• 多变量微积分笔记22——空间曲面的通量


      在上一章中,我们知道了怎样计算球面和柱面的通量,但是很多时候,空间的曲面不容易用球坐标或柱坐标表示,此时怎样计算通量?

    曲面S的通量

      上一章提到,在空间向量场F中有一个曲面S,S的通量是:

     

      我们使用不同的方法在各种情况下得到面积积元dS和单位法向量n,比如在球面和柱面中使用球坐标和柱坐标。但是对于其它曲面应当如何处理?如下图所示,假设S是 z = f(x,y)的图像,如何计算在向量场中S的通量?

     

      现在将S投影到xy平面,如下图所示:

      ΔS和ΔR是S和R上的小矩形,其中ΔR是ΔS的投影,Δx和Δy分别是ΔR的两边。当然,由于S可能是弯曲的,ΔS也会稍有弯折,但当其足够小时,大体上是个矩形。为了不至于太过混乱,下图将ΔS和ΔR放大并单独展示:

      ΔR的一个顶点的值是(x,y,0),它在ΔS上对应的点是(x,y,z)。将ΔS的两个临边用向量uv表示,它们的叉积就是ΔS的面积:

     

      上式将单位向量化简为dS,而叉积除了表示面积大小外,也表示了方向信息。现在,问题转换为计算u × v

      已知v的起点是(x,y,z),终点是(x, y+Δy, z+Δz),其中:

      同理:

      最终得到通量计算公式:

     

      正负号取决于法向量的方向。因为等式右侧已经变成了xy平面的二重积分,所以出于习惯,积分域由S变成了R。

    曲面的积分域

      如下图所示,求F = zk通过z = x2 + y2在单位圆上方曲面的通量。

      现在问题转换为如何求得曲面的积分域,从而使上式变成普通的二重积分。这需要借助曲面在xy平面的投影,在本例中,曲面的投影恰好是单位圆,可以使用极坐标处理:

     

    示例

      函数z = x2 + y的一块区域中在xy平面的投影是单位正方形,并起这块区域满足z > 0,计算该区域在场F = zi + xk中的通量。

      如果是求向上的通量,根据公式:

     


    作者:我是8位的

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