当前课程知识点:微积分-2 > Chapter 5 Multiple Integrals 重积分 (second part) > Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1) > Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)
同学们 你们好
欢迎来到MOOC微积分在线课程
在上一个单元
我们详细学习了第一型曲面积分
并且引入了一个新的数学工具
就是微分形式和外微分运算
在这节课中啊
我们要继续学习曲面积分
我们要学习的是第二型曲面积分
注意
第二型曲面积分都是针对可定向曲面而言的
所以下面第一小节
我们先学习什么是可定向曲面
Chapter 5 Multiple Integrals
第五章 重积分
Unit 5 Surface Integrals(II)
第五单元
第二型曲面积分
Section 1 Orientability
可定向性
同学们 我们前面提到过
对第二型曲面积分而言
所做的曲面积分的对象必须是在一个
可定向的曲面上
那么 什么是曲面的可定向性呢
这就是我们下面要解释的内容
For surfaces embedded in the Euclidean space E^3
an orientation is specified by the choice
of a continuously varying surface normal n
at every point
第一段话的意思是说
如果我们要讨论一个定向曲面的话
假设这个曲面是嵌入在三维欧氏空间中
所谓它的一个定向
就是说如果我们能够找到一种方式
在这种方式下
在这个曲面上的每一个点都能够连续地指定
一个surface normal
它的含义是法向
也就是说如果能够在这个曲面上
成功地在每一点指定一个法向
那么这个曲面就叫做可定向的
From now on we always assume
that the normal is unitary that is
the norm of n equals 1
而且我们这里通常假定的这个法向
都是unitary 也就是单位向量
If such a normal exists everywhere
then there are always two ways to select it
n or -n
这段话的意思是说
如果在某一个可定向的曲面上
我们找到一种方式来定向
也就是说每一个点
指定了一个特定的法向
而且这种指定方式是随着曲面连续变化的
那么
另外一个人就可以选择另一种指向
就是把所有的方向反过来
so an orientable surface
admits exactly two orientations
换言之
对任何一个可定向曲面来说
我们总有两种方式来指定它的定向
我们只需要选择其中一种
就可以指定一个定向
如果你选择另外一种
那么它一定是和原先指定的定向是反过来的
Most surfaces we encounter in the physical world
are orientable
Spheres planes and tori
plural of torus are orientable
for example
我们现在呢 来看一个例子
这个例子呢
是一个叫做torus的曲面
torus在中文中的翻译是轮胎面
那么现在看到就是这样一个轮胎面
很明显
我们可以在这个面上指定一个定向
比如说所有的法向指向外部
也可以指定它的反向
也就是所有的法向指向内部
那么在实际的世界中
我们见到的很多曲面都是可定向的
比如刚才提到的spheres球面
plane平面
Roughly speaking
an orientable surface is a surface with two sides
A non-orientable surface is
a surface with only one side
这呢 我们再总结一下
Roughly speaking 意思是说笼统地讲
好 笼统地讲
一个可定向曲面可以理解成这样的一个曲面
它有两面 it has two sides
那既然有可定向曲面
自然就会有不可定向曲面
non-orientable surface
所谓non-orientable surface 意思就是说
这个曲面 我们只能找到它的一面
For a typical example of non-orientable surfaces
we consider a Mobius strip
一种特别典型的不可定向的曲面
就是所谓的莫比乌斯带
好的下面我们来看一下什么是莫比乌斯带
首先我们来描述一下
Take a strip of paper half-twist it
when join the ends of the strip
and you get a Mobius strip M
我们选择一个纸条 strip of paper 纸条
然后呢把这个纸条呢
half-twist意思就是说转一圈
when join the ends of the strip
就是把它转180度
然后呢再两端粘起来
这时候你得到的就是莫比乌斯带
我们图中看到的就是我们粘起来莫比乌斯带的效果
我们画的呢是有立体效果的
那么同学们自己不妨拿一个纸带子粘一下
粘出来就一定是这个样子
那么我们看到现在这个面啊它实际上只有一面
它是不可定向的
比如我们解释一下为什么不可定向
Let P be a point on M
随便我们选一个点 比如说M
在这个刚才这个带子上
Fix n_p a normal vector of M on P
在这个点P处呢我们指定一个法向
比如说n_p 比如说我们无论指定哪一面都可以
你就找一个法向来指定它
说这个地方是这个面的一个方向
好了 然后呢
Then move the point P along the strip
and you will find that n_p
will point to the opposite direction
when it returns to the origin
这句话的意思是说
如果我们现在呢让p点现在动起来
沿着这个曲面本身呢走一圈
along with the strip
you will find that n_p will point
to the opposite direction
就是说当我们沿着这个面走一圈
而且连续地挪动这个法向的话
当它回到原处的时候恰好就指向了
刚才指定那个方向的反面
同学们
我们现在看一下图中所画的那个圈
然后呢自己
比划一下就能明白为什么走一圈会指向反面了
好的 我们再解释一个其他的事情
Since we refer to the orientation of
a surface by a local normal
which is continuously defined everywhere
now we see that the Mobius strip
does not have an orientation
because there is no way to determine
such a normal vector field on M
之所以我们称
刚才那个莫比乌斯带是不可定向的
就是因为
如果要指定定向的话
必须是能够连续指定定向的
在处处都可以做到
那么在莫比乌斯带上就做不到
为什么呢 因为
当你在一个点指定某一个方向的时候
那么连续地挪动它
最后连续地
一圈回来那么就指向了另外一个方向
于是呢 我们看出来
这样连续指定特定的方向是不可能的
好的 我们再解释一下
Note that locally
an embedded surface always has two sides
也就是说 局部地看
任何一个面 我们总是能看到两面
但是整体的不一定
so a near-sighted ant
crawling on a one-sided surface
would think there is an other side
意思就是说
假如我们把自己比作一只蚂蚁趴在这个面上
