当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第五章 曲线曲面积分及其应用 > 第二节 第一型曲面积分及其应用 > 第一型曲面积分的定义
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
从本讲开始
我们学习第一型曲面积分
前面我们研究了
曲面面积的定义和计算
曲面面积的定义和计算
关键在于对曲面微元面积的近似
也就是面积元的表达
它本质上
就是用切平面上的平面片的面积
近似曲面片上的面积
即面积元
计算上
面积元的积分
就得到显式曲面的面积
那么
如何定义和计算一般曲面上的积分
这就是本节的中心任务
我们来考察曲面质量的定义和计算问题
设有圆锥面在平面z=1和z=4之间的部分
它的面密度函数δ(x,y,z)=z
试求这部分曲面的质量
为了计算曲面的质量
将曲面向xoy平面作投影
所得到的投影区域是一个内半径为1
外半径为2的圆盘S
这样
原来的曲面可以视为
定义在这个圆盘S上的显式曲面
利用显式曲面的方程
可以求出曲面的面积元公式
再视曲面微元的面密度为常数
面密度乘以面积元
得到曲面微元的质量
称之为质量元
那么如何计算整个曲面的质量
同学自己动脑想一想
动手计算一下
到学习讨论区
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有了曲面的面积元和质量元计算公式
将曲面微元的质量叠加起来
也就是
对质量元求积分
即可得到曲面的质量
代入显式曲面的方程和面密度函数表达式
可以将曲面质量约化为
面密度与面积元乘积的二重积分
那么如何计算这个积分
利用积分区域和被积函数的特点
可以采用极坐标系
计算曲面质量对应的二重积分
然后再约化为累次积分
由内而外 逐次积分
可以计算出曲面的质量
同学
上述计算曲面质量的方法是否具有一般性
进一步地
将上述思想和方法
推广到一般曲面和一般的函数情形
可以抽象出一般性的概念
即第一型曲面积分
同学自己动脑想一想
动手写一写
看看能不能写出第一型曲面积分的一般性定义
到学习讨论区
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将上述计算显式曲面质量的思想和方法一般化
也就是
抛开曲面的具体形式
以及函数的具体物理意义
而针对一般曲面和一般的函数
由此可以抽象出第一型曲面积分概念
设有一张空间曲面S
以及三元函数f
曲面S包含在函数f的定义域内部
如何定义函数f在曲面S上的积分
我们还是采用分割 近似 求和
以及取极限这四步来定义
不过这里
我们直接分割曲面
得到若干个小的曲面片
在曲面片上作近似
在每一个小曲面片上
选取一个样点
以函数f在样点处的取值
乘以曲面片的面积
即面积元
近似函数在小曲面片上的作用效果
将函数在小曲面片上的作用效果求和
就得到函数在曲面S上的
总的作用效果的一个近似值
称为积分和或者黎曼和
为了得到精确值
必须取极限
随着分割无限细分下去
如果积分和的极限存在
并且极限值与分割分式
样点的选取等无关
则称函数f在曲面S上可积
函数f在曲面S上的第一型曲面积分
就等于积分和的极限
在第一型曲面积分的表达式中
f为被积函数
S为积分曲面
dA为面积元
在具体计算过程中
需要正确地表述这些量
第一型曲面积分的定义与定积分 重积分
以及第一型曲线积分等积分的定义
都是非常相似的
都是有限和加极限
因此它们具有相似的性质
同学 自己动手梳理一下
积分普遍具有哪些性质
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类似于定积分 重积分
以及第一型曲线积分等积分
第一型曲面积分
也具有它们所具有的共同性质
只是叙述形式上略有不同而已
首先
我们来看线性性
如果已知两个函数在同一张曲面上可积
那么它们的线性组合
在这张曲面上也是可积吗
如果可积
积分等于多少
从有限和与极限的线性性
可以推导出第一型曲面积分的线性性
即可积函数的线性组合
仍然可积
并且线性组合的积分等于积分的线性组合
第一型曲面积分对其积分曲面也具有可加性
即设曲面S是由两张小的曲面S1 S2并起来的
并且S1 S2的交集至多为一条光滑曲线
那么
如果函数f在小的曲面S1 和S2上都可积
则这个函数在大的曲面S上也是可积的
并且在曲面S上的第一型曲面积分值
就等于在S1 和 S2上的积分值之和
第一型曲面积分也具有保序性
如果对于曲面S上的所有的点
函数f的取值总是小于等于函数g的取值
