例3 计算
其中S是球面x2?y2?z2?1的上半部分并取外侧为正向.
解1 S可表示为z?1?x2?y2 (x,y)?D 其中
?(x,y)10==1,故(4)式应取正号, ?(x,y)01 由于积分按S上侧进行,且J?而
所以
解
0???2 由于S可表示为x?sin?cos?,y?sin?sin?,z?cos?,
,0???2?
?2所以
本例计算虽然简单,但不难看出用公式(4)计算时不必对S分划并讨论符号代之以在zox平面上二重积分.
例4 计算
其中,S是球面(x?a)2?(y?b)2?(z?c)2?R2,且设积分是沿球面外侧.
解 S可表示为
0????,0???2?.
由于在第一象限积分按上侧积分,而J= R2sin?cos??0,故(4)应取正号.
因为
??xdydz??S2?0d??2?08?R3a(a?Rsin?cos?)Rsin?cos?d?=
32228?R38?R3b类似可求得 I3???ydzdx=,所以I?I1?I2?I3?(a?b?c).
33S23.3 单一坐标平面投影法
设光滑曲面S:z?z(x,y),(x,y)?Dxy(Dxy是S在xoy平面上的投影区域),函数P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)在S上连续,z?z(x,y)在Dxy上具有一阶连续偏导数,则
??P(x,y,z)dydz?Q(x,y,z)dzdx?R(x,y,z)dxdy
S????[P(x,y,z)(?zx)?Q(x,y,z)(?zy)?R(x,y,z)]dxdy,
Dxy当S取上侧时,上式右边取正号;当S取下侧时,上式右边取负号. 若S的方程为x?x?y,z?,y?y?z,x?,也有类似的公式:
??P(x,y,z)dydz?Q(x,y,z)dzdx?R(x,y,z)dxdyS????[P(x,y,z)?Q(x,y,z)(?xy)?R(x,y,z)(?xz)]dydz;
Dyz当S取前侧时,上式右边取号;当S取后侧时,上式右边取负号.
??P(x,y,z)dydz?Q(x,y,z)dzdx?R(x,y,z)dxdyS????[P(x,y,z)(?yx)?Q(x,y,z)?R(x,y,z)(?yz)]dzdx.
Dzx当S取右侧时,上式右边取正号;当S取左侧时,上式右边取负号.
例1 计算积分
??(y?z)dydz?(z?x)dzdx?(x?y)dxdy,
S其中S为圆锥面x2?z2?y2介于0?y?h,z?0部分的上侧.
解 S的方程为y?x2?z2,取左侧,则
原式???(y?z)(?yx)?(z?x)?(x?y)(?yz)dzdx
S4 ??h3.
3例 2 求
??(y?z)dydz?(z?x)dzdx?(x?y)dxdy,
S其中S为锥面z?x2?y2 (0?z?h)部分的正侧.
解 S:z?x2?y2 (0?z?h),则zx?xx?y22,zy?yx?y22.
又S在平面上的投影D:x2?y2?h2.因为S取下侧,所以
最后一个等号用到二重积分的对称性质.
3.4 分项投影法
分项投影法是利用第二型曲面积分的线性性:
分别将右式三项投影到yoz,zox,xoy平面上,由于
分别投影直接计算二重积分,避免投影到一面上偏导的计算,此法非常实用,看似复杂,实则简单,非常实用.
计算中要注意原曲面与投影曲面一一对应,若不一一对应要分项投影,如一个完整的球投影到xoy平面上,上下半球曲面要分别投影计算,计算中注意利用方向性等性质以简化计算.
例1 计算积分
ò??yzdydz?zxdzdx?xydxdy,
S其中S是四面体x?y?z?a?a?0?,x?0,y?0,z?0的表面,外法线是正向. 解 这是三个第二型曲面积分之和.首先计算第二型曲面积分ò??xydxdy,
S而曲面S是由四个有向的三角形区域:
ABC?上?,AOB?下?,BOC?后?,COA?左?组成.其中BOC(后)与COA?左?在XY坐标面的面积微元dxdy?0,ABC?上?,AOB?下?在XY坐标面的
投影都是三角形区域D?x?0,y?0,x?y?a围成?,从而 ???xydxdy???xydxdy?0?0.
DD同理可得
??yzdydz???zxdzdx?0,
SS于是
ò??yzdydz?zxdzdx?xydxdy?0.
S例2 计算第二型曲面积分
I???f(x)dydz?g(y)dzdx?h(z)dxdy,
S 其中S是平面六面体(0?x?a,0?y?b,0?z?c)的表面并取外侧为正向,
f(x),g(y),h(z)为S上的连续函数.
解 记 S1:x?a (前侧为正向),S2:x?0 (后侧为正向) 积分??f(x)dydz在另外四个曲面上的积分为零,故
S 由于变量的对称性,类似可得
所以
3.5 利用高斯公式(Gauss)化为三重积分的方法
格林公式建立了沿封闭曲线的曲线积分与二重积分的关系,沿空间闭曲面的曲面积分和三重积分之间也有类似的关系,这就是高斯公式.
定理:设空间区域V由分片光滑的双侧封闭曲面S围成.若函数P,Q,R在V上连续,且有一阶连续偏导数,则
第二类曲面积分的计算方法
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