对坐标的曲面积分

1 有向曲面的积分的定义
设曲面是光滑的有向曲面,向量函数的各个分量函数在上有界。把任意分成个小曲面,其中第个小曲面记作同时也代表第个小曲面的面积)。设上任意取定的一点,为曲面点处的单位法向量,作乘积,并作和:

如果当各小曲面的直径的最大值时,这和的极限总是存在,且与曲面的分法及点的取法无关,就称这此极限为向量函数在有向曲面上的积分,也称为 第二类曲面积分 (First form surface integral):

也可令,则上述积分可以改写如下:

举例说明一下上述定义,已知某光滑的有向曲面位于某向量场中,也就是说该曲面上的每个点都是可定向的,且该曲面上的点对应向量函数,如下图所示。

任意分成个小曲面,观察其中第个小曲面,这也是可定向的有向小曲面,如下图所示。

在有向小曲面上任取一点,曲面点有单位法向量,以及对应的向量,如下图所示,据此可作乘积

将这个小曲面对应的乘积累加起来的结果是,当曲面被划分的越来越细时,也就是时,若该黎曼和的极限存在就得到了如下积分:

2 两类曲面积分的关系

在上述定义中其实已经说清楚了和第二类曲面积分的关系了,即:

上式左侧可以解读为在曲面上的积分,而右侧可以解读为在有向曲面上的积分,即:

3 有向曲面的积分的计算法

根据上述的和第二类曲面积分的关系,如果要计算,转为后再计算即可。

4 有向曲面的积分的性质
由有向曲面的积分的定义可知,它有以下性质:
  • 齐次性与可加性:设为常数,则:

  • 积分区间的拆分:若有向曲面可分为两段有向曲线弧,则:

  • 反向积分:设是有向曲面,的反向曲面,则:

这里举例解释一下上述定理中的 反向曲面 ,比如下图左侧中的是有向曲面,那么下图右侧就是的反向曲面,也就是选择了相反的法向量进行定向。

有向曲面

反向曲面

5 对坐标的曲面积分
设曲面是光滑的有向曲面,函数上有界。把任意分成个小曲面,其中第个小曲面记作同时也代表第个小曲面的面积),面上的投影为上任意取定的一点,作乘积,并作和:

如果当各小曲面的直径的最大值时,这和的极限总是存在,且与曲面的分法及点的取法无关,就称这此极限为函数在有向曲面(Surface integral of R over the oriented surface Σ with respect to x,y):

类似地可以定义函数在有向曲面,以及函数在有向曲面

其中称为 被积函数 称为 积分曲面 。以上三个曲面积分也称为 第二类曲面积分 (Second form surface integral)。

上述定义看起来和之前给出的有向曲面的积分的定义天差地别,实际上两者是完全等价的,这里通过举例来说明一下。

5.1 以及的定义

先解释一下上述定义中提到的的投影,这是之前没有出现过的概念。把曲面任意分成个小曲面,观察第个有向小曲面及其在面的投影,如下图所示。

定向,因为投影面上的平面,所以定其方向为,如下图所示,

上各点处的方向向量为,若的点积都有着相同的符号(对于光滑有向曲面而言,划分的足够小时总能做到这一点),则规定为:

类似于,还可以规定以及,这里通过列表总结如下,

讲清楚了以及的定义后,让我们接着理解上述定义。

5.2 用有向切平面来近似

之前介绍有向曲面的积分的定义时提到过,需要把任意分成个小曲面,然后在第个小曲面任取一点,也就是下图中的红点,再作出曲面点有单位法向量,以及对应的向量,最后据此作乘积

根据微积分一贯的思想,可用点的切平面来近似小曲面,如下图所示。

也就是说有下面的约等式成立:

5.3 计算有向切平面

可以把看作一个向量,这就是之前在“”小节介绍过的可用来代表空间平面的向量,如下图所示,其方向为切平面的方向,其长度为切平面的面积。

引入是为了计算上的方便,具体来说就是,设切平面面上的投影(之前说面上的投影为,这是约等于面上的投影的,因为后面还会还有取极限操作,所以这里可认为面上的投影就是了),其方向为;在面上的投影为,其方向为;在面上的投影为,其方向为,如下图所示。

根据在“”介绍过的的计算法可知,是由组成的,只是这三项前面的系数可能为或者是,也就是说可能有:

也可能有:

还有很多别的情况。那么这三项前面的系数应该怎么确定呢?判定方法是这样的,

结合上之前对以及的定义,所以有:

知道的点积后,就可将上式展开为由组成的式子。

5.4 得出计算结果

设向量场,则有:

从而有:

结合上有向曲面积分的定义,可得:

在这里定义下列积分:

那么当上述积分都存在时,则有:

上式又常常改写如下:

所以本节给出的“第二类曲面积分”的定义,或者说“对坐标的曲面积分”的定义,可以看作是对之前给出的有向曲面的积分的定义的改写,或者说给出了有向曲面的积分的各个分量的定义。

6 对坐标的曲面积分的计算法

设有向光滑曲面是函数曲面的上侧,其在面上的投影为,其上定义有连续函数,如下图所示。

因为的上侧,所以各个点的方向向量的点积都大于,根据对坐标的曲面积分中给出的的定义,所以此时有,结合上,从而对坐标的曲面积分就可以如下转为

如果是函数曲面的下侧,如下图所示。

因为的下侧,所以各个点的方向向量的点积都小于,根据对坐标的曲面积分中给出的的定义,所以此时有,结合上,从而对坐标的曲面积分就可以如下转为

其余的以及以此类推,这里不再赘述。

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