对面积的曲面积分:第一类曲面积分计算法

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高数第四节.对面积的曲面积分 (1)

高数第四节.对面积的曲面积分 (1)

1. f ( x, y, z)dS f ( x, y, z)dS f ( x, y, z)dS.
1
2
当为闭曲面时, f ( x, y, z)dS 可写成 f ( x, y, z)dS.
2. 当 f ( x, y, z) 1时, dS 是曲面的面积.
复习:
z n
设光滑曲面
M
则面积 A 可看成曲面上各点 M (x, y, z) S dA
处小切平面的面积 d A 无限积累而成. o
设它在 D 上的投影为 d , 则
x
y
d
d cos d A n ( fx( x0 , y0 ), fy( x0 , y0 ), 1 )
cos
1
1 fx2 (x, y) f y2 (x, y)
d A 1 fx2 (x, y) f y2 (x, y) d
z
h
oD xy
ay
x
因为dS
1
z
2 x
z
2 y
dxdy
a
dxdy,
a2 x2 y2
dS
a
dxdy,
a2 x2 y2
ห้องสมุดไป่ตู้
dS z
Dxy
a2
adxdy x2
y2
add Dxy a2 2
a

d
0
a2 h2 0
d a2 2
2πa
1 2
ln( a 2
2
) 0
a2
h2
2πa ln a . h
f (i ,i , i )Si
积分曲面
面积元素
积分和式
以上积分也称为第一类曲面积分或对面积的 曲面积分.

9.4 第一类曲面(对面积的)积分

9.4  第一类曲面(对面积的)积分

M = ∫∫ f ( x, y , z )dS
S
当积分曲面是封闭曲面时,常记 当积分曲面是封闭曲面时 常记
f ( x, y, z)dS ∫∫
S
9.4.2 第一类曲面积分的计算法
按照曲面的不同情况分为以下三种: 按照曲面的不同情况分为以下三种:
1. 若曲面Σ :

Σ
z = z( x, y)
∫∫ f ( x , y , z )dS
Σ
2 2 其中 Σ 为抛物面 z = x + y (0 ≤ z ≤ 1).
依对称性知: 解 依对称性知:
z
抛物面 z = x 2 + y 2 轴对称, 关于z轴对称,
被积函数| xyz |关于 xoz 、 yoz 坐标面对称
y
x
为第一卦限部分曲面) 有 ∫∫ = 4 ∫∫ 成立,( Σ 1为第一卦限部分曲面
∫∫ f ( x, y, z)dS =∫∫ f ( x, y, z)dS +∫∫ f ( x, y, z)dS. Σ Σ Σ
1 2
Remark: (1)当曲面 Σ 为光滑或分片光滑曲面片 当曲面 为光滑或分片光滑曲面片,f(x,y,z)在Σ 在 续时,f(x,y,z)在 Σ 上必可积 以下恒设此 条 上必可积,以下恒设此 以下恒设此2条 上连 续时 在 件满足. 件满足 (2)第一类曲面积分有如定积分类似的性质 从略 第一类曲面积分有如定积分类似的性质,从略 第一类曲面积分有如定积分类似的性质 从略. (3)第一类曲面积分的物理意义 曲面的质量 第一类曲面积分的物理意义:曲面的质量 第一类曲面积分的物理意义
Σ Σ1
dS = 1 + z ′x 2 + z ′y 2 dxdy

