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文档简介
1、第十章 曲线积分与曲面积分(第六部分)曲面积分习题解答一、对面积的曲面积分1.计算曲面积分,其中为平面在第一卦限中的部分分析因为:,可恒等变形为:,又因被积函数与形式相同,故可利用曲面方程来简化被积函数,即将代入,从而简化计算。解平面方程的为(如图),在面上的投影区域:;,面积元素 从而 .2. 计算曲面积分,其中为.解 由对称性可知,由轮换对称性和代入技巧知,再由曲面积分的几何意义知,所以,.二、对坐标的曲面积分1.计算曲面积分其中为球面在第一卦限部分的上侧。分析 由于不是封闭曲面,且只是对坐标的曲面积分,故直接计算即可。解 因:取前侧,且在面上的投影区域为.于是得 .2. 计算曲面积分其中
2、是柱面被平面及所截得的在第一卦限内的部分的前侧。分析 本题为计算对坐标的组合积分,但由于不是封闭曲面,且其中的三个曲面积分化为二重积分计算又比较容易(因为为柱面,在坐标面上的投影),故直接计算即可。解 因在坐标面上的投影,所以;又在、坐标面上的投影区域为:; .3. 计算曲面积分其中为上半球体,的表面外侧。分析由于为封闭曲面,所以可采高斯公式计算。解本题中,积分曲面为封闭曲面,设所围成的空间闭区域为(如图),则:,;或 :,. 于是由Gauss公式,得.注 若将本题中的积分曲面改为上半球面的上侧,则由于不是封闭曲面,又不是平面块,采用下述方法计算较为简便,现计算如下:补平面块取下侧,则与构成一
3、封闭曲面,且取外侧(如图所示)。在封闭曲面上应用Gauss公式,得.又 . 故 .4. 计算曲面积分其中为连续函数,是平面在第四卦限部分的上侧。分析 由于,其中未知,而积分曲面为平面块,故可考虑利用两类曲面积分之间的关系,把给定的第二型曲面积分转化为第一型曲面积分计算。解 (如图所示)在面上的投影区域.的方向余弦为,故 .注 在本题中,若用定义直接计算,由于被积函数中含有未知函数,那么转化成三个二重积分后,下一步计算二重积分就很难进行了。一般情况下,若被积函数中含有抽象函数,通常不采用直接计算的方法,而是采用将第二型曲面积分转化为第一型曲面积分或Gauss公式的方法来处理。5 设具有连续导数,
4、计算曲面积分其中为由和所围成区域的外侧。分析 令,由于被积函数含有抽象函数,如果直接计算很难求出。考虑到为封闭曲面,而且,因此可考虑应用高斯公式计算。解 令 ,则,应用高斯公式,得在柱面坐标系下,:,. 计算得.6.计算曲面积分,其中为曲面的上侧。分析 由于,有,从而,故可考虑用高斯公式。但是曲面不封闭,且三个偏导数在点不连续,所以,需要补面去掉奇点。 解 补有向曲面,足够小,使完全包含于内,取下侧,补有向曲面,取位于小圆与椭圆之间部分,取下侧,则构成封闭曲面,且方向为外侧。设由所围成的空间闭区域为. 应用高斯公式,得为计算,再补面,取上侧,用高斯公式而,所以,又 ,因此, 7 求力沿有向闭曲线所作的功,其中为平面被三个
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