对面积的曲面积分

1 对面积的曲面积分的定义
设曲面是光滑的(所谓曲面光滑可以理解为该曲面各点处都具有切平面,且当点在曲面上连续移动时,切平面也连续转动),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)。设上任意取定的一点,做乘积,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,就称这此极限为在曲面上的 对面积的曲面积分 (Surface integral of f over the surface Σ with respect to surface area)或 第一类曲面积分 (First form surface integral):

其中称为 被积函数 称为 积分曲面

通过举例来说明一下上述定义,如下图所示,空间坐标系内一光滑曲面,曲面上某点对应的函数值为

任意分成个小曲面,其中第个小曲面记作,如下图所示,同时也代表第个小曲面的面积。

观察以及其上一点,该点对应的函数值,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:

上述积分是在曲面上进行的,又其中的是面积,所以该积分称为在曲面上的对面积的曲面积分。的意义不同则的意义也不同,比如如果为曲面的面密度时,那么曲面的质量就为:

2 对面积的曲面积分的性质
设积分曲面可分为两段光滑曲面,则:

上述定理类似于中对积分区域的拆分,可参考,就不再证明和解释。

3 对面积的曲面积分的计算法

由函数给出,该函数具有一阶连续偏导数,这说明是一光滑曲面。设面上的投影为,如下图所示,其上定义有连续函数

任意分成个小曲面,其第个小曲面面上的投影为,如下图所示,同时也代表该投影的面积。

根据之前学习过的可知:

根据,在投影上存在点,使得上式可以改写为:

上任取一点,该点在面的投影必然落在上,如下图所示。

根据上图,结合上是函数曲面的一部分,所以点可以改写为,所以该点对应的函数值为,如下图所示。

综上,所以对面积的曲面积分的定义中提到的此时可改写如下:

由于函数以及函数都在,可以证明,当时,上式等号右侧的极限与下式的极限相等:

并且这个极限在本节所给条件下是存在的,因此的极限也是存在的,根据对面积的曲面积分的定义以及,所以:

上式就是由函数的计算法,从记忆的角度来说,就是将替换为曲面对应的函数,以及将替换为曲面,即:

如果曲面由函数给出时,或者由函数给出时,也可以类似地去计算,这里就不再赘述了。

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