Part 8 曲面積分

2022-04-19 19:11:06 字數 3977 閱讀 7849

直徑趨於零則面積一定趨於零

但面積趨於零,有可能出現長條的情況,不滿足密度近似均勻和形體近似平面

(割極細,以至於密度和形體在面元內部均)(,隨後求)(,在這種切分下整體呈現出穩定的極限值)

線性性質,分片光滑的可累加性

(重要)奇偶性

完全可以認為是第一類曲線積分的形式上的直接拓展。

\[\lim\limits_\sum_^f(x,y,z)\delta s_i\\=\lim\limits_\sum_^nf(x,y,g(x,y))\sqrt\,\mathrm d\sigma\\

=\iint\limits_df(x,y,g(x,y))\sqrt\,\mathrm d\sigma

\]最後一項是乙個二重積分。

不難看出線面積分之間的關係。我們只是將一次一元積分轉化成(二元的)二重積分

另外可以利用引數方程進行計算。(利用jacob式可得公式)

作變數代換:

\[\mathrm ds=\frac=\frac}\mathrm d\sigma=\sqrt\,\mathrm du\,\mathrm dv

\]其中\(a,b,c\)是\(\overrightarrow,\overrightarrow,\overrightarrow\)的係數,分別為\(\frac,\frac,\frac\)

方向余弦是在這個2to3對映空間中定義的,每個維度上都有一定的轉化尺度,用jacob式衡量。方向余弦的大小不僅有幾何意義,還可以反映某個轉化尺度的大小。

某個幾何面上的微元除以方向余弦,就可以表示成這個幾何面和s曲面的關係,我們還可以進一步利用這個幾何面和對映虛面上微元\(\mathrm du\,\mathrm dv\)的關係,可知這個大根式即可轉化為虛面上的。

簡要總結:s,xoz,xoy,yoz都是幾何面。我們需要利用jacob式衡量的,都與換元的轉換尺度有關。

返回起始點時法向量指向始終不變

轉化成僅有常數+幾何意義可解的問題是少見但有效的。

通常用座標法求解。代入轉化為二重積分。

一般轉化方法:\(\iint\limits_\sigma r(x,y,z)\,\mathrm dx\,\mathrm dy=\iint\limits_dr[x,y,z(x,y)]\,\mathrm dx\,\mathrm dy\)

公式總結如下

\[\iint\limits_s\overrightarrow\cdot\overrightarrow\,\mathrm ds\\

\iint\limits_dp\,\mathrm dy\,\mathrm dz+q\,\mathrm dz\,\mathrm dx+r\,\mathrm dx\,\mathrm dy\\

\pm\iint\limits_dp(-f_x)+q(-f_y)+r\,\mathrm d\sigma...(\,\mathrm dx\,\mathrm dy)

\\ \pm\iint\limits_d\overrightarrow(u,v)\frac\sqrt\,\mathrm du\,\mathrm dv

\]其中\(\left|r_u\times r_v\right|=\sqrt\)

這裡的\(r_u,r_v\),\(r\)是乙個二維\((u,v)\)對映到\((x,y,z)\)的三維曲面的兩個偏導數。分別都是乙個切向量。他們的叉乘方向與法向量相同。單位化之後即得\(\overrightarrow\)

\[\iint\limits_\sigma r(x,y,z)\,\mathrm dx\,\mathrm dy=\iint\limits_}r[x,y,z(x,y)]\,\mathrm dx\,\mathrm dy

\]從而二型曲面積分可以有如下的轉化:

\[\iint\limits_\sigma\overrightarrow\cdot\mathrm d\overrightarrow=\iint\limits_\sigma \overrightarrow\cdot\overrightarrow\,\mathrm ds\\=\iint\limits_\sigma(p\cos\alpha+q\cos\beta+r\cos\gamma)\,\mathrm ds\\=\iint\limits_d p\,\mathrm dy\,\mathrm dz+q\,\mathrm dz\,\mathrm dx+r\,\mathrm dx\,\mathrm dy

\]二型曲面積分可以通過投影的方式轉化成三個一型面相加。

經過方向余弦代入,我們的結論也可以寫成:

\[\iint\limits_\sigma(p\cos\alpha+q\cos\beta+r\cos\gamma)\\

=\iint\limits_d\left(p(-f_x)+q(-f_y)+r\,\right)\mathrm dx\,\mathrm dy

\]這個統一區域的形式,看起來會好用很多!

幾何意義其實不用考慮過多,在某些程度上說,這是乙個由於偏導數連續引起的代數結果。幾何意義可可以理解成是法向量的朝向的轉換。

這樣我們就建立了一二型麵之間的關係

建立二型面和三重積分的關係

物理意義:散度(由於法向量朝外從而對應-q)

《整個曲面的散度之和叫做通量,對比gauss定理的一般形式和積分形式》

n-l公式(0d-1d)

\[\int_a^bf(x)\,\mathrm dx=f(x)\big|_a^b

\]平面場散度(1d-2d)

\[\oint\limits_\overrightarrow\cdot\overrightarrow\,\mathrm d\ell=\iint\limits_d\left(\frac+\frac\right)\,\mathrm dx\,\mathrm dy

\]gauss公式(2d-3d)(這裡不支援二重閉面積分)

\[\iint\limits_(p,q,r)\cdot\overrightarrow\,\mathrm ds=\iiint\limits_\omega\left(\frac+\frac+\frac\right)\,\mathrm dv

\]其實green公式和stokes公式也可以有類似的觀點。

是green公式的高維形式。

\[\oint\limits_p\,\mathrm dx+q\,\mathrm dy+r\,\mathrm dz=\iint\limits_\left(\frac-\frac\right)\,\mathrm dy\,\mathrm dz+\left(\frac-\frac

\right)\,\mathrm dz\,\mathrm dx+\left(\frac-\frac\right)\,\mathrm dx\,\mathrm dy

\]輪換,借助三階行列式記憶。證明見北大p116,d124

從普通的微分和全微分——到

外微分-恰當微分

\[\int_\omega=\int_\omega\,\mathrm d\omega

\]\[\mathrm d \omega(\overrightarrow)=\sum_^n\sum_^n\fracx_i

\]切線是弦線的極限。

\[\left(\frac,\frac, \frac\right)=(x',y',z')\xlongequal(\mathrm dx,\mathrm dy,\mathrm dz)

\]切線方程利用點向式表示。

隨後,法平面可以利用點法式寫出(切線是這個平面的法線)

對原函式\(f(x, y,z)\)全微分,可以得到\((f_x,f_y,f_z)\cdot(\mathrm dx,\mathrm dy,\mathrm dz)=0\),第二個向量是任意切向量。從而可以得到平面的法向量為\((f'_x, f'_y, f'_z)\)。

然後利用點法式方程可以寫出切平面\(f'_x(x-x_0)+f'_y(y-y_0)+f'_z(z-z_0)\)

對於過原點的圓,是\((-\frac, \frac)\)

對於雙扭線是\((-\frac,\frac)\)

對於包含原點的封閉圖形是\((0, 2\pi)\)

要注意幾重之間的制約關係

九章曲線積分與曲面積分

2 第一型曲面積分 對面積的曲面積分 3 第二型曲線積分 對座標的曲線積分 4 格林公式及其應用 定理4.1 格林公式 二重積分和曲線積分 5 第二型曲面積分 對座標的曲面積分 6 高斯公式和斯托克斯公式 7 場論初步 規定 將格林公式中的有向閉曲線圍成的乙個平面閉區域 此時流體流過圍成空間閉區域曲...

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