曲面积分

曲面积分

4: z=1-x-y, Dxy: x+y =1, x=0, y=0所围, ds= 3 dxdy ,
I= = 3 xy(1-x-y)dxdy = 3 D
4 xy
1 1-x xdx 0 y(1-x-y)dy 0
3 . 120
8
1 例3. 计算 I = ––––––––– ds , : x2+y2=R2 被 z=0, 2 2 2 x +y +z z 1 z=1所夹的第一卦限部分。(补充) 解: : x R y , x y
1
x
R
dydz; R 0
R
1
R 1 1 dz dy 2 2 2 2 0 R z R y
1 1 z y arctan . R arctan arcsin R R R0 R0 2
10
对坐标的曲面积分(P159)
一、对坐标的(第二类)曲面积分的概念与性质
1. 有向曲面: 指定了侧的曲面叫有向曲面, 其方向
4. 规定: 若 =1+2 ,
则: f(x, y, z)ds= 1 f(x, y, z)ds+ 2 f(x, y, z)ds ;
5. 若f(x, y, z)1,则: f(x, y, z)ds=曲面 的面积;
6. 若为闭曲面, 积分记为: f(x , y , z)ds 。
对面积的曲面积分有与对弧长的曲线积分类似的性 质;
4
1 ds , 其中 是x2+y2+z2=a2 被 z=h 例1. 计算 I = —— z 截出的顶部, 0< h < a 。
解: : z= a2 -x2-y2 , Dxy: x2+y2 a2-h2,

第一型曲面积分

第一型曲面积分

|| T || 为分割 T 的细度,即为诸
Si 中的最大直径.
定义1 设 S 是空间中可求面积的曲面,
f 为( x, y, z)
定义在 S 上的函数. 对曲面 S 作分割 T, 它把 S 分成
n 个小曲面块 Si (i 1, 2, L , n), 以 Si 记小曲面块
Si 的面积, 分割 T 的细度
D
其中
E xu2 yu2 zu2 , F xu xv yu yv zuzv , G xv2 yv2 zv2 .
例2 计算
I z dS , 其中 S 为 S
螺旋面(图22-3)的一部分:
z
x ucos v,
S
:
y
u sin
v,
(u,v)
D
,
2
z v,
O
(a, 0, 0)
I f ( x, y, z)dS .
(1)
S
于是, 前述曲面块的质量可由第一型曲面积表示为:
特别地, 当
块 S 的面积.
m ( x, y, z)dS . S
f ( x, y, z) 1 时,曲面积分
dS 就是曲面
S
二、第一型曲面积分的计算
第一型曲面积分需要化为二重积分来计算.
定理 22.1
z
例1 计算
S z dS , 其中 S
h
是球面 x2 y2 z2 a2 被
平面 z h (0 h a) 所截
O
a
x
y
得的顶部 (图22-1).
图 22 1
解 曲面 S 的方程为 z a2 x2 y2 , 定义域 D 为
圆域 x2 y2 a2 h2 . 由于
1 zx2 zy2

曲面积分1

曲面积分1

Dxz
(3) 若曲面Σ : x x( y, z ) 则
f ( x , y, z )dS

2 f [ x( y, z ) , y , z ] 1 x 2 xz dydz y
D yz
3
10.4 第一类(对面积)的曲面积分
例 求 x 2dS , : x 2 y 2 z 2 a 2
【思考】 两类曲面积分的定义一个与 的方向无关, 一个与
的方向有关, 上述联系公式是否矛盾 ?
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4. 常用计算公式及方法 面积分 第一类 (对面积) 第二类 (对坐标) 代入曲面方程 (方程不同时,分片积分) 第一类: 面积投影 第二类: 有向投影 (4) 确定积分域 把曲面积分域投影到相关坐标面 转化 二重积分
: z x 2 y 2 , dS 2d 积分曲面
zdS D

x y
2
2
2d
Dxy : x y 2 x
2 2
极 坐 标
xy
2 d
π 2 0
π 2 π 2
2 cos
0
d
16 2 cos 3 d 3
16 2 32 2 2. 3 3 9
1.对面积的曲面积分
10.4 第一类(对面积)的曲面积分
对面积的曲面积分的计算法
思想是: 化为二重积分计算. 按照曲面的不同情况分为以下四种:
(1) 若曲面Σ : z z( x , y )


