高等數(shù)學(xué)D104對面積曲面積分1ppt課件

1、第四節(jié)一、對面積的曲面積分的概念與性質(zhì)一、對面積的曲面積分的概念與性質(zhì) 二、對面積的曲面積分的計(jì)算法二、對面積的曲面積分的計(jì)算法機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 對面積的曲面積分 第十章 oxyz一、對面積的曲面積分的概念與性質(zhì)一、對面積的曲面積分的概念與性質(zhì)引例引例: 設(shè)曲面形構(gòu)件具有連續(xù)面密度設(shè)曲面形構(gòu)件具有連續(xù)面密度),(zyx類似求平面薄板質(zhì)量的思想, 采用kkkkS),(可得nk 10limM),(kkk求質(zhì) “大化小, 常代變, 近似和, 求極限” 的方法,量 M.其中, 表示 n 小塊曲面的直徑的最大值 (曲面的直徑為其上任意兩點(diǎn)間距離的最大者). 機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回

2、 完畢 SzyxMd),(定義定義: 設(shè) 為光滑曲面,“乘積和式極限” kkkkSf),(nk 10lim都存在,的曲面積分Szyxfd),(其中 f (x, y, z) 叫做被積據(jù)此定義, 曲面形構(gòu)件的質(zhì)量為曲面面積為SSdf (x, y, z) 是定義在 上的一 個有界函數(shù),記作或第一類曲面積分.若對 做任意分割和局部區(qū)域任意取點(diǎn), 則稱此極限為函數(shù) f (x, y, z) 在曲面 上對面積函數(shù), 叫做積分曲面.機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 則對面積的曲面積分存在. 對積分域的可加性.,21則有Szyxfd),(1d),(Szyxf2d),(SzyxfSzyxgkzyxfkd),()

3、,(21 線性性質(zhì).則為常數(shù)設(shè),21kkSzyxgkSzyxfkd),(d),(21),(zyxf若在光滑曲面 上連續(xù), 對面積的曲面積分與對弧長的曲線積分性質(zhì)類似. 積分的存在性. 假設(shè) 是分片光滑的,例如分成兩片光滑曲面機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 oxyz定理定理: 設(shè)有光滑曲面設(shè)有光滑曲面yxDyxyxzz),(),(:f (x, y, z) 在 上連續(xù),存在, 且有Szyxfd),(yxDyxf),(Szyxfd),(),(yxzyxyxzyxzyxdd),(),(122二、對面積的曲面積分的計(jì)算法二、對面積的曲面積分的計(jì)算法 則曲面積分證明證明: 由定義知由定義知Szyxfd

4、),(kkkkSf),(nk 10limyxD),(kkkyxk)(機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 kSyxyxzyxzyxkyxdd),(),(1)(22yxkkkykkxzz)(),(),(1220limnk 1yxkkkykkxzz)(),(),(1220limnk 1yxkkkykkxzz)(),(),(122yxyxzyxzyxfyxDyxdd),(),(1),(22),(yxz),(,(kkkkzf),(,(kkkkzfSzyxfd),(而(光滑)機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 說明說明:zyDzyzyxx),(),(zxDzxzxyy),(),(或可有類似的公式.1) 如

5、果曲面方程為2) 若曲面為參數(shù)方程, 只要求出在參數(shù)意義下dS 的表達(dá)式 , 也可將對面積的曲面積分轉(zhuǎn)化為對參數(shù)的二重積分. (見本節(jié)后面的例4, 例5) 機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 yxD例例1. 計(jì)算曲面積分計(jì)算曲面積分,dzS其中是球面222zyx被平面)0(ahhz截出的頂部.解解: :yxDyxyxaz),( ,:2222222:hayxDyx221yxzz 222yxaazSd20da0)ln(2122222haraahaaln2yxDyxayxa222dd22022dhararr2aoxzyha機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 考慮考慮:假設(shè) 是球面2222azyx被平

6、行平面 z =h 截出的上下兩部分,) (dzS) (dzS0hln4aa那么hhoxzy機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 例例2. 計(jì)算計(jì)算,dSzyx其中 是由平面坐標(biāo)面所圍成的四面體的表面. ozyx111解解: 設(shè)設(shè)上的部分, 那么4321,4dSzyx,1:4yxz1010:),(xxyDyxyxxyyxy10d)1 (12031zyx與, 0, 0, 0zyx10d3xx1zyx4321Szyxd 原式 = 分別表示 在平面 機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 xozy例例3. 設(shè)2222:azyx),(zyxf計(jì)算.d),(SzyxfI解解: 錐面錐面22yxz的222yxaz

7、.,2122122azayx1設(shè),),(22122ayxyxDyx,22yx ，022yxz當(dāng)22yxz當(dāng)與上半球面交線為為上半球面夾于錐面間的部分, 它在 xoy 面上的投影域?yàn)?yxD那么 1d)(22SyxI機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 1d)(22SyxIyxDyx)(22rrraraadd202222021)258(614a222yxaayxddxozy1yxD機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 考慮考慮: 若例若例3 中被積函數(shù)改為中被積函數(shù)改為),(zyxf,22yx ，022yxz當(dāng)22yxz當(dāng)計(jì)算結(jié)果如何 ? 例例4. 求半徑為求半徑為R 的均勻半球殼的均勻半球殼 的重

