当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第三章重积分 > 第六节 第一类曲面积分 > 第一类曲面积分的计算例题(2)
好我们再来看一道例题
我们现在有这么一个曲面 面状物体
S呢是x方加上y方加上z方等于a方
是在z大于等于零的部分
也就是说上半球面
这么一个面状物体
它的质量面密度 σ呢就等于1
这是质量面密度
我们要求
这个面状物体关于z轴的转动惯量
这是第一类曲面积分的
一个物理应用
好那么我们来看一看
这是一个面状物体
它就是上半x y z
就是一个上半的球面
我们还是根据我们积分
第一类曲面积分的定义那样
我们切出一小块儿
这一小块儿的
小的质量就是等于1乘上dS
因为密度是1
这一小块儿绕着z轴的转动惯量
那么我们知道
转动惯量就等于它的质量
再乘上它和z轴的距离的平方
所以呢 再乘上x平方加上y平方
这是这一小块儿的转动惯量
然后我们做累加
因为我们知道
转动惯量具有可加性
我们做累加
累加完了之后再让某一个密度
也就 分割的细致程度t呢趋于零
最后转动惯量实际上就是这么一个
第一类的曲面积分
所以这是第一类曲面积分的
一种物理应用
我们把它稍微写得整齐一点的话
就是S这个曲面上
x平方加上y平方dS
那我们知道
x方加y方加z方等于a方
z呢 当然我们可以马上写出来
z呢 就等于根号a方减x方减y方
既然可以写成这个样子
而且呢 x y的 x y呢属于Dxy
其中Dxy就是平面上的这么一个圆
所以我们根据
第一类曲面积分的计算方式
我们可以知道
它就是Dxy的二重积分
x方加上y方 再乘上显函数方程
1加上偏z偏x的平方 就是x平方
除以1 a方减x方减y方
再加上偏z偏y的平方
就是y平方除以
a方减x方减y平方的 dx dy
这就变成了这么一个二重积分
这是一个圆域
显然 用极坐标系是最简单的
我们一用极坐标系之后
我们就把它 可以把它写成
从0到2π的积分dφ
圆的半径正好是a
所以呢 从零到a
被积函数呢 是ρ的平方
再乘上根号
上面呢是 a平方
分母呢 是a方减ρ的平方
乘上ρ dρ
那么不难计算 这么一个二次积分
最后的结论呢
就是三分之四 π a的四次方
那同样这一道题
我们也可以换一种解法
因为我们知道 S这个曲面
除了刚才的显函数表达形式
z就等于根号a方减x方减y方之外
还有一个参数表达形式
x呢就等于a sinθ cosφ
y呢就等于a sinθ sinφ
z呢就等于a cosθ
其中这个θ φ呢 是属于 θ φ
θ呢 是大于等于零
小于等于二分之π的 这是半球面
φ呢是大于等于零小于等于2π的
在这个范围里面
那么有了这个参数方程之后
我们把原来这个第一类的
S上的关于x平方加y平方的
第一类的曲面积分
又可以用参数形式来给它计算
也就等于在Dθφ上
x平方加上y平方
就是等于a平方sin平方θ
a平方sin平方θ
乘上根号 刚才我们知道
是A方加B方加C方 我们就
在这儿呢 不仔细算了
我们把 A方 B方 C方算出来之后
我们可以知道
它就等于a的四次方sin平方θ的
dθ dφ 我们把它展开一写
就等于 a的平方 a的平方
a的四次方 零到二分之π
dθ 从零到2π
被积函数呢 是sin三次方θ dφ
最后我们不难算出我们想要的结果
就是三分之四π a的四次方
显然我们可以看出来
参数方程的形式算这道题
至少是会看上去简单一点
-第一节 多元连续函数
--开集、闭集、区域
--二重极限的定义
--二重极限的例题
--二次极限的定义
-第一章 多元函数微分学--第一节练习题
-第二节 多元函数的偏导数
--偏导数的概念
--偏导数的几何意义
--高阶偏导数的概念
-第一章 多元函数微分学--第二节练习题
-第三节 多元函数的全微分
--全微分的概念
--可微的必要条件
--可微的充分条件
--可微的充要条件
--多元函数的原函数
-第一章 多元函数微分学--第三节练习题
-第四节 多元函数的微分法
--隐函数存在定理
--隐函数组求导法
-第一章 多元函数微分学--第四节练习题
-第五节 多元函数的方向导数与梯度向量
--方向导数的概念
--方向导数的计算
-第一章 多元函数微分学--第五节练习题
-第六节 映射及其微分
--复合映射的微分法
-第一章 多元函数微分学--第六节练习题
-第七节 多元函数的泰勒公式(以二元函数为例)
-第一章 多元函数微分学--第七节练习题
-第一节 多元函数微分学的几何应用
-第二章 多元函数微分学应用--第一节练习题
-第二节 多元函数的极值
--极值点的判别法
--极值问题举例
-第二章 多元函数微分学应用--第二节练习题
-第三节 多元函数的条件极值
--条件极值问题举例
--最小二乘法
-第二章 多元函数微分学应用--第三节练习题
-第一节 二重积分的概念和性质
--二重重积分引入
--二重积分定义
--二重积分性质
-第二节 二重积分的计算
-第三章重积分--第二节练习题
-第三节 极坐标系及一般坐标系
--极坐标系
--一般坐标系
-第三章重积分--第三节练习题
-第四节 三重积分
--三重积分的引入
--三重积分的定义
--三重积分的性质
--直角坐标系
--空间坐标变换
--空间柱坐标系
--球坐标系
--球坐标系例题
-第三章重积分--第四节 练习题
-第五节 第一类曲线积分
-第三章重积分--第五节 练习题
-第六节 第一类曲面积分
-第三章重积分--第六节 练习题
-第七节 含参变量积分
--含参定积分的定义
--含参积分的连续性
--含参积分的导数
--含参积分的例题
-- 广义含参积分的一致收敛性
-第三章重积分--第七节 练习题
-第一节 第二类曲线积分
-第四章 向量分析--第一节 练习题
-第二节 Green公式及其应用
-第四章 向量分析--第二节 练习题
-第三节 第二类曲面积分
--曲面的定向
-第四章 向量分析--第三节 练习题
-第四节 Gauss公式与Stokes公式
--Gauss公式
-第四章 向量分析--第四节 练习题
-第五节 无源场,保守场与调和场
--平面保守场
--势函数及其计算
--空间保守场
--常见的场
-第四章 向量分析--第五节 练习题
-第一节 微分方程的基本概念
--微分方程概念举例
-第二节 可求解的一阶微分方程(初等积分法)
--变量分离方程
--齐次型方程
-第五章 常微分方程--第二节 练习题
-第三节 高阶线性微分方程解的结构
-第五章 常微分方程--第三节 练习题
-第四节 高阶线性常系数微分方程
--欧拉方程
--欧拉方程举例
-第五章 常微分方程--第四节 练习题