\vec{n}zz 轴正向的夹角 γ\gamma锐角cosγ>0\cos\gamma > 0)。
  • 下侧:法向量 n\vec{n}zz 轴正向的夹角 γ\gamma钝角cosγ<0\cos\gamma < 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)\Sigma: y = y(x,z) → 投影到 xOzxOz 平面

  • 右侧:法向量 n\vec{n}yy 轴正向夹角 β\beta 为锐角(cosβ>0\cos\beta > 0)。
  • 左侧:法向量 n\vec{n}yy 轴正向夹角 β\beta 为钝角(cosβ<0\cos\beta < 0)。

记忆:站在 yy 轴正方向看,右侧 = 曲面在右边

📌 曲面 Σ:x=x(y,z)\Sigma: x = x(y,z) → 投影到 yOzyOz 平面

  • 前侧:法向量 n\vec{n}xx 轴正向夹角 α\alpha 为锐角(cosα>0\cos\alpha > 0)。
  • 后侧:法向量 n\vec{n}xx 轴正向夹角 α\alpha 为钝角(cosα<0\cos\alpha < 0)。

记忆:前侧 = 法向量指向前方(xx 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\vec{n} 指向曲面外部(远离曲面所包围区域)。
  • 内侧:法向量 n\vec{n} 指向曲面内部(朝向曲面所包围区域)。

对于球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2=R^2: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正侧
    • z=z(x,y)z = z(x,y)上侧为正侧,下侧为负侧;
    • y=y(x,z)y = y(x,z)右侧为正侧,左侧为负侧;
    • x=x(y,z)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),符号由曲面的决定。

2.1 核心原理:cos\cos 的符号决定投影正负

dxdy=cosγdS,dzdx=cosβdS,dydz=cosαdSdxdy = \cos\gamma \, dS, \quad dzdx = \cos\beta \, dS, \quad dydz = \cos\alpha \, dS

其中 dSdS 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

投影正侧条件cos\cos 符号投影面积符号
dxdydxdy(到 xOyxOy上侧(cosγ>0\cos\gamma > 0++
dxdydxdy下侧(cosγ<0\cos\gamma < 0-
dzdxdzdx(到 xOzxOz右侧(cosβ>0\cos\beta > 0++
dzdxdzdx左侧(cosβ<0\cos\beta < 0-
dydzdydz(到 yOzyOz前侧(cosα>0\cos\alpha > 0++
dydzdydz后侧(cosα<0\cos\alpha < 0-

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zz 较大处),外侧通常是上侧cosγ>0\cos\gamma > 0dxdydxdy
  • 在曲面的下半部分zz 较小处),外侧通常是下侧cosγ<0\cos\gamma < 0dxdydxdy

⚠️ 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 dxdydxdy 项,若指定了曲面的侧:

  • 若曲面上每点的法向量均指向 zz 轴正方向一侧(即与 zz 轴夹角为锐角),则 dxdydxdy 投影取
  • 否则取

三、定义

Σ\Sigma 是光滑的有向曲面(指定了正侧),函数 R(x,y,z)R(x,y,z)Σ\Sigma 上有定义。

Σ\Sigma 分割成 nn 个小块 ΔSi\Delta S_i(面积),在每一小块上任取一点 (ξi,ηi,ζi)(\xi_i,\eta_i,\zeta_i),该点处曲面指定侧的法向量方向余弦为 cosαi,cosβi,cosγi\cos\alpha_i,\cos\beta_i,\cos\gamma_i

作和式:

i=1nR(ξi,ηi,ζi)(ΔSicosγi)\sum_{i=1}^{n} R(\xi_i,\eta_i,\zeta_i) \, (\Delta S_i \cdot \cos\gamma_i)

λ\lambda 为各小块最大直径。若 λ0\lambda \to 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)R(x,y,z) 在曲面 Σ\Sigma 指定侧上对坐标 x,yx,y 的曲面积分,记作:

ΣR(x,y,z)dxdy=limλ0i=1nR(ξi,ηi,ζi)(ΔSicosγi)\iint_{\Sigma} R(x,y,z) \, dxdy = \lim_{\lambda \to 0} \sum_{i=1}^{n} R(\xi_i,\eta_i,\zeta_i) \, (\Delta S_i \cdot \cos\gamma_i)

类似定义:

ΣP(x,y,z)dydz,ΣQ(x,y,z)dzdx\iint_{\Sigma} P(x,y,z) \, dydz, \quad \iint_{\Sigma} Q(x,y,z) \, dzdx

组合形式(最常见的写法):

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_{\Sigma} P \, dydz + Q \, dzdx + R \, dxdy

物理意义:设 A=(P,Q,R)\vec{A} = (P, Q, R) 为流速场,则该积分表示单位时间内流过曲面 Σ\Sigma(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 dxdydxdy 项为例)

第一步:将曲面 Σ\Sigma 写成显式方程 z=z(x,y)z = z(x,y),确定其在 xOyxOy 平面上的投影区域 DxyD_{xy}

第二步:判断符号 —— 根据指定侧确定 dxdydxdy 前的正负号:

指定侧符号
上侧++
下侧-

若曲面不能一步写成 z(x,y)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\iint_{\Sigma} R(x,y,z) \, dxdy = \pm \iint_{D_{xy}} R\big(x, y, z(x,y)\big) \, dxdy

