曲面积分

Surface Integral

空间曲面的两类积分

一、第一类曲面积分(对面积的曲面积分)

曲面的质量,标量场积分

基本定义

∬Σf(x,y,z)dS=limλ→0∑i=1nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi

实际计算

∬Σf(x,y,z)dS=∬Dxyf[x,y,z(x,y)]1+zx2(x,y)+zy2(x,y)dxdy

实际计算时化为二重积分进行计算

  1. 换域:朝自变量所在趋于进行投影(积分区域变为 Dxy)
  2. 换元:z→z(x,y)
  3. 换面积元素:dS→1+zx2(x,y)+zy2(x,y)dxdy

注意投影选择不同,积分元素和积分变量的代换也不同
Dxyz(x,y)1+(∂z∂x)2+(∂z∂y)2dxdy
Dyzx(y,z)1+(∂x∂y)2+(∂x∂z)2dydz
Dxzy(x,z)1+(∂y∂x)2+(∂y∂z)2dxdz

二、第二类曲面积分(对坐标的曲面积分)

流向曲面一侧的流量,向量场的通量积分

基本定义

曲面的方向:对于双侧曲面,可以通过曲面上的法向量的指向定义曲面的侧,指定方向的曲面称为有向曲面。对于有向曲面,取一小块 ΔS ,将其投影到 xOy 平面上得到 (Δσ)xy 有:

(ΔS)xy={(Δσ)xycos⁡γ>0−(Δσ)xycos⁡γ<00cos⁡γ≡0∬ΣR(x,y,z)dxdy=limλ→0∑i=1nR(ξi,ηi,ζi)Δ(Si)xy∬ΣP(x,y,z)dydz=limλ→0∑i=1nP(ξi,ηi,ζi)Δ(Si)yz∬ΣQ(x,y,z)dxdz=limλ→0∑i=1nQ(ξi,ηi,ζi)Δ(Si)xzΦ=∬ΣA⋅dS=∬ΣP(x,y,z)dydz+∬ΣQ(x,y,z)dxdz+∬ΣR(x,y,z)dxdy

流量向量函数: A=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))
有向曲面 Σ 的单位法向量: n=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)
有向曲面元:即为流体流向有向曲面同一侧的流量

{dS⋅cos⁡α=dydzdS⋅cos⁡β=dxdzdS⋅cos⁡γ=dxdy⇒dS=ndS=(dydz,dzdx,dxdy)

实际计算

实际计算时化为二重积分进行计算

  1. 投影:寻找投影区域进行投影, 如 xOy
  2. 代换:确定投影的积分区域 Σ→Dxy
  3. 确定方向:根据曲面的方向确定积分的正负号
∬ΣR(x,y,z)dxdy=∬DxyR[x,y,z(x,y)]dxdycos⁡γ>0∬ΣR(x,y,z)dxdy=−∬DxyR[x,y,z(x,y)]dxdycos⁡γ<0 dxdycos⁡γ=dxdzcos⁡β=dydzcos⁡α=dS∬ΣR(x,y,z)dxdy=∬DyzR(x(y,z),y,z)cos⁡γcos⁡αdydz

三、两类曲面积分的关系

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬Σ(Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ)dS