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3 分钟
微积分下 23 -对坐标的曲面积分

接下来我们讲述对坐标的曲面积分,也就是第二类曲面积分的设定

通常曲面都是双侧的,例如由 z=z(x,y)z=z(x,y) 表示的曲面有上侧和下侧之分,而闭合曲面有内侧和外侧之分,这时候,我们可以通过曲面上法向量的方向来认定曲面的侧。譬如对于 z=z(x,y)z=z(x,y) 表达的曲面,如果 n⃗\vec n 朝上,则认为取定了曲面上侧,朝下则为下侧;对于闭曲面,如果 n⃗\vec n 的方向朝外,则认为取定了曲面的外侧,朝内则为内测

这种取定了法向量则曲面的侧也取定的曲面,称为有向曲面

那么,对于有向曲面 Σ\Sigma,在其上取一小块曲面 ΔS\Delta S,并且将这一小块投影到 xOyxOy 面上得到一个投影区域,投影区域的面积记作 (Δσ)xy(\Delta \sigma)_{xy},假定 ΔS\Delta S 上各点处的法向量与z轴的夹角 γ\gamma 的余弦 cos⁡γ\cos\gamma 有相同的正负号,我们就规定 ΔS\Delta S 在 xOyxOy 面上的投影 (ΔS)xy(\Delta S)_{xy} 为

(ΔS)xy={(Δσ)xy,cos⁡γ>0−(Δσ)xy,cos⁡γ<00,cos⁡γ≡0(\Delta S)_{xy}=\begin {cases} (\Delta\sigma)_{xy}, \cos\gamma > 0\\ -(\Delta\sigma)_{xy},\cos\gamma < 0\\ 0, \cos\gamma \equiv 0 \end {cases}

通过类似的方式,我们也可以定义出 ΔS\Delta S 在 yOz,zOxyOz, zOx 面上的投影

然后我们考虑一个流量,有一种不可压缩的流体稳定流动 (即其流动速度不随时间而变化),其速度场由

v⃗(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))\vec v(x,y,z)=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))

给出,然后将 Σ\Sigma 分为n小块 ΔSi\Delta S_i,在 Σ\Sigma 光滑且 v⃗\vec v 连续的情况下,只要 ΔSi\Delta S_i 极小,我们就可以用其上任意一点处的流速代表其整体的流速,其上有法向量 n⃗\vec n,那么在单位时间内流过这一闭区域的流量

ΔΦi=ΔSiv⃗i⋅n⃗i\Delta \Phi_i=\Delta S_i\vec v_i\cdot \vec n_i

这一流量具有正负,如果是负数就说明流向与 n⃗\vec n 不处于同一侧,仅此而已

那么总流量

Φ=∑i=1nΔΦi=∑i=1nv⃗(ξi,ηi,ζi)n⃗iΔSi\Phi = \sum_{i=1}^n \Delta \Phi_i=\sum_{i=1}^n\vec v(\xi_i,\eta_i,\zeta_i)\vec n_i\Delta S_i

将其记作

∬Σv⃗⋅n⃗dS\iint_\Sigma \vec v\cdot \vec ndS

其中 n⃗=(cos⁡α,cos⁡β,cos⁡γ)\vec n = (\cos\alpha,\cos\beta, \cos\gamma),则 v⃗⋅n⃗=Pcos⁡α+Qcos⁡β+Rcos⁡γ\vec v \cdot \vec n=P\cos\alpha +Q\cos\beta +R\cos\gamma,

我们再考虑之前的投影,由于曲面选取的极小,那么其在面上的投影就可以表示为

dydz=dScos⁡α,投影到yOz面dzdx=dScos⁡β,投影到zOx面dxdy=dScos⁡γ,投影到xOy面\begin {aligned} dydz=dS\cos\alpha,投影到yOz面\\ dzdx=dS\cos\beta,投影到zOx面\\ dxdy=dS\cos\gamma,投影到xOy面 \end {aligned}

