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第一型曲面积分的计算

下一节:第一型曲面积分的应用

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第一型曲面积分的计算课程教案、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

本讲我们学习第一型曲面积分的计算

前面我们通过分割 近似 求和

以及取极限这四步

定义了一般函数在一般曲面上的

第一型曲面积分

在第一型曲面积分表达式中

f为被积函数

S为积分曲面

dA为面积元

那么如何计算第一型曲面积分

这就是本节的中心任务

我们将通过几个具体实例

探究第一型曲面积分的一般计算方法

和典型的计算步骤

总结一些心得体会

首先我们来考察

上半球面S上

一次函数x y z的积分分别等于多少

我们来分析一下

这个上半球面是由隐式方程给出的

因此称为隐式曲面

那么如何计算隐式曲面上的第一型曲面积分

可以将隐式曲面约化为显式曲面或者参数曲面

再表示出相应的面积元

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

为了将上述隐式曲面约化为显式曲面

将上半球面向xoy平面作投影

这样

上半球面就可以视为投影区域上的显式曲面

进一步的利用显式曲面的方程

计算此时上半球面的面积元

代入第一型曲面积分的计算公式

可以发现一次函数x y的积分

约化为一个奇函数的二重积分

又由于投影区域关于x y对称

因此积分为零

那么一次函数z的积分等于多少

也是零吗

还是利用上述约化思想

将隐式曲面约化为显式曲面

并计算显式曲面的面积元

利用显式曲面的方程和面积元公式

代入一次函数z的积分表达式

此时

面积元中的分母被约掉了

只剩下常数1在投影区域上的二重积分

也就是

积分值等于投影区域的面积

同学 对比一下上述求解过程

虽然被积函数都是一次函数

但是积分曲面及其投影区域

具有不同的对称性

因而导致关于一次函数x y的积分为零

而关于一次函数z的积分不为零

同学

由此你可以得到什么样的心得体会

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

上面是把隐式曲面约化为显式曲面

进而计算出第一型曲面积分的

那么是否可以将隐式曲面约化为参数曲面

再计算第一型曲面积分

对于上半球面S

类似于球面坐标系

有参数方程

其中角度θ和φ的变化相互独立

那么

如何计算参数曲面的面积元

利用向量积的几何意义

θ曲线和φ曲线的切向量间的向量积

再取绝对值

即可得到参数曲面的面积元

那么如何计算参数曲面的面积

将曲面的参数方程

以及参数曲面的面积元

代入一次函数x的第一型曲面积分表达式

可以得到一个关于参数的二重积分

再约化为累次积分

由内而外 逐次积分

可以得到积分为零

同理可以计算出

一次函数y的第一型曲面积分也为零

那么如何计算参数曲面上的

一次函数z的积分

还是利用上述的约化思想

将隐式曲面约化为参数曲面

并计算参数曲面的面积元

利用参数曲面的方程和面积元公式

代入一次函数z的积分表达式

可以得到一个关于参数的二重积分

再约化为累次积分

由内而外 逐次积分

可以得到积分的值

同学 对比一下上述计算过程

它们分别把隐式曲面约化为显式曲面

和参数曲面

虽然约化方式不同

但是计算的主要步骤还是一致的

即先确定曲面的方程

以及变量的变化关系

再计算曲面的面积元

最后代入第一型曲面的积分表达式

得到一个二重积分

同学

由此你觉得这些典型步骤

具有一定的一般性吗

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

我们再来考察一个实例

这次我们考察整个单位球面

一次函数x以及二次函数x²

和xy的第一型曲面积分分别等于多少

我们还是将隐式曲面

约化为显式曲面或者参数曲面

再表示出相应的面积元

整个球面具有更好的对称性

还有这些一次函数和二次函数

分别具有什么样的奇偶性

同学自己动脑想一想

动手计算一下

到学习讨论区与小伙伴们交流交流

观察球面的图像

可以发现

球面具有平面对称性

比如球面关于yoz平面对称

表现在代数方程上

将方程中的x都换成-x

方程形式并没有改变

另一方面

球面的方程还具有字母轮换对称性

也就是将球面方程中的字母x

换成y y换成z z换成x

方程形式也没有改变

而被积函数具有不同的奇偶性

例如一次函数x和二次函数xy

它们关于各自的变量都是奇的

而二次函数x的平方

关于它们变量x是偶的

那么

积分曲面的对称性和函数的奇偶性

对计算积分有什么样的影响

利用球面的平面对称性

以及一次函数x和二次函数xy是奇函数

可以推出

一次函数x和二次函数xy

在单位球面上的积分为零

类似地还有更多的奇函数

在单位球面上的积分为零

那么偶函数情形如何

为了计算二次函数x的平方

在单位球面上的积分

我们利用球面的轮换对称性

x的平方在单位球面上的积分

等于y的平方

或者z的平方在单位球面上的积分

因此x的平方在单位球面上的积分

等于三个变量平方和

在单位球面上积分的三分之一

而在单位球面上

三个变量的平方和始终等于1

因而

x的平方在单位球面上的积分

就等于常数1在单位球面上的积分的三分之一

也就是球面面积的三分之一

同学 这个计算比较简单吧

基本上口算就可以计算出来了

如果采用约化为显式曲面或者参数曲面

一步一步地计算

还是很费劲的

当然

这里我们充分利用了

曲面的对称性和函数的奇偶性等特点

才使得积分的计算变得简单的

本讲

我们探究了第一型曲面积分的计算方法和技巧

因为

曲面一般分为显式曲面 参数曲面

以及隐式曲面

利用显式曲面或者参数曲面的方程

可以计算出曲面的面积元

进而将第一型曲面积分

约化为二重积分进行计算

而对于隐式曲面

可以约化为显式曲面

或者参数曲面进行计算

在实际计算过程中

曲面的对称性

例如平面对称性和轮换对称性

以及函数的奇偶性等

可以简化第一型曲面积分的计算

这需要我们在平常注意积累一些方法和技巧

在计算时

主动应用这些方法和技巧

第一型曲面积分

除了可以计算曲面的面积和质量之外

还可以计算许多与曲面有关的几何和物理量

有关第一型曲面积分的应用

请听下回分解

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

第一型曲面积分的计算笔记与讨论

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