高數(shù)同濟六版D5對坐標曲面積分ppt課件

1、目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 第五節(jié)一、有向曲面及曲面元素的投影一、有向曲面及曲面元素的投影 二、二、 對坐標的曲面積分的概念與性質(zhì)對坐標的曲面積分的概念與性質(zhì) 三、對坐標的曲面積分的計算法三、對坐標的曲面積分的計算法四、兩類曲面積分的聯(lián)系四、兩類曲面積分的聯(lián)系對坐標的曲面積分 第十一章 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 一、有向曲面及曲面元素的投影一、有向曲面及曲面元素的投影 曲面分類雙側(cè)曲面單側(cè)曲面莫比烏斯帶莫比烏斯帶曲面分上側(cè)和下側(cè)曲面分內(nèi)側(cè)和外側(cè)曲面分左側(cè)和右側(cè)(單側(cè)曲面的典型) 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 其方向用法向量指向方向余弦coscoscos 0 為前側(cè) 0 為右側(cè) 0 為上側(cè)

2、 0 為下側(cè)外側(cè)內(nèi)側(cè) 設 為有向曲面,)(yxSSyxS)(側(cè)的規(guī)定 指定了側(cè)的曲面叫有向曲面, 表示 :其面元在 xOy 面上的投影記為,0)(yxyxS)(的面積為則規(guī)定,)(yx,)(yx,0時當0cos時當0cos時當0cos類似可規(guī)定zxyzSS)( ,)(目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 二、二、 對坐標的曲面積分的概念與性質(zhì)對坐標的曲面積分的概念與性質(zhì) 1. 引例引例 設穩(wěn)定流動的不可壓縮流體的速度場為設穩(wěn)定流動的不可壓縮流體的速度場為求單位時間流過有向曲面 的流量 . S分析分析: 假設假設 是面積為是面積為S 的平的平面面, 則流量法向量: 流速為常向量: ),(),(),(zy

3、xRzyxQzyxPv )cos,cos,(cosnvcosvS nvSnv目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 對一般的有向曲面 ,用“大化小, 常代變, 近似和, 取極限” ni 10lim0limni 1iiiiPcos),(iiiiRcos),(0limni 1zyiiiiSP)(,(xziiiiSQ)(,(yxiiiiSR)(,(iiiiQcos),(iS對穩(wěn)定流動的不可壓縮流體的速度場),(),(),(zyxRzyxQzyxPv 進行分析可得iniviiiSnv)cos,cos,(cosiiiin設, 那么 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 設 為光滑的有向曲面, 在 上定義了一個意分割和在局

4、部面元上任意取點,0limni 1zyiiiiSP)(,(xziiiiSQ)(,(分,yxRxzQzyPdddddd記作P, Q, R 叫做被積函數(shù); 叫做積分曲面.yxiiiiSR)(,(或第二類曲面積分.下列極限都存在向量場xdydzdPQR),(),(),(zyxRzyxQzyxPA 若對 的任 則稱此極限為向量場 A 在有向曲面上對坐標的曲面積2. 定義：定義：目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 引例中, 流過有向曲面 的流體的流量為zyPddxzQdd稱為Q 在有向曲面 上對 z, x 的曲面積分;yxRdd稱為R 在有向曲面 上對 x, y 的曲面積分.稱為P 在有向曲面 上對 y, z

5、 的曲面積分;yxRxzQzyPdddddd若記 正側(cè)的單位法向量為令)cos,cos,cos(n)dd,dd,d(dddyxxzzySnS) ),(, ),(, ),(zyxRzyxQzyxPA 則對坐標的曲面積分也常寫成如下向量形式目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 3. 性質(zhì)性質(zhì)(1) 假設,1kiiki 1之間無公共內(nèi)點, 那么i且(2) 用 表示 的反向曲面, 那么SA dSASAddiSAdyxRxzQzyPddddddSnAdSA d目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 三、對坐標的曲面積分的計算法三、對坐標的曲面積分的計算法定理定理: 設光滑曲面設光滑曲面yxDyxyxzz),( , ),(

6、:取上側(cè),),(zyxR是 上的連續(xù)函數(shù), 那么yxzyxRdd),() ,(yxDyxR),(yxzyxdd證證:0limni 1yxiiiiSR)(,(yxiS )(yxi)( 取上側(cè),),(iiiz0limni 1) ,(iiR),(iizyxi)(yxx,yzyxRyxDdd)(,(yxzyxRdd),(目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 假設,),( , ),(:zyDzyzyxx則有zyzyxPdd),(), (zy,PzyD),(zyxzydd 假設,),( , ),(:xzDxzxzyy則有xzzyxQdd),() , zxQxzD,(),(xzyxzdd(前正后負)(右正左負)說明

7、說明: 如果積分曲面 取下側(cè), 那么yxzyxRdd),() ,(yxDyxR),(yxzyxdd目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例1. 計算計算yxxzxzzyzyyxdd)(dd)(dd)(其中 是以原點為中心, 邊長為 a 的正立方體的整個表面的外側(cè).解解: 利用對稱性.原式y(tǒng)xxzdd)(3 的頂部 ),(:2221aaayxz取上側(cè) 的底部 ),(:2222aaayxz取下側(cè)1dd)(3yxxzyxDyxxadd)2(3yxxz2dd)(yxxayxDdd)2(yxDyxadd333axzyO目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 解解: 把把 分為上下兩部分分為上下兩部分2211:yxz根據(jù)

