diff --git a/17曲线积分.tex b/17曲线积分.tex index 3cb6d1a..9ae424a 100644 --- a/17曲线积分.tex +++ b/17曲线积分.tex @@ -61,5 +61,5 @@ \begin{theorem}[Green定理] 设$\Omega \subset \realnum^2$时由有限条分段光滑的曲线围成的闭区域,如果函数$P(x, y)$和$Q(x, y)$在$\Omega$上连续并且有连续的偏导数,那么就有 - \[\int \limits_{\partial \Omega} P \dif x + Q \dif y = \iint \limits_\Omega \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)\dif x \dif y\] + \[\int \limits_{\partial \Omega} P \dif x + Q \dif y = \iint \limits_\Omega \left(\frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y}\right)\dif x \dif y\eqper\] \end{theorem} \ No newline at end of file diff --git a/18曲面积分.tex b/18曲面积分.tex new file mode 100644 index 0000000..7631b02 --- /dev/null +++ b/18曲面积分.tex @@ -0,0 +1,97 @@ +\chapter{曲面积分} +\section{曲面的面积} +\begin{definition} + 设正则曲面$\Sigma$有参数向量方程$\bvec{r} = \bvec{r}(u, v)$,$(u, v) \in \Delta$,我们成 + \[\sigma(\Sigma) = \iint \limits_{\Delta} \norm{\bvec{r}_u \times \bvec{r}_v} \dif u \dif v\] + 为曲面$\Sigma$的面积,并且记 + \[\dif \sigma = \norm{\bvec{r}_u \times \bvec{r}_v} \dif u \dif v\] + 称$\dif \sigma$为曲面的面积元素,简称面元。 +\end{definition} + +\section{第一型曲面积分} +\begin{definition} + 设$\Sigma$是一张可求面积的曲面片,$f$是定义在$\Sigma$上的函数,分割$\pi$把$\Sigma$分成若干更小的曲面片$S_1, S_2, \dots, S_n$。定义分割$\pi$的宽度为$\norm{\pi} = \max \{\diam S_i: i = 1, 2, \dots, n\}$在每一小片$S_i$任取一点$\bvec{p}_i$,如果和数 + \[\sum_{i = 1}^n f(\bvec{p}_i) \sigma(S_i)\] + 当$\norm{\pi} \to 0$时有有限的极限,并且其极限值不依赖点$\bvec{p}_i$在$S_i$上的选择,那么称这个极限值为函数$f$沿曲面$\Sigma$的第一型曲面,记作 + \[\int \limits_\Sigma f \dif \sigma\eqper\] +\end{definition} + +如果$\Sigma$是正则曲面,它的参数方程为 +\[\bvec{r} = \bvec{r}(u, v): \begin{cases} + x = x(u, v)\\ + y = y(u, v)\\ + z = z(u, v) +\end{cases} (u, v) \in \Delta\] +那么 +\[\int \limits_{\Sigma} f \dif \sigma = \iint \limits_\Delta f \circ \bvec{r} \norm{\bvec{r}_u \times \bvec{r}_v} \dif u \dif v\] +如果利用第一基本量 +\[A = \frac{\partial (y, z)}{\partial (u, v)}, B = \frac{\partial (z, x)}{\partial (u, v)}, C = \frac{\partial (x, y)}{\partial (u, v)}\] +那么还有 +\begin{align*} + \int \limits_\Sigma f \dif \sigma & = \iint \limits_{\Delta} f(x(u, v), y(u, v), z(u, v)) \sqrt{A^2 + B^2 + C^2} \dif u \dif v\\ + & = \iint \limits_\Delta f(x(u, v), y(u, v), z(u, v)) \sqrt{EG - F^2} \dif u \dif v\eqper +\end{align*} + +如果曲面$\Sigma$有方程$z = z(x, y), (x, y) \in \Delta$,其中$\Delta$为$S$在$xy$平面上的投影区域。那么 +\[\int \limits_\Sigma f \dif \sigma = \iint \limits_\Delta f(x, y, z(x, y)) \sqrt{1 + \left(\pdv{z}{x}\right)^2 + \left(\pdv{z}{y}\right)^2} \dif x \dif y\eqper\] + +\section{第二型曲面积分} +首先我们要引入定向曲面的概念。 + +任何正则曲面片都是可定向的。设 +\[\Sigma: \bvec{r} = \bvec{r}(u, v), (u, v) \in \Delta\] +是一块正则曲面片。在曲面$\Sigma$各处有确定的法向量。向量 +\[\pm \frac{\bvec{r}_u \times \bvec{r}_v}{\norm{\bvec{r}_u \times \bvec{r}_v}}\] +都是单位法向量。我们的可以指定其中的任何一个作为$\Sigma$的正方向。 + +当参数$(u, v)$在$\Delta$上连续变化时,这指定的单位法向量在$\Sigma$上也连续变化,不会突然转到相反的方向上去。我们约定把曲面$\Sigma$正法线指向的一侧叫做$\Sigma$的正侧,相反的那一侧叫做负侧。凡是能明确地区分正、负两侧的曲面,叫做双侧曲面。