例谈第二型曲面积分的计算

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  摘要:曲面积分是多元函数积分学的重要组成部分,也是高等数学课程教学中的难点,本文从题目条件分析入手,例谈第二型曲面积分常用的四种计算方法.
  关键词:曲面积分;计算方法;二重积分
  第二型曲面积分有对坐标 、对坐标 、对坐标 三种,通常记为组合形式:
  当第二型曲面积分的速度矢量为磁场强度时,则该积分为磁通量,有着显著的物理意义。作为积分学的重要组成部分,计算方法多种多样,但较其他类型积分而言计算过程更加繁琐、复杂,不同的计算方法适用的情景有所不同,学习时值得我们去归纳、总结和发现。
  1.平面投影法
  在眾多计算第二型曲面积分的方法中,平面投影法是最为基础的方法,这也是同济第七版高等数学教材给出的主要计算方法.
  以计算对坐标 的曲面积分 为例:若有向曲面 能写成显函数方程 ,则把有向曲面 往 面进行投影,得到投影区域 ,投影的正负由曲面的法向量方向与z轴正向夹角余弦正负决定(上侧取正,下侧取负),再将 代入被积函数中,这样就把第二型曲面积分转化为投影区域 上的二重积分。
  分析:这是计算对坐标 的曲面积分. 由四块面所围成,其中在yoz面和xoz面的部分由于在xoy面上投影为0,积分为0;在xoy面上部分对应方程 代入被积函数,积分亦为0.平面 改写成显函数: ,在 面上投影为直角三角形区域,所以考虑用平面投影法直接转化为二重积分来计算.
  分析:若直接计算,整个过程需要计算18个积分,计算量比较大.但因曲面 是分片光滑的闭合曲面, 是由曲面 所围成的正方体,由于函数 连同其一阶偏导数在区域 上连续,因此可考虑用高斯公式来计算,大大的减少计算量.
  注意:若曲面不闭合,而其他条件满足,则考虑添加辅助面,再使用高斯公式。
  3.转化为第一型曲面积分法
  若有向曲面 上任一点的法向量为 ,由两类曲面积分之间的关系有:
  例3:计算
  为平面 1在第Ⅳ象限的上侧,其中 为 上的连续函数.
  分析:由于没有给出函数 的表达式,原曲面积分无法使用平面投影法直接转化为二重积分来计算;又因 一阶连续偏导数可能不存在,所以也不能运用高斯公式,因此可考虑转化为第一型曲面积分来计算.
  4.对称法
  分析:三个积分的形式完全对称,由轮换对称性,故只需计算其中之一.
  参考文献:
  [1]同济大学数学系.高等数学第七版[M].高等教育出版社.2014
  [2]景慧丽,张辉.第二类曲面积分的计算方法[J].高等数学研究.2011
  [3]王晓晨.两类曲面积分计算方法的研究[J].现代经济信息.2017
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