并且函数f和g在曲面S上都是可积的
那么
取值较小的函数在曲面S上的积分值
一定小于等于
取值较大的函数在S上的积分
这个性质称为第一型曲面积分的保序性
即第一型曲面积分
保持了函数取值的大小顺序不变
特别地
如果函数f在曲面S上的取值总是非负的
并且函数f在曲面S上可积
那么
f在曲面S上的积分值也是非负的
这个性质称为第一型曲面积分的保号性
即第一型曲面积分
保持了函数取值的符号不变
在应用第一型曲面积分的性质时
首先必须对第一型曲面积分的存在性
作个判定
也就是
判定第一型曲面积分何时一定存在
第一型曲面积分的存在性
与两个因素有关
一是积分曲面的性态
二是被积函数的性态
如果积分曲面是光滑的
也就是具有连续变化的切平面
再加上被积函数是连续的
则第一型曲面积分一定存在
更进一步地
因为第一型曲面积分对积分曲面具有可加性
可以对积分曲面的性态放宽要求
比如
只要求积分曲面是分片光滑的
也就是
积分曲面是由有限张光滑的曲面拼接而成的
再加上函数的连续型
就可以保证第一型曲面积分存在了
尽管此时
在连接点处
曲面可能没有切平面
这样的曲面称之为分片光滑曲面
作为第一型曲面积分的示例
考察一个面积问题
即试求平面x+y=1
包含在椭球面内部部分的面积
我们来做一个分析
如何精确描述平面在椭球面内的那一部分
这里
应该想对哪个平面作投影
如何精确描述投影区域
面积元等于多少
最后所求平面片的面积等于多少
画出椭球面和平面的图形
我们可以将所求平面片
向xoz平面上作投影
如何确定出投影区域的方程
从平面方程中
解出变量y
再代入椭球面的方程
消去变量y
得到一个关于变量x和z的方程
化简 配平方之后
这个方程表达的是什么
它具有什么样的几何意义
上述代入 消元的过程
其实就是
确定投影区域这个几何动作的代数描述
这样
平面在椭球面的内部的部分
可以用一个显式函数表示
进一步地
计算显式曲面的面积元
它是一个常数乘以xoz平面上的面积元dzdx
曲面的面积
就可以表示为面积元的积分
进一步地
将常数提到积分号外面
里面就是投影区域的面积
利用椭圆面积公式
可以求出
平面在椭球面内部的面积
本讲
我们从曲面面积和曲面质量
等具体问题的求解过程
抽象出第一型曲面积分
它还是通过分割 近似 求和
以及取极限这四步来定义
第一型曲面积分也具有一些好的性质
例如
线性性 对区域的可加性
以及保序性等
第一型曲面积分的存在性
是与积分曲面和被积函数的性质有关的
简单地说
如果积分曲面分片光滑
被积函数在积分曲面上连续
则第一型曲面积分存在
第一型曲面积分的性质
可以帮助简化积分的计算
那么如何灵活运用第一型曲面积分的性质
快速有效地计算第一型曲面积分
有关第一型曲面积分的计算
请听下回分解
-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
--空间曲面方程
-第三节 空间解析几何--作业
-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
-第三节 多元函数的连续性--作业
-第一节 偏导数与方向导数
-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
-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
-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
-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
-第一节 直角坐标系下的二重积分
-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
--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
-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
--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
-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
-第一节 第一型曲线积分及其应用
--平面曲线弧长
-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