理论教育 高斯公式用于曲面积分的快捷计算方法

高斯公式用于曲面积分的快捷计算方法

时间:2023-10-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:设空间闭区域Ω由光滑或分块光滑的闭曲面Σ围成,函数P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z)具有连续的偏导数,则关于坐标的曲面积分,往往可用高斯公式作快捷计算.注 (ⅰ)如果S不是闭曲面,则计算时,可以适当添上一块曲面S0,使得S+S0构成闭曲面(不妨设其为外侧),于是可如下那样应用高斯公式计算其中Ω1是由S+S0围成的空间闭区域.(ⅱ)当,,在空间有界闭区域Ω内有不连续点(x0,y0,

高斯公式用于曲面积分的快捷计算方法

设空间闭区域Ω由光滑或分块光滑的闭曲面Σ围成,函数Pxyz),Qxyz),Rxyz)具有连续的偏导数,则

关于坐标的曲面积分,往往可用高斯公式作快捷计算.

注 (ⅰ)如果S不是闭曲面,则计算978-7-111-49525-3-Part03-303.jpg时,可以适当添上一块曲面S0,使得S+S0构成闭曲面(不妨设其为外侧),于是可如下那样应用高斯公式计算978-7-111-49525-3-Part03-304.jpg其中Ω1是由S+S0围成的空间闭区域.

(ⅱ)当978-7-111-49525-3-Part03-305.jpg978-7-111-49525-3-Part03-306.jpg978-7-111-49525-3-Part03-307.jpg在空间有界闭区域Ω内有不连续点(x0y0z0)时,则计算978-7-111-49525-3-Part03-308.jpg978-7-111-49525-3-Part03-309.jpg(其中ΣΩ的边界的外侧闭曲面)时,可以作一位于Ω内部的、包围点(x0y0z0)的闭曲面Σ0(方向为内侧),于是

其中,Ω2是由Σ+Σ0围成的空间闭区域.

例6.3 计算曲面积分978-7-111-49525-3-Part03-311.jpg,其中Σ是由曲线L978-7-111-49525-3-Part03-312.jpg,绕z轴旋转一周而成的旋转曲面与平面z=-1,z=1围成的空间闭区域Ω的边界曲面外侧.

精解 旋转曲面方程为x2+y2-z2=1,所以

Ω={(xyz)(xy)∈Dz-1≤z≤1},其中DzΩ的竖坐标为z的截面在xOy平面上的投影,即

Dz={(xyx2+y2z2+1},于是978-7-111-49525-3-Part03-313.jpg

例6.4 求下列曲面积分:(www.daowen.com)

(1)978-7-111-49525-3-Part03-314.jpg,其中Σ是曲面z=1-x2-y2z≥0)的上侧;

(2)978-7-111-49525-3-Part03-315.jpg,其中Σ是曲面2x2+2y2+z2=4的外侧.

精解 (1)记xOy平面的位于Σ之内的部分(方向为下侧)为Σ0,则

其中978-7-111-49525-3-Part03-317.jpg978-7-111-49525-3-Part03-318.jpg

将式(2)、式(3)代入式(1)得

(2)由于 978-7-111-49525-3-Part03-320.jpg有不连续点(0,0,0)∈ΩΩ是由Σ围成的空间),所以作Σεx2+y2+z2=ε2,其中,ε是充分小的正数,使得内侧曲面Σε位于Ω内部.于是

其中,978-7-111-49525-3-Part03-322.jpg

将式(5)、式(6)代入式(4)得

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