正则曲面一定是双侧曲面,因此我们说它是可定向的。 + +一旦一个曲面片的正向确定了,它的边界曲线也随之定了方向。规则是:当一个人站在正侧沿边界正向绕行时,曲面片的内部应在人的左手边,只有在曲面的定向雨它的边界曲线的定向符合这一规则时,称它们的定向是协调的。 + +\begin{definition} + 设区域$D \subset \realnum^3$,$\bvec{F}: D \to \realnum^3$是$D$上的连续向量场。设$\Sigma \subset D$是一张有面积且可定向的曲面片。$\bvec{n}(x, y, z)$是曲面的正向单位法向量。再定义有向面积微元 + \[\dif \bvec{S} = \bvec{n} \dif S\] + 那么称积分 + \[\iint \limits_{\Sigma} \bvec{F}(x, y, z) \cdot \bvec{n}(x, y, z) \dif \sigma = \int \limits_\Sigma \bvec{F} \cdot \dif \bvec{\sigma}\] + 为$\bvec{F}$在有向曲面$\Sigma$上的第二型曲面积分。 +\end{definition} + +第二型曲面积分还有其它的表达方式。设$\bvec{F} = (P, Q, R)$,正法向量 +\[\bvec{n} = (\cos \alpha, \cos \beta, \cos \gamma)\] +其中$\alpha, \beta, \gamma$分别是$\bvec{n}$与$x$轴,$y$轴,$z$轴的正向的夹角。那么 +\[\iint \limits_{\Sigma} \bvec{F}(x, y, z) \cdot \bvec{n}(x, y, z) \dif \sigma = \int \limits_{\Sigma} (P\cos \alpha + Q\cos \beta + Z \cos \gamma) \dif \sigma\] +再记 +\begin{align*} + \dif y \wedge \dif z = \cos \alpha \dif \sigma\\ + \dif z \wedge \dif x = \cos \beta \dif \sigma\\ + \dif x \wedge \dif y = \cos \gamma \dif \sigma +\end{align*} +那么上式可以改写为 +\[\iint \limits_\Sigma P \dif y \wedge \dif z + Q \dif z \wedge \dif x + R \dif x \wedge \dif y\] + +考察正则曲面$\Sigma$: +\[\bvec{r} = \bvec{r}(u, v): \begin{cases} + x = x(u, v)\\ + y = y(u, v)\\ + z = z(u, v) +\end{cases}, (u, v) \in \Delta\] +这时,曲面$\Sigma$的单位法向量是 +\[\bvec{n} = \pm \frac{A\bvec{i} + B \bvec{j} + C \bvec{k}}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}\] +选择正负号应使得$n$的方向与预先指定的正方向一致。我们已经有 +\[\dif \sigma = \sqrt{A^2 + B^2 + C^2} \dif u \dif v\] +因此 +\[\dif \bvec{\sigma} = \pm \left(A\bvec{i} + B \bvec{j} + C \bvec{k}\right) \dif u \dif v\] +于是 +\begin{align*} + \iint \limits_\Sigma \bvec{F} \cdot \dif \bvec{\sigma} & = \pm \iint \limits_\Delta \left(P\circ \bvec{r} A + Q\circ \bvec{r} B + R\circ \bvec{r} C\right)\dif u \dif v\\ + & = \pm \iint \limits_\Delta \left(P(\bvec{r}(u, v)) \frac{\partial (y, z)}{\partial u, v} + Q(\bvec{r}(u, v)) \frac{\partial (z, x)}{\partial (u, v)} + R(\bvec{r}(u, v)) \frac{\partial (x, y)}{\partial (u, v)}\right) \dif u \dif v\\ + & = \pm \iint \limits_\Delta \begin{vmatrix} + P \circ \bvec{r} & Q \circ \bvec{r} & R \circ \bvec{r}\\[1ex] + \dfrac{\partial x}{\partial u} & \dfrac{\partial y}{\partial u} & \dfrac{\partial z}{\partial u}\\[1em] + \dfrac{\partial x}{\partial v} & \dfrac{\partial y}{\partial v} & \dfrac{\partial z}{\partial v}\\[1ex] + \end{vmatrix} + \dif u \dif v\eqper +\end{align*} + +如果曲面$\Sigma$有显示表达$z = f(x, y), (x, y) \in D$,那么 +\[\iint \limits_\Sigma \bvec{F} \cdot \dif \bvec{\sigma} = \pm \iint \limits_{D} \left(-P \pdv{f}{x} - Q \pdv{f}{y} + R\right) \dif x \dif y\eqper\] \ No newline at end of file diff --git a/高等微积分.tex b/高等微积分.tex index 9e07e23..c26e968 100644 --- a/高等微积分.tex +++ b/高等微积分.tex @@ -106,4 +106,5 @@ \include{15曲面的表示与逼近.tex} \include{16多重积分.tex} \include{17曲线积分.tex} + \include{18曲面积分.tex} \end{document} \ No newline at end of file