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9.5两类曲面积分的联系

《两类曲面积分的联系》 包括但不限于:

  • 两类曲线积分通过cos的转换公式
  • 计算示例

两类曲面积分的联系


一、核心转换公式 —— 通过方向余弦

1.1 投影面积元素的关系

设曲面 Σ\Sigma 在点 (x,y,z)(x,y,z) 处的单位法向量为:

n=(cosα,  cosβ,  cosγ)\vec{n} = (\cos\alpha,\; \cos\beta,\; \cos\gamma)

其中 α,β,γ\alpha,\beta,\gamma 分别是 n\vec{n}x,y,zx,y,z 轴正向的夹角。则有:

dydz=cosαdS,dzdx=cosβdS,dxdy=cosγdS\boxed{dydz = \cos\alpha \, dS,\quad dzdx = \cos\beta \, dS,\quad dxdy = \cos\gamma \, dS}

这是联系两类曲面积分的桥梁。本质是:有向投影面积 = 曲面面积元素在坐标平面上的投影(带符号)。


1.2 第二类 → 第一类(向量点积形式)

A=(P,Q,R)\vec{A} = (P, Q, R),则:

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Σ(Pcosα+Qcosβ+Rcosγ)dS\boxed{\iint_{\Sigma} P \, dydz + Q \, dzdx + R \, dxdy = \iint_{\Sigma} (P\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma) \, dS}

记法向量的点积:

ΣAndS\iint_{\Sigma} \vec{A} \cdot \vec{n} \, dS

物理理解Pcosα+Qcosβ+Rcosγ=AnP\cos\alpha + Q\cos\beta + R\cos\gamma = \vec{A} \cdot \vec{n} 是向量场在法向上的投影,积分即通量


1.3 第一类 → 第二类(反向关系)

若已知第一类积分 ΣfdS\iint_{\Sigma} f \, dS,可将其视为 ΣfcosαcosαdS\iint_{\Sigma} f \cdot \frac{\cos\alpha}{\cos\alpha} dS 等形式来拆解,但通常不逆向使用。实际计算中,更多是将第二类转化为第一类(或直接化为二重积分)。


二、方向余弦的显式计算

2.1 曲面由显式方程 z=z(x,y)z = z(x,y) 给出

法向量(未归一化)为:

N=(zx,  zy,  1)(zx,  zy,  1)\vec{N} = (-z_x,\; -z_y,\; 1) \quad \text{或} \quad (z_x,\; z_y,\; -1)

方向的选择取决于指定哪一侧

指定侧法向量cosγ\cos\gamma适用公式
上侧N=(zx,zy,1)\vec{N} = (-z_x, -z_y, 1)cosγ>0\cos\gamma > 0常用
下侧N=(zx,zy,1)\vec{N} = (z_x, z_y, -1)cosγ<0\cos\gamma < 0反号

对上侧,归一化得:

cosα=zx1+zx2+zy2,cosβ=zy1+zx2+zy2,cosγ=11+zx2+zy2\boxed{ \cos\alpha = \frac{-z_x}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}},\quad \cos\beta = \frac{-z_y}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}},\quad \cos\gamma = \frac{1}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} }

对下侧,所有 cos\cos 反号。


2.2 曲面由隐式方程 F(x,y,z)=0F(x,y,z)=0 给出

法向量:

N=(Fx,Fy,Fz)\vec{N} = (F_x, F_y, F_z)

单位化后:

cosα=FxFx2+Fy2+Fz2,cosβ=FyFx2+Fy2+Fz2,cosγ=FzFx2+Fy2+Fz2\cos\alpha = \frac{F_x}{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}},\quad \cos\beta = \frac{F_y}{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}},\quad \cos\gamma = \frac{F_z}{\sqrt{F_x^2+F_y^2+F_z^2}}

再根据指定的「侧」确定是否需要对 N\vec{N} 取反。


三、合一法 —— 又一联系的应用

利用方向余弦的关系,可以将第二类曲面积分的三项统一投影到同一个坐标平面(通常是 xOyxOy),从而一次性计算。

3.1 合一法公式(以投影到 xOyxOy 为例)

Σ:z=z(x,y)\Sigma: z = z(x,y)上侧,由 cosα,cosβ,cosγ\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma 表达式,有:

dydz=zx1+zx2+zy2dS,dzdx=zy1+zx2+zy2dS,dxdy=11+zx2+zy2dSdydz = -\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

代入第二类积分:

ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=Σ[P(zx)+Q(zy)+R]11+zx2+zy2dS=Dxy[P(zx)+Q(zy)+R]z=z(x,y)dxdy\begin{aligned} \iint_{\Sigma} P dydz + Q dzdx + R dxdy &= \iint_{\Sigma} \left[ P(-z_x) + Q(-z_y) + R \right] \frac{1}{\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}} dS \\[4pt] &= \iint_{D_{xy}} \left[ P(-z_x) + Q(-z_y) + R \right]_{z=z(x,y)} dxdy \end{aligned}

📌 此公式仅适用上侧。若取下侧,右侧整体加负号。


四、计算示例

例1:用两类积分联系求通量

:计算 I=Σxdydz+ydzdx+zdxdy\displaystyle I = \iint_{\Sigma} x \, dydz + y \, dzdx + z \, dxdy,其中 Σ\Sigma 是平面 x+y+z=1x+y+z=1 在第一卦限部分,取上侧