曲面的面积元素
2 dS 1 z x z 2 dxdy y
f ( x , y, z )dS 将曲面方程代入被积函数

高数 对面积的曲面积分讲解

高数 对面积的曲面积分讲解

如 : z z( x, y) ,则
dS
1

z
2 x

z
2 y
dxdy
“三投影”认清 在 二重积分是在区域上
xoy 平面上的投影区域 Dxy 进行的。
Dxy ,
10
2)如果曲面方程为 x x( y, z), ( y, z) Dyz
或 y y( x, z), ( x, z) Dxz
21
例5 设 : x2 y2 z2 a2
z 1
计算 I f ( x, y, z)dS
解 锥面 z x2 y2 与上半球面 z
x o Dx y y
a2 x2 y2 的
交线为
设 1为上半球面夹于锥面间的部分,它在 xoy 面上的
投影域为 Dx y ( x, y)

1


x x2
y2
2


y x2
y2
2
O

dxdy

a
2a x
2dxdy
I ( xy y x2 y2 x x2 y2 ) 2dxdy
Dxy
20
y
0 2 x x2 y2dxdy
Dxy

2a cos

2
两片, 则计算较繁。 解 取曲面面积元素

I

0H
2
R2
R dz z2
2 arctan H
R
H
z dz
o
y
x
28
例11 求椭圆柱面
位于xoy面上方及平面
z = y 下方那部分柱面 的侧面积 S 。

对面积曲面积分的计算法

对面积曲面积分的计算法

所以
0
1
2
3
在 4 上 z 1 x y, dS 1 zx2 zy2 d 3d, 又 4 在xoy面上的投影区域D为 x 0, y 0, x y 1 围成的三角形
所以
xyzdS
xyzdS xy(1 x y) 3d
4
D
1
1 x
30 xdx0 y(1 x y)dy
dy R2 y2 0
R2 z2 dz
R
0
R R2
y2
1 arctan R
Z R
|0H
dy
arctan H R 1 dy
R 0 R2 y2

R 1 dy lim R1
0 R2 y2
R1 R 0
lim arcsin R1
R1 R
R2
1 dy R2 y2
所以
dS x2 y2 z2
a
d
Hale Waihona Puke a2 x2 y2所以
1
z
dS
1
D a2 x2 y2
a
d
a2 x2 y2
a d
a rdrd
D a2 x2 y2
D a2 r2
(极坐标)
=a
2
d
0
0
a2 h2
a2
r r2 dr
2 a[
1 ln(a2 2
r 2 )]0 a2 h2
2 a ln a
h
❖例2 计算 xyzdS ,其中 是三个坐标面和
3
1
x[(1 x)
0
y2 2
y3 3
]10
x
dx
3 1 x (1 x)3 dx
0

第四节第一类曲面积分

第四节第一类曲面积分

dx 0
dz
例6.
计算 x dS , 其中 是球 x y z 4 的表面.
2
2 2 2

解:方法1 关于三个坐标面均对称
z
1
而被积函数关于x , y , z均是偶函数
所以
x dS 8 x dS
1 2 2
1 Dx y 2 2
{( x , y ) | x y 1}
1
3
1
xdS xd xd y 0,
1
Dx y
对称性
2 zx
(2) 2 : z x 2, dS 1
2 2 2

2
2 z y d xd
y
2
2d xd y ,
Dx y {( x , y ) | x y 1}, xdS x 2d xd y 0,
代入 f ( x, y, z ) d S 中即可。 一投、二代、三换

说明: 1) 如果曲面方程为 x x( y, z ), ( y, z ) D y z


f ( x, y, z ) d S


Dyz
f [ x( y, z ), y, z ] 1 x x d y d z y z

曲面面积为
• 积分的存在性.
则对面积的曲面积分存在.
在光滑曲面 上连续,
• 对积分域的可加性. 若 是分片光滑的, 例如分成两 片光滑曲面 1, 2 , 则有
f ( x, y, z ) d S
f ( x, y , z ) d S
1
对面积的曲面积分与对弧长的曲线积分性质类似. • 不等式性质. 若在 上,f ( x, y, z)

第一类曲面积分.

