第一型曲面积分
设S是空间中可求面积的曲面,f(x,y,z)是定义在S上的函数,对曲面S作分割T,它把S分割成Si(i=1,…,n),以ΔSi记小曲面块Si的面积,dSi记Si的直径,分割T的细度∥T∥=maxdSi,在Si上任取点(ξi,ηi,ζi),若极限
∥T∥→0limi=1∑nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi
存在且与取点的方式无关,则称此极限为f(x,y,z)在Si上的第一型曲面积分,记作
∬Sf(x,y,z)dS
取合适的坐标系,利用曲面方程把z化成以x,y表达的函数,就可以把第一型曲面积分化成二重积分
如果S由z=z(x,y)来表示,则利用曲面面积的求法,有
∬Sf(x,y,z)dS=∬Df(x,y,z(x,y))1+zx2+zy2dxdy
更一般地,我们设S上的每一个点r都可以通过两个参数来决定,即我们有r(s,t),其中(s,t)在 某个区域D内,那么
∬SfdS=∬Df(r(s,t))∂s∂r×∂t∂rdsdt
其中∥⋅∥表示欧式空间中的长度,这是因为这里的面元dS满足
dS=∥dls×dlt∥=∂s∂r(s,t)ds×∂t∂r(s,t)dt
第二型曲面积分
曲面的侧
设连通曲面S上到处都有连续变动的切平面(或法线),M为曲面S上的一点,曲面在M处的法线有两个方向:当取定其中的一个方向为正方向时,另一个就是负方向. 设M0为S上任一点,L是S上任一经过点M0,且不超出S边界的闭曲线. 又设M为动点,它在M0处与M0有相同的法线方向,且有如下特性:当M从M0出发沿L连续移动,这时作为曲面上的点M,它的法线方向也连续地变动. 最后当M沿L回到M0时,若这时M的法线方向仍然和M0的法线方向一致,则说该曲面S时双侧曲面,若和M0的法线方向相反,则说S是单侧曲面
单侧曲面的常见例子是Möbius带,而我们平时用z=z(x,y)表示的曲面基本都是双侧曲面,当以其法线正方向与z轴正向的夹角成锐角的一侧为正侧时,此时另一侧为负侧;当S为封闭曲面时,通常规定曲面的外侧为正侧,内侧为负侧
积分定义
定义了曲面的正侧和负侧后,我们就能给出法向量n^的方向,那么我们对于向量值函数f(x,y,z)就能类似地定义第二型曲面积分
∬Sf⋅n^dS=∬S(fxn^x+fyn^y+fzn^z)dS
写出分量后即可转换位第一型曲面积分来计算
我们有时候也把上面的式子写成
∬Sf⋅n^dS=∬S(fxn^x+fyn^y+fzn^z)dS=∬Sfxdydz+fydxdz+fzdxdy
设积分曲面可由方程F(x,y,z)=0来描述,则由隐函数定理,其上某点的法向量由隐函数z=z(x,y)确定
n=(zx(x0,y0),zy(x0,y0),−1) or n=(−zx(x0,y0),−zy(x0,y0),1)
根据不同的正负规定,可以得到
n^=±1+zx2+zy2zx,1+zx2+zy2zy,−1+zx2+zy21
或者我们采用更一般的形式,如果光滑曲面S可以由参量方程给出
S:⎩⎨⎧x=x(u,v)y=y(u,v)z=z(u,v)
则有对应的一个法向量
(∂(u,v)∂(y,z),∂(u,v)∂(z,x),∂(u,v)∂(x,y))
且它的大小恰好满足
∬Sfxdydz+fydzdx+fzdxdy=±[∬S′fx∂(u,v)∂(y,z)dudv+fy∂(u,v)∂(y,z)dudv+fz∂(u,v)∂(y,z)dudv]
这里的正负号取决于法向量(∂(u,v)∂(y,z),∂(u,v)∂(z,x),∂(u,v)∂(x,y))是否在正向一侧
相关定理
散度定理 Gauss's Divergence Theorem
旋度定理 Stokes' Curl Theorem