解法一:利用转换公式化为第一类曲面积分。

平面 x+y+z=1x+y+z=1 的法向量:N=(1,1,1)\vec{N} = (1,1,1),单位化为:

cosα=cosβ=cosγ=13\cos\alpha = \cos\beta = \cos\gamma = \frac{1}{\sqrt{3}}

上侧已满足 cosγ>0\cos\gamma > 0,故直接使用。

I=Σ(xcosα+ycosβ+zcosγ)dS=Σ(x+y+z)13dS=13Σ1dS(x+y+z=1 在 Σ 上)=13S\begin{aligned} I &= \iint_{\Sigma} (x\cos\alpha + y\cos\beta + z\cos\gamma) \, dS \\[4pt] &= \iint_{\Sigma} (x+y+z) \cdot \frac{1}{\sqrt{3}} \, dS \\[4pt] &= \frac{1}{\sqrt{3}} \iint_{\Sigma} 1 \, dS \quad (\because x+y+z=1 \text{ 在 } \Sigma \text{ 上}) \\[4pt] &= \frac{1}{\sqrt{3}} \cdot S \end{aligned}

Σ\Sigma 的面积 SS

  • 平面 x+y+z=1x+y+z=1 在第一卦限部分的投影 DxyD_{xy}x0,y0,x+y1x \ge 0, y \ge 0, x+y \le 1,面积 =12=\frac{1}{2}
  • 面积元素系数 1+zx2+zy2=1+(1)2+(1)2=3\sqrt{1+z_x^2+z_y^2} = \sqrt{1+(-1)^2+(-1)^2} = \sqrt{3}
  • S=Dxy3dxdy=312=32S = \iint_{D_{xy}} \sqrt{3} \, dxdy = \sqrt{3} \cdot \frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{2}

因此:

I=1332=12I = \frac{1}{\sqrt{3}} \cdot \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{1}{2}

解法二(合一法验证)

z=1xyz = 1-x-yzx=1z_x = -1zy=1z_y = -1,取上侧:

I=Dxy[x(zx)+y(zy)+z]z=1xydxdy=Dxy[x(1)+y(1)+(1xy)]dxdy=Dxy1dxdy=12\begin{aligned} I &= \iint_{D_{xy}} \left[ x(-z_x) + y(-z_y) + z \right]_{z=1-x-y} dxdy \\[4pt] &= \iint_{D_{xy}} \left[ x(1) + y(1) + (1-x-y) \right] dxdy \\[4pt] &= \iint_{D_{xy}} 1 \, dxdy = \frac{1}{2} \end{aligned}

结果一致。


例2:将第二类积分用 cos\cos 表示并计算

:计算 Σ(yz)dydz+(zx)dzdx+(xy)dxdy\displaystyle \iint_{\Sigma} (y-z) \, dydz + (z-x) \, dzdx + (x-y) \, dxdy,其中 Σ\Sigma 是锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2}z=0z=0z=1z=1 所截部分,取外侧

分析:外侧对于锥面(开口向上)而言,法向量指向锥体外部。锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2},写成 F=x2+y2z2=0F = x^2+y^2-z^2 = 0,法向量 N=(2x,2y,2z)\vec{N} = (2x, 2y, -2z)。外侧要求法向量指向外部(远离锥体内部),即法向量与 zz 轴夹角为钝角(cosγ<0\cos\gamma < 0),因为锥体内部是 zx2+y2z \ge \sqrt{x^2+y^2} 区域,外部是 zx2+y2z \le \sqrt{x^2+y^2}。但通常我们直接用合一法或投影法。

此处略去详细计算过程,重点是演示转换:

方向余弦(单位法向量)由 F=x2+y2z2F = x^2+y^2-z^2 给出:

cosα=xx2+y2+z2,cosβ=yx2+y2+z2,cosγ=zx2+y2+z2\cos\alpha = \frac{x}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}},\quad \cos\beta = \frac{y}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}},\quad \cos\gamma = \frac{-z}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}}

(取外侧需检查符号,此处 cosγ<0\cos\gamma < 0 符合预期。)

则:

I=Σ[(yz)cosα+(zx)cosβ+(xy)cosγ]dS=Σx(yz)+y(zx)z(xy)x2+y2+z2dS=Σxyxz+yzxyzx+zyx2+y2+z2dS=Σ0  dS=0\begin{aligned} I &= \iint_{\Sigma} \left[ (y-z)\cos\alpha + (z-x)\cos\beta + (x-y)\cos\gamma \right] dS \\[4pt] &= \iint_{\Sigma} \frac{x(y-z) + y(z-x) - z(x-y)}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} dS \\[4pt] &= \iint_{\Sigma} \frac{xy - xz + yz - xy - zx + zy}{\sqrt{x^2+y^2+z^2}} dS \\[4pt] &= \iint_{\Sigma} 0 \; dS = 0 \end{aligned}

此例说明,利用 cos\cos 转换有时能直接化简被积表达式,得到简洁结果。


五、总结对比

第一类(对面积)第二类(对坐标)
积分对象标量函数 ff向量函数 A=(P,Q,R)\vec{A}=(P,Q,R)
积分元素dSdS(恒正)dydz,dzdx,dxdydydz, dzdx, dxdy(可正可负)
转换桥梁dydz=cosαdSdydz=\cos\alpha dS
统一形式fdS\iint f dSAndS\iint \vec{A}\cdot\vec{n} \, dS
计算转化直接投二重积分合一法投二重积分,或 cos\cos 转第一类

🎯 核心思想:第二类曲面积分本质上就是第一类曲面积分被积函数取「向量在法向上的投影」,两者通过方向余弦 (cosα,cosβ,cosγ)(\cos\alpha,\cos\beta,\cos\gamma) 紧密相连。

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