第一类曲面积分.

投影域为 Dxy (x, y)
x2
y2
1 2
a2
,

I (x2 y2 ) d S 1
16
I (x2 y2 ) d S 1
(x2 y2)
Dx y
a
dxd y
a2 x2 y2
2 d
1 2
2a
a r2
r dr
0
0
a2 r2
1 a4 (8 5 2)
6
思考: 若例4 中被积函数改为
1 zx2 (k , k ) z y2 (k , k ) ( k )xy
f (x, y, z) dS
f (k ,k , z(k ,k ))
1 zx2 (k , k ) z y2 (k , k ) ( k )xy
f (k ,k , z(k ,k ))
(光滑)
1 zx2 (k , k ) z y2 (k , k ) ( k )xy
y x h
14
例3. 计算
其中 是由平面

坐标面所围成的四面体的表面.
z
解: 设 1, 2 , 3 , 4 分别表示 在平面 1
上的部分, 则 o
原式 =
1
2
3
4
x yz dS
1 x
1y
4 x yz d S
4 : z 1 x y,
0 y 1 x
(x, y) Dxy :
10
例1 计算 ( x y z)ds, 其中为平面 y z 5
被柱面 x2 y2 25所截得的部分. 解 积分曲面 :z 5 y ,
投影域 : Dxy {( x, y) | x2 y2 25}
dS 1 zx2 zy2dxdy

§10.4对面积的曲面积分

§10.4对面积的曲面积分
i =1
∑ f (ξ i ,ηi , ζ i )∆Si ,
n
∫∫Σ f ( x , y , z )dS = lim ∑ f (ξ i ,ηi , ζ i )∆Si . λ →0
i =1
n
其中f(x, y, z)叫作被积函数 Σ 叫作积分曲面 叫作被积函数 积分曲面. 其中 叫作被积函数, 叫作积分曲面 其物理意义是面密度为f(x, y, z)的曲面Σ 的质量 其物理意义是面密度为 的曲面 的质量.
λ → 0 i =1
= ∫∫D f [ x, y, z( x, y)] 1 + z′2 + z′2dxdy. x y
xy
这就是将对面积的曲面积分化为二重积分的计算公式. 这就是将对面积的曲面积分化为二重积分的计算公式
按照曲面的不同情况分为以下三种计算公式: 按照曲面的不同情况分为以下三种计算公式 (1) 若曲面Σ 为: z=z(x, y), 则 ∫∫Σ f ( x , y , z )dS
xy
= ∫∫D f [ x , y , z ( x , y )] 1 + z′x2 + z′y2 dxdy .
(2) 若曲面Σ 为: y=y(z, x), 则 ∫∫Σ f ( x , y , z )dS
xz
= ∫∫D f [ x , y( x , z ), z ] 1 + y′x2 + y′ 2 dxdz . z
= 4 ∫0 dθ ∫0 r 2 cos t sin t ⋅ r 2 1 + 4r 2 rdr (用极坐标计算 用极坐标计算) 用极坐标计算
2
π
1
位于对称坐标面一侧的部分. 其中Σ1是Σ 位于对称坐标面一侧的部分
1 + 4r 2 dr = 4 ∫0 cos t sin tdt ∫ 1 1 5 令 u=1+4r2. = 4 ⋅ ∫0 r 1 + 4r 2 dr 2 125 5 − 1 1 5 u−1 2 . ) du = = ∫1 u( 420 4 4 对面积的曲面积分有完全类似与三重积分的 注: 对面积的曲面积分有完全类似与三重积分的 对称性. 对称性 对称于xoy(或yoz, 或zox)坐标面 坐标面, 设Σ 对称于 或 坐标面 是奇函数, 关于z 若f(x, y, z)关于 (或x,或 y)是奇函数 则 关于 或 或 是奇函数 ∫∫Σ f ( x , y , z )dS = 0. 关于z 是偶函数, 若f(x, y, z)关于 (或x, 或 y)是偶函数 则 关于 或 是偶函数 ∫∫Σ f ( x , y , z )dS = 2∫∫Σ f ( x , y , z )dS .