非常小的范围内我们总是看到这个曲面有两面
The essence of one-sidedness is that
the ant can crawl from one side
of the surface to the other without
going through the surface or flipping over an edge
but simply by crawling far enough
这段话的意思是说
所谓只有一个面的曲面
或者说不可定向曲面
它的本质含义意思就是说
这只蚂蚁它可以跑到这个曲面的另外一面去
它并不需要在这个曲面上挖一个洞
或者呢从这个曲面的边缘翻过去
而只要在这个平面上连续地移动
最后就能跑到这个曲面的对面去
那么这样的面就是所谓的不可定向面
同学们 刚才我们见到的是莫比乌斯带
那么有没有其他类型的不可定向曲面呢
有的
同学们我们现在看到图中所展示的这个曲面呢
它叫做克莱因瓶 它也是一个不可定向曲面
there are other types
of non-orientable surfaces as well
below is the illustration if a Klein bottle
Klein bottle就是克莱因瓶
我们看到的是一个立体的图形
它实际上是一个闭合曲面
如果我们同学把自己比作一只蚂蚁
在这个面上爬一爬的话就会发现
总可以从里面爬到外面 从外面爬到里面
因此呢它的确是一个不可定向曲面
同学们刚才我们见到了
可定向曲面的定义
以及几个不可定向曲面的例子
下面我们就开始定义所谓的第二型曲面积分
We shall define type II surface integral
only on orientable surfaces
我们只可以在可定向的曲面上去做
第二型面积分
好假设
Let S contained in E3 be an orientable surface
假设S是这样一个三维空间中的可定向曲面
Fix an orientation on S
因为我们假设S是可定向的
那么我们就可以固定一个定向
当然另外一个定向就是它的反向
So fix such an orientation
and assign a normal vector everywhere
于是呢我们在每一个点都
带着一个事先制定的法向
so We have the normal vector field
n=n(x,y,z) on S
也就是说
在这个曲面上有这样一个向量场
它的名字就叫做法向向量场
它会依赖于x,y,z坐标
Here is a typical example
the torus with orientation pointing outside
好了 我们拿一个前面举过的例子
前面我们说过torus也就是轮胎面
它是可定向的
现在呢 我们就指定一个定向
在这个轮胎的表面的每一点都指向一个法向
这个法向呢朝外指
当然每个点指向是不一样的
但是整体而言它就是这个
曲面上的一个法向向量场
同学们
下面我们给一个与定向有关的非常重要的定义
Definition 1.1
Let r=r(u,v)
我们现在假设有这样一个参数化
也就是它的自变量是u v
定义域在D上 取值为S
it is an admissible parametrization of the surface S
假设我们所讨论的这个可定向曲面S
现在取了一个允许的参数化表示
It is said to be
compatible with the orientation S
因为我们的
曲面S是事先指好定向的 比如说是n
我们称现在所取的这个允许的参数化
它是和原来指定的定向n是相容的
compatible就是相容的 或者说是融洽的
If 下面是条件
if for any (u,v) in D^o 也就是对任意D
这个集合中的内点 任何一个内点
(u,v)比如说这个点
我们都有什么呢
partial r partial u
corss partial r partial v not equal to 0
这什么意思呢
同学们回顾一下 我们以前学过u线v线
partial r partial u,partial r partial v呢
分别是u线和v线的切向量
好了现在例子是说
这两个切向量在任何一点互相做叉积的话
一定不等于0 这是第一个条件
另外呢 and
it is pointing to the direction of n everywhere
也就是说
不但它做完叉积以后不等于0
而且做完叉积以后这个向量和n的方向是一致的
In other words
for any (u,v) in D^o
也就是说对任意的(u,v)这个点
我们都有什么呢
ru 叉 rv
然后做规范化
也就是让它除以ru 叉 rv自身的模长
它就一定和原来的n是同一个向量
It is exactlly that of n at that point
这就是我们最后写的这个公式
换言之现在所谓的这个法向向量场n呢
它是可以用ru叉 rv做规范化以后得到的
In general an orientable surface S
is the union of finitely many peices
S=S_1 union S_2 union so far until Sn
也就是说
一般而言啊 所谓的一个可定向曲面
它总是很多有限的片拼起来的
where each Si is smooth
and admits an admissible parametrization
and the intersection of any pair S_i and S_j
i not equal to j is a one dimensinal object on E3
这里的S我们分解成S_1一直到S_n
每一片Si都是光滑的 可定向的
而且呢 它有一个允许的参数化表达
An orientation on S
is to assign normals on each S_i
so that they are consistent along the borders
所谓一个S的定向
就是说在每一片上都指定一个法向场
而且它们这些片之间
沿着他们的border也就是边缘呢是互相一致的
比如我们现在看一个例子吧
For example
the cylinder below is oriented outward
It consists of three pieces of smooth surfaces
现在我们看了一个柱面
这个柱面呢实际上有三个面贴起来
中间是圆柱的一部分
圆柱的表面 上下有两个底面
上底面和下底面
那么这三个拼起来就得到一个圆柱的表面好
那么在每一片上我们都指定一个定向
在它们边缘也就是它们缝合的地方
要求他们一致
也就是按右手法则指向是一致的
那么这就叫做一个定向一致的定向
好接下来我们看这种情况下允许的参数化
Definition 1.2
For the above S=S_1
union S_2 until the last one S_n
对前面所提到的这样一个分片光滑的曲面
假设它是很多片拼起来的
a family of compatible parameterization
is to assign on each S_i an
admissible parametrization
r_i
which is compatible with n
现在我们要定义的是
所谓在这种很多面拼起来的曲面上来定义一个
与定向相容的参数化
意思就是说
在每一片上都要指定一个参数化r_i
r_i必须是admissible 必须是允许的
而且compatible with n 意思就是说它和
指定的事先那个指定定向n是相容的
换言之在每一个i
指标
都有r_(i,u) 叉乘 r_(i,v) 然后进行规范化
恰好就是n在那个点的指向
-Introduction (课程介绍)
-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)
--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)