公式中的 ±\pm:上侧取 ++,下侧取 -


4.2 处理 dydzdydzdzdxdzdx

dydzdydz 项(需写成 x=x(y,z)x = x(y,z)

投影到 yOzyOz 平面:

指定侧符号
前侧(cosα>0\cos\alpha > 0++
后侧(cosα<0\cos\alpha < 0-
ΣP(x,y,z)dydz=±DyzP(x(y,z),y,z)dydz\iint_{\Sigma} P(x,y,z) \, dydz = \pm \iint_{D_{yz}} P\big(x(y,z), y, z\big) \, dydz

dzdxdzdx 项(需写成 y=y(x,z)y = y(x,z)

投影到 xOzxOz 平面:

指定侧符号
右侧(cosβ>0\cos\beta > 0++
左侧(cosβ<0\cos\beta < 0-
ΣQ(x,y,z)dzdx=±DxzQ(x,y(x,z),z)dzdx\iint_{\Sigma} Q(x,y,z) \, dzdx = \pm \iint_{D_{xz}} Q\big(x, y(x,z), z\big) \, dzdx

4.3 完整计算流程(以 ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_{\Sigma} P dydz + Q dzdx + R dxdy 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=zxzydxdy,dzdx=zyzxdxdy(仅当 z=z(x,y) 时)dydz = -\frac{z_x}{z_y} dxdy,\quad dzdx = -\frac{z_y}{z_x} dxdy \quad \text{(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(dydz, dzdx, dxdy) = (\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma) \, dS

对于 z=z(x,y)z = z(x,y) 取上侧:

n=(zx,zy,1)或归一化11+zx2+zy2(zx,zy,1)\vec{n} = (-z_x, -z_y, 1) \quad \text{或归一化} \quad \frac{1}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} (-z_x, -z_y, 1)

因此:

dydz=cosαdS=zx1+zx2+zy2dS,dzdx=zy1+zx2+zy2dS,dxdy=11+zx2+zy2dSdydz = \cos\alpha \, dS = -\frac{z_x}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} dS,\quad dzdx = -\frac{z_y}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} dS,\quad dxdy = \frac{1}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} dS

全部投影到 xOyxOy 平面,再化为二重积分:

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Dxy[P(zx)+Q(zy)+R]z=z(x,y)dxdy\iint_{\Sigma} P dydz + Q dzdx + R dxdy = \iint_{D_{xy}} \left[ P(-z_x) + Q(-z_y) + R \right]_{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

Σ\Sigma封闭曲面(取外侧),且 P,Q,RP, Q, RΣ\Sigma 所围区域 Ω\Omega 上有一阶连续偏导数,则:

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Ω(Px+Qy+Rz)dV\iint_{\Sigma} P dydz + Q dzdx + R dxdy = \iiint_{\Omega} \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right) 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

:计算 Σxyzdxdy\displaystyle \iint_{\Sigma} xyz \, dxdy,其中 Σ\Sigma 是球面 x2+y2+z2=1x^2+y^2+z^2=1 外侧在 x0,y0x \ge 0, y \ge 0 的部分。

球面需分上半球面z=1x2y2z = \sqrt{1-x^2-y^2})和下半球面z=1x2y2z = -\sqrt{1-x^2-y^2})。

  • 上半球面取外侧 → 对应上侧dxdydxdy
  • 下半球面取外侧 → 对应下侧dxdydxdy

投影区域 DxyD_{xy} 均为 x2+y21,  x0,  y0x^2+y^2 \le 1,\; x \ge 0,\; y \ge 0

Σxyzdxdy=Σxyzdxdy+Σxyzdxdy=+Dxyxy1x2y2dxdy  +  (Dxyxy(1x2y2)dxdy)=Dxyxy1x2y2dxdy+Dxyxy1x2y2dxdy=2Dxyxy1x2y2dxdy\begin{aligned} \iint_{\Sigma} xyz \, dxdy &= \iint_{\Sigma_{\text{上}}} xyz \, dxdy + \iint_{\Sigma_{\text{下}}} xyz \, dxdy \\[4pt] &= +\iint_{D_{xy}} xy \sqrt{1-x^2-y^2} \, dxdy \;+\; \left( -\iint_{D_{xy}} xy \left(-\sqrt{1-x^2-y^2}\right) dxdy \right) \\[4pt] &= \iint_{D_{xy}} xy \sqrt{1-x^2-y^2} \, dxdy + \iint_{D_{xy}} xy \sqrt{1-x^2-y^2} \, dxdy \\[4pt] &= 2 \iint_{D_{xy}} xy \sqrt{1-x^2-y^2} \, dxdy \end{aligned}

再用极坐标计算即可。


六、对比总结:两类曲面积分

第一类(对面积)第二类(对坐标)
记号ΣfdS\iint_{\Sigma} f \, dSΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_{\Sigma} P dydz + Q dzdx + R dxdy
曲面定向不需要(无方向)必须指定侧
面积元素符号dSdS 恒正dxdydxdy可正可负
物理意义质量(标量)通量/流量(向量点积)
计算方法投影 + 1+zx2+zy2\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}投影 + 判断正负号
两者联系dxdy=cosγdSdxdy = \cos\gamma \, dS
书签