当前课程知识点:微积分——多元函数与重积分 > 第四章 向量分析 > 第三节 第二类曲面积分 > 第二类曲面积分的计算
好 我们举两个例子
来看看第二类曲面积分是如何计算的
我们要求这么一个第二类曲面积分
其中S这个曲面呢
是这么一个曲面
是由z=x^2+y^2以及z=1
围成的空间区域的边界面的外侧
我们画一下图
我们来看看S这曲面呢实际上是
一个旋转抛物面
和上面加一个盖顶的这么一个
这就是S曲面
题目要求是外侧面为正
所以呢S曲面
S曲面实际上是由两张曲面组成
S曲面呢是由S上侧和S侧面组成
因为他不是一个整张的光滑曲面
外侧为正所以上侧呢应该向上为正
侧面呢外侧为正应该是向下为正
正方向 这个积分呢
它也是一个第二类曲面积分
只是一个不完整的第二类曲面积分
如果我们写完整的话
0dydz+0dzdx+y^2zdxdy
我们先求S上侧面的第二类曲面积分
S侧面呢
方程是这么一个方程是z=x^2+y^2
同样xy的范围
xy呢是属于这么一个区域
圆域 x^2+y^2<=1
这条线在底下那个投影就是半径为1的
这么一个区域
我们把这个呢叫做Dxy
那么第二个 这么一个曲面
它的法方向
实际上是等于 正负 都可以叫法方向
z对x偏导数 z对y偏导数
那么是 2x 2y和-1
单位法方向 根号 2x的括弧平方
加上2y的括弧平方加上-1的括弧平方
这是单位法方向
那么这正负号到底取哪个符号呢
我们来看看 我们现在说过的
第二类曲面积分在侧面是不向下侧为正
他的最大的一个特点
就是他的z方向的分量一定是<0的
所以我们根据分析我们可以知道
对于我们现在这种情况
第二类曲面积分这个正负号
取的是正号 也就是
如果说想象一下
我们把这个题目改一下
我们说这个第二类曲面积分
做的是这个外侧这个侧面
就是边界面的内侧为正
那么这时候我们就应该加上负号
因为他的保证
最后一个分量他的正负号是恒定的
所以呢根据分析我们知道
在侧面的单位法向量正法向量的表示形式
是这种表示形式
所以呢 我们知道第二类曲面积分
侧面的第二类曲面积分
三个分量 V的第一个是0 第二个是0
第三个是y^2z 点积法方向
2x2y-1除以根号2x平方加上2y括弧平方加上1
再乘上dS
我们把第二类曲面积分
通过单位法向量
实际上就变成了第一类曲面积分的计算
这是一个第一类曲面积分
上面就不需要带正负号了
这个第一类曲面积分的计算
我们当然是会的
他就等于在S侧上 乘一乘
负的y平方乘以z除以根号
a方b方c方
2x括弧平方加上2y括弧平方加上1的ds
而我们知道第一类
这么一个第一类曲面积分的计算
实际上就是Dxy区域上
负的y平方z除以根号
2x括弧平方加上2y括弧平方加上1
再乘上 dS呢
就写成a方加b方加c方开根号
同样也是等于括弧
2x的平方加上2y括弧平方加上-1的平方dxdy
实际上就变成了
负的在Dxy这个圆域上的积分
y平方这个曲面的方程
实际上z就等于x平方加上y方
所以呢乘上x平方加上y方
这两个正好一抵消 dxdy
这就变成了一个标准的二重积分
那么这个标准的二重积分
当然我们很简单的可以算一下
就等于负的从0极坐标系2πdφ
半径是1 0到1 y平方呢 是ρ^2sin^2(φ)
x^2+y^2呢就是ρ^2
极坐标系呢要求ρdρ
这个呢 我们可以算一下
我们算完的结果就应该等于-π/6
这仅仅是在侧面上的第二类曲面积分
同样我们还要算在S上侧的第二类曲面积分
0 0 y^2乘上z点上上侧的单位法方向dS
那我们知道啊上侧的单位法方向
因为我们知道上侧是向上为正
这是我们规定的外侧为正
既然向上为正
那么上面是一个平面所以呢就等于001
所以呢上侧的第二类曲面积分就可以写成
S上00y^2z乘上001的第一类曲面积分
也就等于上侧的积分区域
还是在xy平方加y平方<=1这个圆域上
一乘y平方乘上 上侧的曲面方程叫做z=1
是乘上1 那么再乘上dxdy
那么最后算一下
我们可以算得
这个是呢从0到2π dφ
再从0到1ρ^2sin^2(φ)乘上ρdρ
这个呢就等于π/4
这是上侧的第二类曲面积分
所以加起来之后
整体的在外边界上的第二类曲面积分
或者呢具体的
就是在S正上y平方zdx加一个帽dy
就等于这两个相加
π/4减去π/6正好等于π/12
这是第一个例子
好我们再来看一道例题
我们还是求一个不完整的第二类曲面积分
只有一项的第二类曲面积分
其中S曲面还是刚才那个
z=x^2+y^2与z=1所围成的空间区域的外侧面
但是我们现在的积分不一样了
是xdy帽上dz
我们把它图再稍微再画一下
xyz 你可以发现我们现在这张图
跟我们刚才那张图的xyz的坐标的它的布局呢就不太不一样了
我们那个曲面是这么一个曲面
是绕着z轴的一个旋转抛物面
这个呢 是1
同样 我们还是分两个
我们把这个曲面呢叫做S侧
把外侧为正 这个曲面呢
叫S 我们现在把它叫做顶面吧
dydz就是在xyz平面上的一个投影
我们来看看S侧这个曲面
在yz平面上的一个投影
S侧这个曲面在yz平面上的投影呢
可以写成这个样子
我们把这个呢叫做Dxy Dyz
yz z呢<=1 >=y^2这就是投影
我们现在来看看S侧的表达形式
S侧的话我们把x解出来写成yz的函数
