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 > 第四节 Gauss公式与Stokes公式 > Gauss公式
好 我们现在介绍第二个公式 高斯公式
第一个公式呢我们已经介绍格林公式
现在我们呢是高斯公式
好 高斯公式
假设Ω是三维空间中的一个有界区
Ω的边界是一个逐变光滑的
Ω边界的曲方向指的是外侧为正
我们这个外侧为正
指的是由Ω区域内部向外侧
我们把它叫做正方向
如果Ω只有一个边界面
那么这个闭的边界面真正就是外侧为正
如果Ω由几个边界面构成的
那么它有外边界面
实际上还有内边界面
那么外边界面是区域内向外
也就是真正的边界外侧为正
如果是内边界面
那么区域内向外的时候
那么对于内边界面反过来来讲是内侧为正
那么我们这个外侧为正
指的是由区域内部向外部的
我们把它叫做正方向
V呢是一个向量值函数
它由三个分量构成 大X大Y大Z
它在Ω内呢是连续可微
也就是三个分量函数的一阶偏导数是连续函数
在Ω的闭集上呢是一个
V本身是一个连续函数
那么我们有如下的高斯公式
好 我们先来证明一下高斯公式
我们假设Ω是这么一个区域
那么这么一个Ω区域
如果从图上来看的话
就是这个
大概是这么一个区域
就这么一个Ω区
其中上面那个曲面呢是用z等于z2(xy)来表示
下面这个曲面呢z呢就等于z1的(xy)来表示
好 那么我们来看一看
我们只证明高斯公式的一部分
就是要证明
在Ω的边界面上z是xyz的函数dxdy
就等于在Ω区域上的大Z对z的偏导数
xyz的函数dxdydz
也就是说高斯公式关于z分量的一部分
如果说这个证完之后
我们同样的办法可以证明关于x分量的高斯公式
关于y方向分量的高斯公式
组合起来就构成一个完整的高斯公式
好 我们来看看
这时候我们左侧的那个是
第二类曲面积分
实际上可以写成几部分的积分
第一部分
我们把这个叫做S上
这个叫做S下
边上的部分叫做S侧
可以写成S上的积分
加上S下的第二类曲面积分
再加上S侧面的第二类曲面积分
我们可以知道
S那个侧面在xy平面上的投影就是一条曲线
这个曲线是没有面积的
所以S侧这个积分一定是等于零的
好 那么我们再来看看
在S上半部分的第二类曲面积分
Z呢是xyzdxdy
这部分它正好它的方程是z等于z2的xy
所以我们把它反过来写成一个二重积分的话
就等于在Dxy这个区域上的大Z xy
z呢就等于z2xydxdy
就可以写成这么一个二重积分
同样一个办法
在S下半部分的第二类曲面积分
也可以写成是等于
下半部分它的投影
下侧为正
所以呢应该是等于
Dxy上的Z是xyz1的xy
这时候下半侧的曲面是z等于z1xy
然后乘上一个下侧为正
-1的dxdy
所以呢我们把侧面的第二类曲面积分
都转化成为这个二重积分
这是等号左边
我们从等号右边的角度上来讨论
等号右边呢就是一个
可以把它转化成为累次积分
dxdy的二重积分
再关于z呢是从z1xy到z2xy
大Z对z的偏导数dz的积分
我们应用一下里面那层积分
用一下牛顿-莱布尼兹公式
它就等于在Dxy这个区域上
大Z是xy的函数z2xy
减去大Z是xy的函数z1xy
这个函数的二重积分
那么我们来看看这两个
左边呢和右边是相等的
所以我们可以知道高斯公式
关于Z分量的高斯公式是正确的
同样的方法我们可以证明
关于大X方向分量的高斯公式
和Y方向分量的高斯公式都是正确的
这样的话
我们可以证得我们想要的
就是高斯公式
关于积分区域
我们知道
我们证明高斯公式的时候是在这种形式
比较简单的积分区域情况下来证明的
如果说一个积分区域是很复杂的
那么我们可以通过分割
最后我们在每一小块
如果高斯公式成立的话
我们把它通过分割成简单区域组合起来
最后对复杂区域的高斯公式
仍然是成立的
这是高斯公式证明的
要补充的第一件事情
第二件事情
在高斯公式里面
我们发现大X分量对x的偏导数
大Y分量对y偏导数
加大Z分量对z偏导数
我们把这个量呢给一个定义
我们把这V这个向量值函数
我们用这么一个符号
散度从物理上是怎么来解释的呢
那么我们知道
我们现在在求的是流量
我们既然求的是流量
我们第二类曲面积分
表示的是单位时间内通过曲面
闭曲面从内部向外的一个流量
可以用这个三重积分来表示
而三重积分的被积函数就是散度
所以说散度就表示了向量场
在这一点它的源的情况
什么叫源呢
也就是这个向量从这一点是喷出来的
还是吸进去的
如果是喷出来的我们把它叫做正源
如果是吸进去的我们有时候把它叫做漏
漏斗的漏
有时候呢把它叫做负源
所以说散度表示就是刻画了向量场源的情况
散度大于零的表示
向量场在这一点一定是喷出来的
散度小于零的表示
向量场在这一点一定是吸进去的
或者说漏进去的
散度的绝对值的大小
刻画了这个向量场在这一点源的强度
也就是单位时间内喷出多少东西了
喷的越多或者吸的越多
那么它的绝对值相对来讲就越大
所以说向量场的散度是一个数量
它实际上物理上来刻画向量场
或者流场在这一点的它的源的情况
这是我们可以通过高斯公式里面
直接可以得到的一个信息
-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