在这里要注意积分次序是不能变化的,因为其有向,

然后我们就得到了第二类曲面积分的表达

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

如果 Σ\Sigma 分片光滑,我们认为在其上的第二类曲面积分等于在各片光滑曲面上的第二类曲面积分之和

∬ΣPdydz+Qdzdx+Rdxdy=∬Σ1Pdydz+Qdzdx+Rdxdy+∬Σ2Pdydz+Qdzdx+Rdxdy\iint_\Sigma Pdydz+Qdzdx+Rdxdy=\iint_{\Sigma_1} Pdydz+Qdzdx+Rdxdy +\iint_{\Sigma_2} Pdydz+Qdzdx+Rdxdy

计算对坐标的曲面积分#

我们单独求解其中的每一项,然后就是

∬ΣR(x,y,z)dxdy=1∬DxyR(x,y,z(x,y))dxdy\iint_\Sigma R(x,y,z)dxdy=\mathbb{1}\iint_{D_{xy}}R(x,y,z(x,y))dxdy1={1,取上侧,即cos⁡γ>0−1,取下侧,即cos⁡γ<00,cos⁡γ=0\mathbb{1}=\begin {cases} 1,取上侧,即\cos\gamma >0\\ -1,取下侧,即\cos\gamma <0\\ 0,\cos\gamma = 0 \end {cases}

对于其他面做同样的处理即可,其中每个余弦向量值大于0的时候,也就是取右侧,取正侧对应的投影是正投影,反之为反投影

实际上我们用第一类曲面积分来计算出了第二类曲面积分,这也是两类曲面积分之间的关系

为了减少混淆,我们还可以使用另一种方法,把第二类曲面积分强行拆成三个二重积分在很多时候是非常糟糕的,于是我们运用一种向量面积微元法,直接将第二类曲面积分转化为一个平面上的二重积分

首先我们把单位法向量 n⃗\vec{n} 和 标量面积微元 dSdS 绑在一起,定义一个向量面积微元 dS⃗=n⃗dSd\vec{S} = \vec{n} dS**。

如果曲面的方程写为 z=z(x,y)z = z(x,y) ,此时我们选用在xOy面上的投影,那么法向量为 (−zx,−zy,1)( -z_x, -z_y, 1 ) (指向上侧) 或 (zx,zy,−1)( z_x, z_y, -1 ) (指向下侧),第一类面积微元 dS=1+zx2+zy2 dxdydS = \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2} \, dxdy, 单位法向量 n⃗=±(−zx,−zy,1)1+zx2+zy2\vec{n} = \frac{\pm(-z_x, -z_y, 1)}{\sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}}

代入 dS⃗=n⃗dSd\vec{S} = \vec{n} dS ,得到

dS⃗=±(−zx,−zy,1) dxdy d\vec{S} = \pm (-z_x, -z_y, 1) \, dxdy

应当注意,我们最终是对法向量做出要求,不论曲面函数有何种形式,我们保证的只有被投影压缩掉的那一个坐标对应的值为1(相对那一坐标的外侧)或-1(相对那一坐标的内侧)

这时候将这一式子代回到

∬Σv⃗⋅n⃗dS=∬Σv⃗⋅dS⃗=∬Dxy±v⃗⋅(−zx,−zy,1)dxdy\iint_\Sigma \vec v\cdot\vec ndS=\iint_\Sigma \vec v\cdot d\vec S=\iint_{D_{xy}}\pm\vec v\cdot(-z_x,-z_y,1)dxdy

我们就将第二类曲面积分转换为了一个二重积分,用计算二重积分的方法即可

如果不往 xOyxOy 面投影,而是往 yOzyOz 面投影即 x=f(y,z)x=f(y,z),则以此类推,通过看 xx 分量的正负来决定取 (1,−xy,−xz)(1, -x_y, -x_z) 还是 (−1,xy,xz)(-1, x_y, x_z),zOxzOx 面同理

两类曲面积分的关系#

这种关系也就是

∬ΣA⋅dS⃗=∬ΣA⋅n⃗dS\iint_\Sigma A\cdot d\vec S=\iint_\Sigma A\cdot \vec n dS
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微积分下 23 -对坐标的曲面积分
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作者
两只鸽子
发布于
2026-08-13
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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