--Exercises-1-1-1
-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)
--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)
--Exercises-1-1-2
-Unit 2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)
--Video-1-2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)
--Exercise-1-2
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)
--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)
--Exercises-1-3-1
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)--作业
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)
--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)
--Exercises-1-3-2
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)--作业
-Unit 4 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)
--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)
--Exercise-1-4
--1-4讲义
-Test1
-Unit 1 Infinite Series and Their Convergence(无穷级数及其收敛性)
--Infinite Series and Their Convergence (无穷级数及其收敛性)
--Exercises-2-1
--2-1讲义
-Unit 2 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)
--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)
--Exercises-2-2
--2-2讲义
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)
--Exercises-2-3-1
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)
--Exercises-2-3-2
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)
--Exercises-2-3-3
--2-3讲义
-Test2
-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)
--Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)
--Exercises-2-4 (section 1)
-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)
-- Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)
--Exercises-2-4 (section 2)
--2-4讲义
-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)
--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)
--Exercises-2-5(section 1)
-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)
--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)
--Exercises-2-5(section 2)
--2-5讲义
-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 1)
--Power Series (幂级数) (section 1)
--Exercise-3-1(section 1)
-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 2)
--Power Series (幂级数)(section 2)
--Exercise-3-1 (section 2)
--3-1讲义
-Unit 2 Expansion of Functions in Power Series (函数的幂级数展开)
--Expansion of Functions in Power Series(函数的幂级数展开)
--Exercise-3-2
--3-2讲义
-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 1)
--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 1)
--Exercise-3-3(section 1)
-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 2)
--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)
--Exercise-3-3(section 2)
--3-3讲义
-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)
--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)
--Exercise-3-4(section 1)
-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)
--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)
--Exercise-3-4(section 2)
--3-4讲义
-Unit 5 Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)
--Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)
--Exercise-3-5
--Test3
--3-5讲义
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)
--Exercise-4-1-1
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)
--Exercise-4-1-2
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)
--Exercise-4-1-3
--4-1讲义
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)
--Exercise-4-2-1
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)
--Exercise-4-2-2
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)
--4-2讲义
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)
