Surface Integral
空间曲面的两类积分
一、第一类曲面积分(对面积的曲面积分)
曲面的质量,标量场积分
基本定义
Σ∬f(x,y,z)dS=λ→0limi=1∑nf(ξi,ηi,ζi)ΔSi
实际计算
\iint \limits_{\Sigma}f(x,y,z)dS=\iint \limits_{D_{xy}}f[x,y,z(x,y)]\sqrt{ 1+z_{x}^{2}(x,y)+z_{y}^{2}(x,y) }\;\mathrm{d}x\mathrm{d}y
\end{align}$$
实际计算时化为[[二重积分\|二重积分]]进行计算
1. 换域:朝自变量所在趋于进行投影(积分区域变为 $D_{xy}$)
2. 换元:$z \to z(x,y)$
3. 换[[空间曲面#三、曲面的面积\|面积元素]]:$dS \to \sqrt{ 1+z_{x}^{2}(x,y)+z_{y}^{2}(x,y) }\;\mathrm{d}x\mathrm{d}y$
注意投影选择不同,积分元素和积分变量的代换也不同
$D_{xy}\quad z(x,y)\quad \sqrt{ 1+(\dfrac{\partial z}{\partial x})^{2}+(\dfrac{\partial z}{\partial y})^{2} }\;\mathrm{d}x\mathrm{d}y$
$D_{yz}\quad x(y,z)\quad \sqrt{ 1+(\dfrac{\partial x}{\partial y})^{2}+(\dfrac{\partial x}{\partial z})^{2} }\;\mathrm{d}y\mathrm{d}z$
$D_{xz}\quad y(x,z)\quad \sqrt{ 1+(\dfrac{\partial y}{\partial x})^{2}+(\dfrac{\partial y}{\partial z})^{2} }\;\mathrm{d}x\mathrm{d}z$
### 二、第二类曲面积分(对坐标的曲面积分)
>流向曲面一侧的流量,**向量场的通量积分**
#### 基本定义
曲面的方向:对于双侧曲面,可以通过曲面上的法向量的指向定义曲面的侧,指定方向的曲面称为有向曲面。对于有向曲面,取一小块 $\Delta S$ ,将其投影到 $xOy$ 平面上得到 $(\Delta \sigma)_{xy}$ 有:
$$(\Delta S)_{xy}=\begin{cases}
\;\;\;(\Delta \sigma)_{xy}\quad & \cos\gamma >0 \\
-(\Delta \sigma)_{xy}\quad & \cos\gamma <0 \\
\;\;\;\;\;\;0 & \cos\gamma \equiv 0
\end{cases}$$
$$\begin{align}
\iint \limits_{\Sigma}R(x,y,z)dxdy=\lim\limits_{ \lambda \to 0 } \sum\limits_{i=1}^{n}R(\xi_{i},\eta_{i},\zeta_{i})\Delta (S_{i})_{xy} \\
\iint \limits_{\Sigma}P(x,y,z)dydz=\lim\limits_{ \lambda \to 0 } \sum\limits_{i=1}^{n}P(\xi_{i},\eta_{i},\zeta_{i})\Delta (S_{i})_{yz} \\
\iint \limits_{\Sigma}Q(x,y,z)dxdz=\lim\limits_{ \lambda \to 0 } \sum\limits_{i=1}^{n}Q(\xi_{i},\eta_{i},\zeta_{i})\Delta (S_{i})_{xz}
\end{align}$$
$$\begin{align}
\varPhi =\iint \limits_{\Sigma} \mathbf{A}\cdot \mathrm{d}\mathbf{S}=\iint \limits_{\Sigma} P(x,y,z)dydz+\iint \limits_{\Sigma}Q(x,y,z)dxdz+\iint \limits_{\Sigma}R(x,y,z)dxdy
\end{align}$$
流量向量函数: $\mathbf{A}=(P(x,y,z),Q(x,y,z),R(x,y,z))$
有向曲面 $\Sigma$ 的单位法向量: $\mathbf{n}=(\cos \alpha,\cos \beta,\cos\gamma)$
有向曲面元:即为流体流向有向曲面同一侧的流量
$$\begin{cases}
\mathrm{d}S \cdot \cos \alpha =\mathrm{d}y\mathrm{d}z \\
\mathrm{d}S\cdot \cos \beta =\mathrm{d}x\mathrm{d}z \\
\mathrm{d}S\cdot \cos\gamma=\mathrm{d}x\mathrm{d}y
\end{cases}\; \Rightarrow\; \mathrm{d}\mathbf{S}=\mathbf{n}\mathrm{d}S=(dydz,dzdx,dxdy)$$
#### 实际计算
实际计算时化为[[二重积分\|二重积分]]进行计算
1. 投影:寻找投影区域进行投影, 如 $xOy$
2. 代换:确定投影的积分区域 $\Sigma \to D_{xy}$
3. 确定方向:根据曲面的方向确定积分的正负号
- 注意有向曲面元的方向:
$$\begin{align}
\iint \limits_{\Sigma}R(x,y,z)dxdy & = \iint \limits_{D_{xy}} R\left[x,y,z(x,y)\right] \mathrm{d}x\mathrm{d}y & \quad \cos \gamma >0 \\
\iint \limits_{\Sigma}R(x,y,z)dxdy & = -\iint \limits_{D_{xy}} R\left[x,y,z(x,y)\right] \mathrm{d}x\mathrm{d}y & \quad \cos \gamma <0
\end{align}$$
- 投影区域可以转换:
$$\begin{align}
\dfrac{\mathrm{d}x\mathrm{d}y}{\cos \gamma}=\dfrac{\mathrm{d}x\mathrm{d}z}{\cos \beta}=\dfrac{\mathrm{d}y\mathrm{d}z}{\cos \alpha}=\mathrm{d}S
\end{align}$$
$$\begin{align}
\iint \limits_{\Sigma}R(x,y,z)dxdy= \iint \limits_{D_{yz}}R(x(y,z),y,z) \dfrac{\cos\gamma}{\cos \alpha} \mathrm{d}y\mathrm{d}z
\end{align}$$
### 三、两类曲面积分的关系
$$\begin{align}
\iint \limits_{\Sigma} P\mathrm{d}y\mathrm{d}z+Q\mathrm{d}z\mathrm{d}x+R\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\iint \limits_{\Sigma}(P\cos \alpha+Q\cos \beta+R\cos\gamma)\mathrm{d}S
\end{align}$$