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 > 第一型曲面积分的计算
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
-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