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第八章 节 曲线积分与曲面积分4-7.ppt
而曲顶柱体的体积(用柱坐标) o x y z z = 1 由Gauss 公式得 或用截面法 o x y z z = 1 例2 应用高斯公式计算下列曲面积分: (1) 其中S是单位球面 的外侧; (2) 其中S是立方体 表面的外侧; (3) 其中S是锥面 与平面z=h(0)所围的空间区域的表面, 方向取外侧. (4) 其中S是单位球面 的外侧. (5) 其中S是上半球面 的外侧. (1) 其中S是单位球面 的外侧; 解: 设 的区域为V, 由高斯公式, 得 =0 (2) 其中S是立方体 表面的外侧; 解: 设S围成的区域为V, 由高斯公式, 得 (3) 其中S是锥面 与平面z=h(0)所围的空间区域的表面, 方向取外侧. 解: 设S围成的区域为V, 由高斯公式, 得 在柱坐标变换下,V可表为: 解 空间曲面在 面上的投影域为 曲面?不是封闭曲面, 为利用高斯公式 故所求积分为 (4) 其中S是单位球面 的外侧. 解: 设S围成的区域为V, 由高斯公式, 得 (在球坐标变换下) (5) 其中S是上半球面 的外侧. (5) 其中S是上半球面 的外侧. 解: 设S1是由 与z=0所围成的区域V的表面,方向取外侧 由高斯公式,得 而沿S2:z=0的第二型曲面积分 所以 例3. 利用高斯公式计算 其中V是由 所确定的区域. 分析:高斯公式 可化为关于 的第二型曲面积分。 由于曲面 都与xy平面垂直, 故将其 转化为关于xy的第二型曲面积分比较简单. 例3. 利用高斯公式计算 其中V是由 所确定的区域. 解: 由于曲面 都与xy平面垂直, 故可将 转化为关于xy的第二型曲面积分. 设 可取 故R沿V表面S外侧的第二型曲面积分为 例1 解 利用柱面坐标 例3 (Green 第一公式) 设函数 u ( x , y , z ) 和 v ( x , y , z ) 在闭区域 上具有一阶和二阶连续偏导数,证明 证 在Gauss 公式中 令 移项即得Green 第一公式 例4 证 由Green 第一公式 (Green 第二公式) 两式相减得证Green 第二公式 沿任意闭曲面的曲面积分为零的条件 对空间区域 G , 若 G 内任一闭曲面 所围成的区域全属于G ,则称G 为空间二维单连域 与沿任意闭曲线的曲线积分为零的问题相类似 有下述结论 沿G内任意闭曲面的曲面积分为零的充要条件是 在G内除点M0 (x0 , y 0, z0 ) 外连续, 称为奇点 则G内任意包含M0 的同侧闭曲面的曲面积分相等。 定理 设G 是空间二维单连域 ,P, Q ,R 在G内具有 连续的一阶偏导数,则曲面积分 2.斯托克斯(stokes)公式 前面所介绍的 Gauss 公式是 Green 公式的推广 下面我们 从另一个角度来推广Green 公式。 Green 公式表达了平面闭区域上的二重积分 与其边界曲线上的曲线积分之间的联系, stokes 公式则是把曲面上的曲面积分与沿曲面的边界曲线 上的曲线积分联系起来 2.斯托克斯公式 斯托克斯公式的证明: 思路 曲面积分 1 二重积分 2 曲线积分 斯托克斯公式的证明: 斯托克斯公式的证明: y z O C D L S x 斯托克斯公式的证明: y z O C D L S x 斯托克斯公式的证明: 所以 同理可证 y z O C D L S x Stokes公式的实质: 表达了有向曲面上的曲面积分与其边界曲线上的曲线积分之间的关系. 斯托克斯公式 格林公式 特殊情形 斯托克斯公式的行列式形式 简单的应用 解 按斯托克斯公式, 有 把对坐标的曲面积分化成二重积分 概括为: 代:将曲面的方程表示为二元显函数,然后代入 被积函数,将其化成二元函数 投:将积分曲面投影到与有向面积元素(如dxdy) 中两个变量同名的坐标面上(如xoy 面) 定号: 由曲面的方向,即曲面的侧确定二重积分 的正负号 一代、二投、三定号 注 积分曲面的方程必须表示为单值显函数 否则分片计算,结果相加。 ②确定正负号的原则: 曲面取上侧、前侧、右侧时为正 曲面取下侧、后侧、左侧时为负 例4 解: 解 例1 解 例1 例2 解: 例3 计算 平面 x = 0 , y = 0 , z = 0 , x + y + z = 1 所围成的 空间区域的整个边界曲面的外侧 o x y z 分成四个部分 左侧 下侧 后侧 上侧 解: 同理 o x y z o x y z 同理 1. 计算下列第二型曲面积分: 六个平面所围 的正立方体并取外侧为正向; 其中 是以原点为中心, 边长为
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