第二型曲面積分

第二型曲面積分

第二型曲面積分是關於在坐標面投影的曲面積分,其物理背景是流量的計算問題。第二型曲線積分與積分路徑有關,第二型曲面積分同樣依賴於曲面的取向,第二型曲面積分與曲面的側有關,如果改變曲面的側(即法向量從指向某一側改變為指另一側),顯然曲面積分要改變符號,注意在上述記號中未指明哪側,必須另外指出,第二型曲面積分有類似於第二型曲線積分的一些性質。

物理意義

第二型曲面積分 第二型曲面積分

第二型曲面積分的物理背景是流量的計算問題。設某流體的流速為 v=((P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))從某雙側曲面S的一側流向另一側,求單位時間內流經該曲面的流量。由於是有向曲面,設它的單位法向量為 n=(coα,cosβ,cosγ),取曲面面積微元dS,則所求的單位時間內流量微元就是dE=( v· n)dS,若記有向曲面向量微元為d S= ndS,則dE= v·d S,那么,所求的通過整個曲面S的流量為,若記

第二型曲面積分 第二型曲面積分

則流量用分量表示為

第二型曲面積分 第二型曲面積分

或者

第二型曲面積分 第二型曲面積分

這種類型的積分稱為 第二型曲面積分 。P(x,y,z)稱為被積函式,S稱為積分曲面。

第二型曲面積分的計算

轉化為二重積分,必須注意兩個問題:

(1)將曲面S向相應的坐標平面投影,求得二重積分的積分區域。

(2)根據曲面的側(即法向量的方向)確定二重積分的符號。

第二型曲面積分 第二型曲面積分

根據積分表達式,確定投影平面,如要計算P(x,y,z)dydz,必須將S向yz平面投影,求

第二型曲面積分 第二型曲面積分
第二型曲面積分 第二型曲面積分

得二重積分的積分區域D,此時P(x,y,z)dydz=±P(x(y,z),y,z)dydz,其中曲面S:x=x(y,x),(y,z)∈D,二重積分的符號取決於法向量與x正向的夾角,為銳角時取正號,鈍角時取負號,簡記為前正、後負 。

同理

第二型曲面積分 第二型曲面積分
第二型曲面積分 第二型曲面積分

Q(x,y,z)dzdx=±Q(x,y(z,x),z)dzdx,(符號:右正,左負)

第二型曲面積分 第二型曲面積分
第二型曲面積分 第二型曲面積分

R(x,y,z)dxdy=±P(x,y,z(x,y))dxdy,(符號:上正,下負)

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