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曲面的面积

下一节:第一型曲面积分的定义

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曲面的面积课程教案、知识点、字幕

同学 你好

欢迎来到中国大学先修课

《多元微积分》MOOC课堂

我是中国科大 微积分老师宣本金

网上人称“笨笨熊”老师

本讲 我们学习曲面的面积

前面 利用二重积分

我们定义了显式曲面的面积

还记得我们如何计算的吗

首先 计算显式曲面微元的面积

即面积元

再将曲面微元的面积叠加起来

也就是计算面积元的二重积分

就可以得到显式曲面的面积

那么 如何计算一般曲面的面积

这就是本节的中心任务

我们来考察一个具体实例

试求椭圆抛物面

在平面z=9之下部分的面积

为了计算曲面的面积

将曲面向xoy平面作投影

所得到的投影区域

是一个半径为3的圆盘S

这样

原来的曲面可以视为一个定义在

圆盘S上的显式曲面

利用显式曲面面积的计算方法

即计算面积元的二重积分

可以计算出这个曲面的面积

那么能不能采用其他方式

计算曲面的面积

比如

视原来的曲面为一个参数曲面

如何计算参数曲面的面积

同学 自己动脑想一想

动手算一下

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

在xoy平面上采用极坐标系

我们可以建立曲面的参数方程

并确定参数的变化区域

分别计算r-曲线和θ-曲线的切向量

由此 可以表达出曲面微元的面积

即面积元吗

利用向量积的几何意义

r-曲线和θ-曲线切向量间的向量积

描述的就是

以这两个切向量为邻边的

平行四边形的有向面积

取绝对值就是几何面积

那么 如何计算这个向量积

利用r-曲线和θ-曲线切向量的表达式

可以计算它们的向量积

再取绝对值

可得曲面的面积元

那么 如何计算参数曲面的面积

对参数曲面的面积元作积分

即可得到参数曲面面积的计算公式

这是一个关于参数r和θ的二重积分

由参数的变化区域

可以把这个二重积分

约化为累次积分进行计算

最终可以得到曲面的面积

同学

把上面参数曲面面积的计算过程

与前面的显式曲面面积的计算过程

作一个对比

理解一下这两个计算过程的异同点

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

将上面实例的计算思想

推广到一般参数曲面情形

设由一组参数方程确定的参数曲面

参数u,v的变化区域为R

也就是这组方程表达的是

从u,v平面上的区域R

映到x,y,z空间中一个参数曲面

采用控制变量法

平行于u,v轴的直线段

分别映成曲面上的u-曲线和v-曲线

那么 面积元如何变化

分割参数区域R

在u,v平面上得到一组小矩形

而映到x,y,z空间中

就得到参数曲面上的一组小曲面片儿

如何对这些小曲面片的面积作近似

为了近似曲面微元的面积

计算曲面片上的某一点处

u-曲线和v-曲线的切向量

由此 可以表达出曲面的面积元吗

利用向量积的几何意义

u-曲线和v-曲线切向量间的向量积

描述的就是

以这两个切向量为邻边的

平行四边形的有向面积

取绝对值就是几何面积

计算曲面面积元对参数的积分

即可得到曲面的面积

同学

把参数曲面面积的定义和计算过程

与前面显式曲面面积的定义和计算过程

作一个对比

理解一下两者的异同点

到学习讨论区

与小伙伴们交流交流

为了进一步理解

上述曲面面积的定义和计算过程

我们来看一个具体实例

试求单位球面的面积

这个球面的方程是一个隐式方程

因此 称之为隐式曲面

为了求出隐式曲面的面积

我们可以将它约化为显式曲面

但是 球面不满足取值的唯一性

因此 不能仅用一个显式函数表达

需要两个显式函数才能表达

为此 将球面在xoy平面上作投影

得到一个圆盘形的投影区域

对投影区域中的任意一点(x,y)

利用两个显式函数

可以表达出整个球面

计算显式曲面的面积元

那么 如何计算曲面的面积

对面积元作积分

可以得到曲面面积的计算公式

注意到

球面上 下两部分的面积是相等的

因此 球面面积等于投影区域上

面积元积分的二倍

如何计算这个二重积分

利用被积函数和积分区域的特点

采用极坐标系进行计算

进一步

约化为累次积分

计算出积分值

进而得到球面的面积

这与中学数学课程中给出的公式一致吧

为了计算球面的面积

还可以将球面视为一个参数曲面

确定出角度参数的变化区域

如何计算作为参数曲面的球面面积

利用球面的参数方程

计算出参数曲面的面积元

然后

如何计算曲面的面积

有了参数的变化区域

以及面积元的表达式

曲面的面积

就可以表示为

面积元对参数的二重积分

进一步 约化为累次积分

计算出积分值

进而得到球面的面积

与前面视为显式曲面的情形做一个比较

前面需要两个显式函数

才能表达整个球面

而这里

只要一组参数方程

即可表达

前面 我们分别讨论了

显式曲面和参数曲面的面积

其实两者的定义思想和计算方法是一致的

而且 任意一个显式曲面z=f(x,y)