--Exercise-4-3-1
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)
--Exercise-4-3-2
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)
--Exercise-4-3-3
--4-3讲义
-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)
--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)
--Exercise-4-4-1
-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)
--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)
--Exercise-4-4-2
--4-4讲义
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)
--Exercise-4-5-1
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)
--Exercise-4-5-2
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)
--Exercise-4-5-3
--4-5讲义
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)
--Exercise-4-6-1
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)
--Exercise-4-6-2
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)
--Exercise-4-6-3
--4-6讲义
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)
--Exercise-4-7-1
--Exercise-4-7-2
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)
--Exercise-4-7-3
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)
--Exercise-4-7-4
--4-7讲义
-Test1
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)
-Exercise-4-8-1
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)
-Exercise-4-8-2
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)
--4-8讲义
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)--作业
-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)
--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)
-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)
--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)
--Exercise-4-9-2
--4-9讲义
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 1)
--Multiple Integrals (重积分) (section 1)
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 2)
--Multiple Integrals (重积分) (section 2)
--Exercise-5-1-2
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 3)
--Multiple Integrals (重积分) (section 3)
--Exercise-5-1-3
--5-1讲义
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 1)
--Triple Integrals (三重积分) (section 1)
--Exercise-5-2-1
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 2)
--Triple Integrals (三重积分) (section 2)
--Exercise-5-2-2
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 3)
--Triple Integrals (三重积分) (section 3)
--Exercise-5-2-3
--5-2讲义
-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 1)
--Line Integrals (曲线积分) (section 1)
--Exercise-5-3-1
-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 2)
--Line Integrals (曲线积分) (section 2)
--Exercise-5-3-2
--5-3讲义
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)
--Exercise-5-4-1
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)
--Exercise-5-4-2
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)
--Exercise-5-4-3
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)
--5-4讲义
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)
--Exercise-5-5-1
--5-5讲义
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)
--Exercise-5-6-1
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)
--Exercise-5-6-2
--Exercise-5-6-3
--5-6讲义
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 1)
--Field Theory (场论) (section 1)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 2)
--Field Theory (场论) (section 2)
--Exercise-5-7-1
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 3)
--Field Theory (场论) (section 3)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 4)
--Field Theory (场论) (section 4)
--Exercise-5-7-2
--Test5
--5-7讲义