第一型曲面积分计算

第一型曲面积分计算

第一型曲面积分计算
第一型曲面积分是对一个曲面上的函数进行积分。

具体计算方法如下:
设有一个曲面 S,其参数方程为 (x(u,v), y(u,v), z(u,v)),其中(u,v) 是曲面上的参数。

首先计算曲面的法向量 N,可以通过计算曲面的两个切向量的叉积得到:
N = (dx/du x dx/dv, dy/du x dy/dv, dz/du x dz/dv)
然后定义一个曲面上的函数 f(x,y,z)。

第一型曲面积分的计算公式为:
∬(f(x,y,z)·N)dS = ∬(f(x(u,v), y(u,v), z(u,v))·N(u,v))dudv
其中,N(u,v) 是曲面上点 (u,v) 处的法向量,dudv 是曲面上的面积微元。

将参数方程代入公式中,计算出被积函数的值,然后对曲面上的参数域进行积分即可。

具体计算方法因曲面和函数的形式而异,可以根据具体的题目进行求解。

第一型曲面积分

第一型曲面积分


类似地,第一型曲面积分:
dS 投影d
转化为二重积分
重积分的应用一节已给出:当曲面z=z(x,y)向xOy平面上 的投影时有 d 2 2 dS 1 z x z y d cos γ 将曲面积分中的dS用dσ 表示,将z用x,y表示,得

D xy
2 2 f [ x , y , z ( x , y )] 1 z z dx f ( x , y , z ) dS d ; x y
由积分曲面的对称性及被积函数的奇偶性知:
xdS ydS zdS xydS yzdS xzdS0,

由坐标的轮换对称性知:
1 2 2 2 x dS y dS z dS 3 ( x y z )dS ,
, ΔS ,…, ΔS ΔS n n
1 2 n
( i ,i , i )Si 取极限:求质量的精确值M= lim 0
其中, 表示 n 小块曲面的直径的最大值
i 1
n
一、第一型曲面积分的定义
设曲面是光滑的, 函数 f (x, y, z)在上有界, 把分成n小块Si (Si同时也表示第i小块曲面的面积), 设点(i , i , i )为Si上任意

是 球 面: x 2 y 2 z 2 R 2 。
解: I ( ax by cz d ) 2 dS

(a x b y c z d 2abxy 2bcyz 2acxz
2 2 2 2 2 2 2
2adx 2bdy 2cdz)dS
称性。 设Σ对称于xoy (或yoz,或zox )坐标面. 若 f(x,y,z )关于z(或 x,或 y)是奇函 则 f ( x , y , z )dS 0 数 若 f(x,y,z )关于z(或x,或y)是偶函数 ,Σ1是Σ位于对称坐标面一侧的部分,则 f ( x, y, z )dS 2 f ( x, y, z )dS

高等数学第十章曲面积分

高等数学第十章曲面积分

(1)求 1和 2在 yoz 平面上的投影区域:
因 1和 2在 yoz 平面上的投影区域相同, 设为 D yz : 0 z H 。 R y R,

1
H
z

o
2
x
R
R
y
(2)求微元 dS :在 1和 2 上,
dS 1 ( x 2 x ) ( ) 2 dydz y z R R y
Pdydz Qdzdx Rdxdy Pdydz Qdzdx Rdxdy
1 2
2.反号性
Pdydz Qdzdx Rdxdy Pdydz Qdzdx Rdxdy

3.奇偶对称性
0 Rdxdy 2 Rdxdy
4 z 2 x y与 形式相同,故可利用曲面方程来简化被积 3 4 z 2 x y 4 代入,从而简化计算。 函数,即将 3 x y 解:平面 方程的为 z 4(1 ) (见下图), 2 3
在 xoy 面上的投影区域为:
x y D xy : 1, x 0, y 0 2 3 z z 4 2, x y 3
0 i 1
n