写成x=±根号z-y平方
所以这时候你明显看出来
S侧的话不可能统一的写成一个表达形式
那这样的话 我们把S侧分成两类
一个呢S侧的上半区域
就是x呢等于根号z-y平方
另外一个呢是S侧的下半部分
x呢就是等于根号负的根号z-y平方
其中呢xy呢属于Dxy的区域
所以它自然一定要分成两部分
你不可能在同一张曲面上把它做完的
那么我们最后我们可以发现
原来我们要算的S+上的第二类曲面积分
实际上可以写成S侧上第二类曲面积分
加上S顶上的第二类曲面积分
S侧呢又分成两部分
S侧的上半部分的第二类曲面积分
加上S侧的下半部分的第二类曲面积分
再加上S顶面的第二类曲面积分
我们一个一个来算
我们来看看第一个积分
S侧的上半部分的第二类曲面积分
我们已经知道
S侧上半部分是x就等于根号z-y平方
那么它的法方向n方向
实际上应该是等于正负上面是1
y除以根号z减y平方以及1负的1
2倍的根号z减y平方
除以单位化 要单位法向量
根号1的平方加上y除以根号z减y平方括弧的平方
加上负的1
2倍根号z减y平方的平方开根号
我们再来看看正负号的选定
上半部分 这个曲面的上半部分
它的最大的法方向 它最大的特点
法方向和x轴的正方向的夹角
永远是一个锐角
既然是是一个锐角
那么我们这一定要取正号
所以呢根据我们的方向的选定
上半部分单位法方向的表达形式
就是应该是这么一种表达形式
好 那么可以发现原来这个积分呢
是不完全的第二类曲面积分
应该是首项是x
第二项是0 0
这是V函数 三个分量函数
点积单位法方向
1 y/根号(z-y^2) -1/2根号(z-y^2)
除以单位化这个的三个的
1的平方加上一个的平方加上一个的平方
我就略写了 第一类的曲面积分 变成它
那么根据第一类曲面积分的计算
我们知道第一类曲面积分
dS实际上是等于根号A方
加上B方加上C方的dydz
也就等于根号1的平方
加上后面这一项的平方
加上最后这一项的平方dydz
这是面积元素
我们把这个带到dS上的话
我们可以知道S侧面上半部分的第二类曲面积分
就等于一个二重积分
积分区域呢Dyz 这是我们写过的
哦这写错了应该是y应该是z
这个是y这是z Dyz 二重积分
被积函数呢是x乘上1
0乘上后面那个数
0乘上后面那个数
都是0 那么dydz
那么在S上 侧面的上半部分
这个S我们讲过等于根号
Dyz S不就等于根号z-y^2dydz
那我们算一下这么一个积分
我们最后二重积分呢
可以得到这么一二重积分的一个积分值
y呢是从-1到+1 dy
z呢就从y平方到1根号z减y平方dz
我们经过计算
我们可以知道这就是等于π/4
这是侧面的上半部分的第二类曲面积分
好 我们再来看看S侧的下半部分
S侧下半部分的方程是x=-根号z-y^2
其中(yz)呢是属于Dyz这个区域的
那么它的法方向就等于有正可负
那么是1 -y/根号(z-y^2)正的1/2根号(z-y^2)
除以单位化单位法向量
根号1的平方加上第二项平方
加上第三项的平方我就略写了
那么我们来看看正负号的选定
正负号呢
我们再来看看这么一个下半曲面
它的最大的特点
是正法方向和x轴
它的夹角一定是一个钝角
所以下半曲面的正法方向
它的第一分量x分量一定是<0的
既然第一分量是小于0的
所以呢我们发现这个正负号的选定
我们一定要取负号才能保证我们的要求
所以下半部分的单位法方向
我们取的是负号
好 那么我们来看一看
S侧面的下半部分的第二类曲面积分的计算
就应该是等于
V函数第一分量是x
第二分量是0第三分量是0
点积正方向
正法方向是负的(1 -y/根号(z-y^2) 1/2根号(z-y^2))
除以根号1的平方加上第二项的平方
加上第三项的平方的dS
这呢 加一个括号
其中这个x呢
是等于负的根号z-y^2
我们把x=负的根号z-y^2带进去
把这个dS呢 还是用我们刚才写的
dS就等于根号1加上第二项的平方
加上第三项的平方的dydz
我们把它通通代进去之后
我们发现S侧下半部分的积分
同样也是等于Dyz上的积分
根号z-y^2dydz这么一个二重积分
因为x呢有一个负号
1呢 有一个负号
所以下半侧的第二类曲面积分
最后发现跟上半侧的第二类曲面积分
完全是相等的
他也就是等于π/4
好 我们算了半天
我们只算了侧面的第二类曲面积分
实际上还有一个第二类曲面积分
S顶上的第二类曲面积分xdydz
那么在顶上的话 我们可以发现
S顶是这么一个侧面的一个面积
他在yz面上的投影就是是一条线
这条线是没有面积的
所以他转化成为二重积分之后
它既然没有面积 所以呢
这个第二类曲面积分一定是等于0的
我们把一个S侧上半部分的第二类曲面积分
下半部分的第二类曲面积分
和顶面的第二类曲面积分
通通加起来
最后我们可以得到
在S正的第二类曲面积分
就等于π/4+π/4+0最后就等于π/2
一点点要修正的地方
这里应该是z平方减去y平方
这就是我们这么一个
看上去很简单的这么一个
只有一个分量的第二类曲面积分
由于这个曲面的形状比较复杂
那么我们分成几块来做
最后我们算出这个积分的积分值就是π/2
-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