都可以视为一个参数曲面x=u y=v

z=f(u,v)

并且直接计算显式曲面的面积元

与参数曲面的面积元

可以发现两者是一样的

本讲 我们研究了

显式曲面和参数曲面面积的定义和计算

得到曲面的面积就等于面积元的积分

因此 曲面面积的计算

关键在于面积元的表达

它本质上

就是用切平面上的平面片的面积

近似曲面片的面积

那么

我们又是如何计算隐式曲面的面积的

多元微积分(先修课)课程列表:

第一章 空间解析几何与向量代数

-第一节 空间直角坐标系

--平面初等几何

--平面解析几何

--空间直角坐标系

--空间图形与方程

-第一节 空间直角坐标系--作业

-第二节 空间向量及其运算

--向量及其几何表示

--向量的代数表示

--向量的数量积

--数量积的应用

--平面方程及其应用

--向量的向量积

--向量积的应用

-第二节 空间向量及其运算--作业

-第三节 空间解析几何

--空间直线与曲线方程

--空间曲面方程

--柱坐标系与球坐标系

-第三节 空间解析几何--作业

第二章 多元函数的极限理论

-第一节 多元函数

--平面点集及其分类

--多元函数

-第一节 多元函数--作业

-第二节 多元函数的极限

--二重极限的定义

--二重极限的性质

--二重极限的计算

-第二节 多元函数的极限--作业

-第三节 多元函数的连续性

--多元函数的连续性

--多元连续函数的性质

-第三节 多元函数的连续性--作业

第三章 多元函数的微分及其应用

-第一节 偏导数与方向导数

--多元函数的一阶偏导数

--多元函数的高阶偏导数

--多元函数的方向导数

-第一节 偏导数与方向导数--作业

-第二节 多元函数的一阶可微性

--多元函数的可微性与全微分

--多元函数可微性的判定

--多元可微函数全微分的性质

--全微分与偏导数的计算

--隐式函数的可微性与偏导数

-第二节 多元函数的一阶可微性--作业

-第三节 一阶微分的应用

--多元可微函数的梯度

--多元函数梯度的应用

--参数曲面的切平面与法向量

--空间曲线的切线与法平面

--多元函数的近似计算与误差估计

-第三节 一阶微分的应用--作业

-第四节 多元函数的高阶可微性

--高阶混合偏导数的克莱罗定理

--高阶可微性与高阶微分

--多元函数的泰勒多项式展开

--多元函数的最值与极值

--多元函数极值的计算

--多元函数最值的计算

-第四节 多元函数的高阶可微性--作业

-多元微分学总结

--多元微分学总结

第四章 重积分及其应用

-第一节 直角坐标系下的二重积分

--矩形区域上的二重积分

--矩形区域上二重积分的计算

--非矩形区域上的二重积分

--非矩形区域上二重积分的计算

-第一节 直角坐标系下的二重积分--作业

-第二节 二重积分的计算

--极坐标系下的二重积分

--二重积分的换元法

--二重积分计算举例

-第二节 二重积分的计算--作业

-第三节 二重积分的应用

--二重积分的几何应用

--二重积分的物理应用

-第三节 二重积分的应用--作业

-第四节 直角坐标系下的三重积分

--箱型区域上的三重积分

--非箱型区域上的三重积分

--三重积分计算举例

-第四节 直角坐标系下的三重积分--作业

-第五节 其它坐标系下的三重积分

--柱坐标系下的三重积分

--球坐标系下的三重积分

-第五节 其它坐标系下的三重积分--作业

-第六节 三重积分的计算与应用

--三重积分的换元法

--三重积分应用举例

-重积分总结

--重积分总结

第五章 曲线曲面积分及其应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用

--平面曲线弧长

--空间曲线的弧长与质量

--第一型曲线积分的定义与性质

--第一型曲线积分的计算

--第一型曲线积分的应用

-第一节 第一型曲线积分及其应用--作业

-第二节 第一型曲面积分及其应用

--曲面的面积

--第一型曲面积分的定义

--第一型曲面积分的计算

--第一型曲面积分的应用

-第二节 第一型曲面积分及其应用--作业

-曲线曲面积分总结

--曲线曲面积分总结

曲面的面积笔记与讨论

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