张瑞
中国科学技术大学数学科学学院
rui [at] ustc [dot] edu [dot] cn |
物理背景: 中流体每一点有速度,若有曲面,则流过的流体有多少?
|
|
对于可定向曲面,指定一个连续的单位法向量场为正向,称曲面为定向曲面, 称为定向曲面的正向。
若可定向曲面有参数表示
则它有法向量
若与曲面的正向指向相同, 则称是定向曲面的正向参数。此时,有
否则,称是反向参数。
可以验证,若是反向参数, 则是正向参数。
对于一般的参数曲面,不做特别声明的话,取是定向曲面的正向参数。 即一般的参数曲面的正向是
由二元函数表达的曲面的切平面的法向量
写成参数方程
所以
可以得到切平面的法向量
单位法向量与轴的夹角的余弦为
因而,夹角为锐角()。
例 1. 球面方程
参数正向为球面的外侧。 |
问题. 若将下半球面写成,则参数正向为?
设是一个不可压流体的速度场, 是一张定向曲面。
|
定义 1.
定义在中区域的一个向量场,是中一张光滑的指定了正侧的双侧曲面,为上指向正侧的单位法向量。则积分
称为向量场在有向曲面上的第二型曲面积分。 也就是说, 向量场在曲面上的积分是通过数量场在曲面上的第一型积分给出的。
当曲面是一个封闭曲面时,称积分为向量场通过封闭曲面的通量,也记为
用任意分法将曲面分为, , , ,并记面积为。取,做Riemann和
记为曲面块的最大直径。 若存在,且与, 的取法无关,则称这个极限为在上的第二型曲面积分,记为
(1) 场的线性
(2) 积分曲面的可加性, 由曲面和拼接而成,则
(3) 曲面的方向性。若和表示曲面的两侧,则
则的单位法向量为
由
则
有
特别地,
例 2. 是顶点为, , 的三角形的上侧,求
例 3. 为球的外表面,求
例 4. 为椭球面, 计算
例 5. 为锥, 的外表面,求
如图所示的Y型区域:
|
是的外表面,方向指向的外侧。 在上有连续的一阶偏导数,则 |
显然,由上表面(方向指向上侧), 下表面(方向指向下侧)和侧面(与轴平行)组成。
与轴平行,因而。这样
完全类似地,可以证明
对于Z型区域
取为的外表面,方向指向的外侧,有
对于X型区域
取为的外表面,方向指向的外侧,有
事实上,Y型区域也可以看作是没有柱面的X型区域或Z型区域。
定理 1. (Guss公式)
由分片光滑的双侧封闭曲面围成。
向量场函数
在中有一阶连续偏导数。 如果可以同时分解成有限个互不重叠的X型、Y型、Z型区域的并,则成立
其中方向指向的外侧。
三维区域的体积,同样可以写成
例 6. 为球壳,求
例 7. 为立方体, , 的外表面,求
例 8. 为球外侧,求
16.
例 9. 为某个三维体的外表面,求
例 10. 为某个三维体的外表面,求
曲面以为边界,且方向相协调。 在平面上的投影为, 若有显式表达 则有 |
若曲面有两个部分,不能简单地表示为。 则利用曲面拼接时的协调性要求,同样可以得到 |
类似地有
定理 2.
是以曲线为边界的分片光滑的定向曲面。若, , 定义在某个含的空间区域上,且有一阶连续偏导数,则
其中的正方向与的正向符合右手法则
写成矩阵形态,
证明.
例 11. 为圆周 , 轴正向看,逆时针。求
16.
例 12. 为平面切立方体, , 得到的曲线,求
例 13. 椭圆抛物面与柱面相交得到, 从轴的正方向看,的方向是逆时针。求
例 14. 是上半球面的上侧。求
例 15. 是柱面与平面的交线,从轴正向看沿逆时针方向。 求
例 16. 本节读完
16.