对坐标的曲面积分的例一

计算

其中是长方体整个表面的外侧,

根据题意作出有向曲面的图像,该曲面是长方体整个表面的外侧,如下图所示,其中还标出了在不同表面的方向。

是长方体表面的外侧

为了方便之后的计算,我们将有向曲面的分作以下六部分,

  • 的上侧,也就是长方体的上表面
  • 的下侧,也就是长方体的下表面
  • 的前侧,也就是长方体的前表面
  • 的后侧,也就是长方体的后表面
  • 的右侧,也就是长方体的右表面
  • 的左侧,也就是长方体的左表面

做好准备之后下面按照两种方法来解出此题。

        (1)通过来求解。本题要求的是,根据之前学习的,可得:

然后要求的积分可以转为,即:

下面来计算,方法是计算出在各个组成部分上的积分,然后再加起来。首先是长方体的上表面,因为的单位方向向量为,所以有:

因为对应的函数为,所以(下面的计算的就是的面积,也就是这个矩形的面积,其面积就是

然后是长方体的下表面,其单位方向向量为,所以:

因为对应的函数为,所以:

同样的,可以求出:

所以最终有:

        (2)通过来求解。还是计算出在各个组成部分上的积分,然后再加起来。首先是长方体的上表面,其单位方向向量为,所以:

面的投影、在面的投影、在面的投影分别为:

根据,所以有:

然后是长方体的下表面,其单位方向向量为,所以:

面的投影、在面的投影、在面的投影分别为:

根据,所以有:

同样的,可以求出:

所以最终有:

从上述例题中可以看到,通过来计算,或者通过来计算,得到的结果都是一样的。

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