2.物理意义 Pdydz Qdzdx Rdxdy

表示流体密度 1 速度场为 V P i Q j R k , 单位时间内流过曲面 一侧的流量。




二、对坐标的曲面积分的性质
1.可加性

1 2
Pdydz Qdzdx Rdxdy
【例1】计算曲面积分 ( z 2 x

x y z 1在第一卦限中的部分。 2 3 4

两类曲面积分

两类曲面积分

=
(Δσ i ) xy ΔSi

∫∫
f ( x , y , z ) d S


n
f (ξ
i = 1
i

i

i
) Δ S
i
细节决定成败-Dirk Wayne
ΔS i =

∫∫ σ
1 + z x 2 + z y 2 dxdy
i ) xy
再利用二重积分的积分中值定理:
ΔSi =
1 + z x 2 (ξ i , η i ) + z y 2 (ξ i , η i ) ⋅ ( Δ σ i ) x y
r r
它的法向量 n 指向朝上,则认为取定曲面的上侧。 它的法向量 n 指向朝外,我们认为取定曲面的外侧。
D. 有向曲面:取定了法向量(即取定了曲面侧)的曲面称 为有向曲面。 E.
ΔSi 投影:
设 ∑ 为有向曲面,在 ∑ 取一块小曲面 Δ S
平面内的投影区域为 ( Δ
σ ) xy ,假定 ΔS
上各点与 z 轴的夹角
λ →0 时,这个和的极限总是存在,则称此极限为函数
f ( x, y, z) 在曲面 ∑ 上对面积的曲面积分,或者第一类曲面
积分,记作:

∫∫
f ( x , y , z ) dS ≈

i =1
n
f (ξ i , η i , ζ i ) Δ S i
其中
f ( x, y, z) 叫做被积函数, ∑ 叫做积分曲面。
① 对坐标的曲面积分的概念与性质
A. 假设一:曲面都是光滑的 B. 假设二:通常遇到的曲面都是双侧的,有上侧和下侧之 分, 内侧和外侧之分, 所以我们考虑的曲面都是双侧的。 C. 曲面侧的定义: 通过曲面法向量的指向来表示曲面的侧。

第一类曲面积分

第一类曲面积分

1zx2 z2y 1 ( 1 )2 ( 1 )23 ,
从而 xyzdS xyzdS
4
3x(y1xy)dxdy,
其中 Dxy是4在xO D 面 xyy 上的投, 影区域
即由直 x线 0, y0及xy1所围成的.闭区
因此
1 1 x
xyzdS 3x d x y (1 xy )d y
00
301x(1x)y22y331 0xdx
例2
计算曲面积分 1 dS ,其中是球面 x2y2z2a2 被平面
z
zh(0<h<a)截出的顶部.
解 的 方 程 为 z a 2 x 2 y 2 . 在 x O y 面 上 的 投 影 区 域
Dxy 为圆形闭区域:x2y2a 2h 2. 又
z
1 z x 2 z y 2 a 2 a x 2 y 2 . h
若 f(x , y , z ) 关于z(或 x ,或 y )是偶函数
f(x,y,z)d S2f(x,y,z)dS
1
其中 1是位于对称坐标 部面 分一侧
完全类似于三重积分的对称性
练习 计算积分:
(x y z)ds, 其中 S 是上半球面 x2y2z2a2,z0;
s
z
略解:z a2 x2 y2,
zx
31x(1x)3dx
0
6
31(x3x23x3x4)d x 3 .
60
120
例5
计算
x2
1
y2
dS
其中 是介于平面
z = 0 与 z = H 之间的圆柱面x2y2R2
解 y R 2 x 2 ,曲 面 分 为 左 右 两 片 。 令 1:y R2x2
1在zo面 x 的投影区 D z x域 :0 为 z H R x R
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