8、心的重心.解解: 設(shè)設(shè) 的方程為的方程為yxDyxyxRz),( ,222利用對稱性可知重心的坐標(biāo),0 yx而 z 223RRR用球坐標(biāo)cosRz ddsind2RS SdSzd20032dcossindR2002dsindR思考題思考題: 例例 3 是否可用球面坐標(biāo)計(jì)算是否可用球面坐標(biāo)計(jì)算 ?例3 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 例例5. 計(jì)算計(jì)算),(dRzSI.:2222Rzyx解解: 取球面坐標(biāo)系取球面坐標(biāo)系, 那么那么,cos:Rz I0cos)cosd(2RRRRRRln2ddsind2RS 02dcossinRR20d機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 例例6. 計(jì)算計(jì)算,d)(2

9、2SyxI其中 是球面22yx 利用對稱性可知SzSySxddd222SzSySxdddSzyxId)(32222Szyxd)(34Sxd4Sxd448)3(4142解解: 顯然球心為顯然球心為, ) 1 , 1 , 1 (半徑為3x利用重心公式SxdSd).(22zyxz機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 zzd例例7. 計(jì)算計(jì)算,d222zyxSI其中 是介于平面之間的圓柱面.222Ryx分析分析: 若將曲面分為前后若將曲面分為前后(或左右或左右)zRSd2d那么HzRzRI022d2RHarctan2Hzz,0oHxyz解解: 取曲面面積元素取曲面面積元素兩片, 則計(jì)算較繁. 機(jī)動 目錄

10、 上頁 下頁 返回 完畢 oyxzL例例8. 求橢圓柱面求橢圓柱面19522yx位于 xoy 面上方及平面 z = y 下方那部分柱面 的側(cè)面積 S . 解解: )0(sin3,cos5:ttytxL取SSdszLdtt cosdcos45302sd5ln4159zszSddttttdcos9sin5sin3220syLd機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 例例9. 設(shè)有一顆地球同步軌道通訊衛(wèi)星, 距地面高度 h = 36000 km,機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 運(yùn)行的角速度與地球自轉(zhuǎn)角速度相同, 試計(jì)算該通訊衛(wèi)星的覆蓋面積與地球表面積的比. (地球半徑 R = 6400 km )解解

11、: yzxohR R建立坐標(biāo)系如圖, 覆蓋曲面 的半頂角為 ,利用球坐標(biāo)系, 那么ddsind2RS 衛(wèi)星覆蓋面積為SAd0202ddsinR)cos1 (22RhRRcoshRhR22機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 故通訊衛(wèi)星的覆蓋面積與地球表面積的比為24 RA)(2hRh6610)4 . 636(21036%5 .40由以上結(jié)果可知, 衛(wèi)星覆蓋了地球 31以上的面積, 故使用三顆相隔32角度的通訊衛(wèi)星就幾乎可以覆蓋地球全表面. 說明說明: 此題也可用二重積分求此題也可用二重積分求 A (見下冊見下冊P109 例例2) . yzxohR R內(nèi)容小結(jié)內(nèi)容小結(jié)1. 定義:Szyxfd),(

12、iiiiSf),(ni 10lim2. 計(jì)算: 設(shè),),( , ),(:yxDyxyxzz那么Szyxfd),(yxDyxf,(),(yxz)221yxzz yxdd(曲面的其他兩種情況類似) 注意利用球面坐標(biāo)、柱面坐標(biāo)、對稱性、重心公式簡化計(jì)算的技巧. 機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 思考與練習(xí)思考與練習(xí)P158 題1；3；4(1) ; 7 解答提示解答提示:P158 題1.SzyxzyIxd),()(22P158 題3. ,),( ,0:yxDyxzyxDyxyxfSzyxfdd),(d),(設(shè)那么0P184 題2機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 P158 題4(1).oyxz2 在

13、 xoy 面上的投影域?yàn)?:22 yxDyxyxzzSyxdd1d22yxyxdd)(4122yxDSyxyxSdd)(41d22rrrd41d20220313這是 的面積 !2xyD)(2:22yxz機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 P159 題7. 如下圖, 有yxyxyxSzyxDdd1)(21d2222rrrd1d21202320354tttd) 1(302221rt令o21yxDzyx機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 P184 題2. 設(shè)),0(:2222zazyx在第為1一卦限中的部分, 則有( ).;d4d)(1SxSxA;d4d)(1SxSyB;d4d)(1SxSzC.d4d)(1SzyxSzyxDC( 2000 考研 )機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 作業(yè) P158 4(3); 5(2); 6(1), (3), (4); 8第五節(jié) 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 備用題備用題 1. 已知曲面已知曲面殼殼)(322yxz,22zyx求此曲面殼在平面 z1以上部分 的的面密度質(zhì)量 M . 解解: 在在 xoy 面上的投影為面上的投影為 ,2:22 yxDyx故SMdrrrd41d322020)41d(418162202rryxyxyxDdd)(4132213機(jī)動 目錄 上頁 下頁 返回 完畢 2. 設(shè)設(shè) 是四面體是四面體的表0,0,0,1zyxzyx面,