4.3 曲面积分

高等数学 A2



周维祺

按面积积分

设定

  • 设有曲面,和曲面上的实值函数

  • 设有界可微、且边界是分段光滑的闭曲线,设连续

  • 例子:薄片,密度函数,求质量

分割求和取极限

曲面积分的定义

  • 将分割为互不相交的

  • 记的面积为,直径为, 并取

  • 令,若有极限,且该极限与选点和分割无关,则称其为在上的积分,记作

曲面积分的计算

设曲面的方程是



记在平面的投影为

例子

  • 求,其中是的上半部分()

  • 曲面

  • ;;

例子



练习

设是与三坐标平面所围成锥体的表面,求

沿坐标积分

设定

  • 设有曲面上有函数



  • 例子:不可压缩的流体以速度通过,求单位时间内的流量

有向和可定向曲面

  • 在上取某点处切面的单位法向量,设为
    ()

  • 显然也可以作为该点的法向量

  • 规定其中一个为正方向,例如取坐标大于

  • 定向:当点在曲面上变化时,正方向的法向量也连续变化

本课程中只考虑具有简单形态的曲面

沿坐标作曲面积分的计算

  • 将分割为互不相交的

  • 记的面积为,直径为,并取

  • 设处的单位正向法向量为
    ()

  • 考虑

沿坐标作曲面积分的计算

  • 令,若有极限,且该极限与选点和分割无关,则称其为在上的积分,记作

  • 将在三坐标面上的投影记作,面积分别为

  • 则

沿坐标作曲面积分的计算

记的方程为,在三坐标平面的投影为

例子

  • 计算在正方体表面外侧的积分

  • 正方体有面,每个坐标面上只有个面的投影非,且这个面上函数值均为常数,分别为和



练习

计算在正方体
表面外侧的积分

注意积分方向的符号

与所取法向量方向的坐标符号一致

注意积分中的被积变量

vs

小结

  • 按面积作曲面积分的定义和计算

  • 有向和定向曲面

  • 沿坐标积分作曲面积分的定义和计算

  • 积分方向和符号