8、對稱性0ddyxxyz 考慮考慮: 下述解法是否正確下述解法是否正確:例例2. 計算曲面積分計算曲面積分,ddyxzyx其中 為球面2x外側(cè)在第一和第五卦限部分. zyx1O12yxD0,01:),(22yxyxDyxyx2221:yxz122zy目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 zyx1O12yxDyxDyxyxyxdd 1222221cossin2rryxDrrrd1210315220d2sinyxzyxdd2ddyxzyx1ddyxzyxyxDyxxydd )1(22yx yxDyxxydd 221yx ddrr目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 上Szzyx2cosdd下Szzyx2cosdd例

9、例3. 設設S 是球面是球面1222zyx的外側(cè) , 計算SxxzyI2cosdd2解解: 利用輪換對稱性利用輪換對稱性, 有有Sxxzy2cosdd2SSzyxyxz22cosddcosddSzzyxI2cosdd102221cos1drrrr102221cos1d4rr1tan4yxz2cosddzzyx2cosdd,cosdd22Szzyx122222221cos1ddyxyxyxyx20d220目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 四、兩類曲面積分的聯(lián)系四、兩類曲面積分的聯(lián)系ni 1zyiiiiSP)(,(xziiiiSQ)(,(yxRxzQzyPddddddyxiiiiSR)(,(0lim0

10、limni 1iiiiPcos),(iiiiQcos),(iiiiRcos),(iSSRQPdcoscoscos曲面的方向用法向量的方向余弦刻畫目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 令yxRxzQzyPddddddSRQPdcoscoscosSAnd向量形式),(RQPA )cos,cos,(cosn)dd,dd,d(dddyxxzzySnSSA dnAAnSnAd( A 在 n 上的投影)目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 例例4. 位于原點電量為位于原點電量為 q 的點電荷產(chǎn)生的電場為的點電荷產(chǎn)生的電場為解解: :Srqd2SRqd2q4。q)(),(22233zyxrzyxrqrrqE求E 通過球面

11、: r = R 外側(cè)的電通量 .SE dSnEdSrrdrrq3目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 yxz111例例5. 設設,1:22yxz是其外法線與 z 軸正向夾成的銳角, 計算.dcos2SzI解解: SzIdcos2yxzdd2rrrd)1(d210202yxDyxyxdd)1(22n目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 221cosyxx例例6. 計算曲面積分計算曲面積分其中 解解: 利用兩類曲面積分的聯(lián)系利用兩類曲面積分的聯(lián)系, 有有zyxzdd)(2)(2xzSdcosyxddcoscosOyxz2 原式 =)( x)(2xzyxzdd,dddd)(2yxzzyxz旋轉(zhuǎn)拋物面)(2221yx

12、z介于平面 z= 0 及 z = 2 之間部分的下側(cè). )(2xz2211cosyx 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 原式 =)( x)(2xzyxzddOyxz2)( xxyxD22241)(yx 原式 =)(2221yx yxyxxyxDdd)(22212rrrrd)cos(221220220d8yxdd得代入將,)(2221yxz目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 內(nèi)容小結(jié)內(nèi)容小結(jié)定義定義:Szyxfd),(iiiniiSf),(lim10yxRxzQzyPddddddzyiiiiniSP),(lim10yxiiiiSR),(1. 兩類曲面積分及其聯(lián)系兩類曲面積分及其聯(lián)系xziiiiSQ),(

13、目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 性質(zhì)性質(zhì):yxRxzQzyPddddddyxRxzQzyPdddddd聯(lián)絡聯(lián)絡:yxRxzQzyPddddddSRQPdcoscoscos考慮考慮:的方向有關, 上述聯(lián)系公式是否矛盾 ?兩類曲面積分的定義一個與 的方向無關, 一個與目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 2. 常用計算公式及方法常用計算公式及方法面積分第一類 (對面積)第二類 (對坐標)二重積分(1) 統(tǒng)一積分變量代入曲面方程 (方程不同時分片積分)(2) 積分元素投影第一類： 面積投影第二類： 有向投影(4) 確定積分域把曲面積分域投影到相關坐標面 注：二重積分是第一類曲面積分的特殊情況注：二重積分是第一

14、類曲面積分的特殊情況.轉(zhuǎn)化目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 當yxDyxyxzz),( , ),(:時，yxzzyxzyxfSzyxfyxDyxdd1),(,(d),(22yxyxzyxRyxzyxRyxDdd),(,(dd),(（上側(cè)取“+”, 下側(cè)取“”)類似可考慮在 yOz 面及 zOx 面上的二重積分轉(zhuǎn)化公式 .目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 思考與練習思考與練習1. P227 題2提示提示: 設設,),( ,0:yxDyxz那么 取上側(cè)時,yxzyxRdd),(yxDyxyxRdd),(0 取下側(cè)時,yxzyxRdd),(yxDyxyxRdd),(02. P244 題 13. P227 題3(3)目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 ,),(Czyxf是平面1zyx在第四卦限部分的上側(cè) , 計算zyxzyxfIdd),(xzyzyxfdd),(2yxzzyxfdd),(提示提示: 求出 的法方向余弦,轉(zhuǎn)化成第一類曲面積分P227 題題3(3). 設設作業(yè)作業(yè) P227 3 (1) ,(2) , (4) ; 4 (1), (2)SzyxId)(31Sd31yxxd3d01103121第六節(jié) 目錄 上頁 下頁 返回 結(jié)束 ,ddddddzyxyxzxzyI