多元函数的积分学

第9章 多元函数的积分学第一节 重积分的概念与性质一、 重积分的概念引例1 曲顶柱体的体积曲顶柱体是指底是面上的有界闭区域，它的侧面是以的边界为准线而母线平行于轴的柱面的一部分，它的顶面是曲面，且为上的持续函数，如图所示，目前我们讨论如何计算上述曲顶柱体的体积。（1）分割区域：任取一组曲线网将区域分割成个小闭区域：， （2）近似替代：在中任取一点，用表达的面积，则觉得底，觉得高的平顶柱体的体积为：，于是有 （3）作和：。（4）取极限：记，当趋于零时，引例2 平面薄片的质量设有一平面薄片占有面上的有界闭区域，它在点处的面密度为,且在上持续，目前要计算该薄片的质量。一方面作分割，将薄片任意提成个小块，在上任取一点，用表达的面积，就可得到每个小块薄片质量的近似值： 再通过求和即得平面薄片质量的近似值：， 记，则。 1.二重积分的定义 定义 1 设是有界闭区域上的有界函数，将闭区域任意分割成个小闭区域， 并用表达第个小闭区域的面积。在每个社区域上任取一点，作乘积（近似替代），并作和，记，如果当趋于零时和式的极限存在，则称此极限为函数在有界闭区域上的二重积分，记为，其中称为被积函数，称为被积体现式，称为面积元素，及称为积分变量，称为积分区域，称为二重积分号。 定理1 （可积的充足条件）若函数在有界闭区域上持续，则函数在上必可积。 定理2（可积的必要条件）若函数在有界闭区域上可积，则函数在上必有界。 曲顶柱体体积；非均匀平面薄片质量。 若，则由引例1知表达曲顶柱体的体积；若，曲顶柱面位于面的下方，故二重积分为负值，其绝对值恰为曲顶柱体的体积，即为曲顶柱体体积的负值；若在区域上正负相间，则为位于面上方的曲顶柱体体积与位于面下方的曲顶柱体体积的代数和。这一几何意义与一元函数定积分的几何意义完全类似。2.三重积分的定义 定义2 设三元函数是空间有界闭区域上的有界函数，将任意分割成个小闭区域，并用表达第个社区域的体积。现任取一点，作乘积（近似替代），并作和，记，如果当趋于零时和式的极限存在，则称此极限为函数在有界闭区域上的三重积分，记为，即，其中称为被积函数，称为被积体现式，称为体积元素，及称为积分变量，称为积分区域，称为三重积分号，称为积分区域。 与二重积分相类似，若函数在有界区域上持续，则在上的三重积分必存在，即在上可积。 如果于上，表达物体在点的体密度，是该物体所占有的空间闭区域，则在上的三重积分就为该物体的质量，即。二、 重积分的性质性质1 如果函数，都在上可积，则对任意常数，函数在上也可积，且有。这一性质称为重积分的线性性质。 性质2 如果函数在上可积，用曲线将提成两个闭区域，则在和上仍可积，且有：。这一性质称为重积分的区域可加性。 性质3 如果函数在上可积，并且在上，则。 性质4如果函数，都在上可积，且在上有：成立，则。 性质5 如果函数在区域上可积，则在上也可积，且有：。 性质6 如果，则有：。其中表达的面积。 性质7 如果函数在上持续，则在上至少存在一点，使。此性质称为二重积分中值定理，称为函数在区域上的函数平均值。 性质8 如果函数在区域上持续可积，为在区域上的最小值和最大值，则有。 上述性质对三重积分仍然成立。 例 1 估计二重积分的值，其中为圆形区域。 解 对任意均有，故，而，由性质8得。第二节 二重积分的计算法一、直角坐标系下二重积分的计算法 二重积分可表达到 设积分区域可用不等式组，不妨设函数，则应表达觉得底、觉得顶的曲顶柱体的体积，如图所示：，从而曲顶柱体可视为平行截面为已知的空间体，由定积分可求得其体积为：。从而得积分等式：。 若为型区域：，则。 类似的，如果区域可以用不等式组，则 。 例 1 计算 其中为：（a）由直线，及围成。（b）由直线和抛物线围成。 解 （a）如图所示：，由公式得。 如按型区域计算，则区域可表达为：，由公式得。（b）区域可表达为，由公式得。 本题如按型区域计算麻烦。 例 2 计算，其中为是由直线，及所围成的闭区域。 解 如图所示：区域既是型域，又是型域，若按型区域计算，由公式得。二、极坐标系下二重积分的计算法 有些二重积分的积分区域的边界曲线用极坐标方程来表达比较以便，且被积函数用极坐标变量，体现比较简朴。这时，可以考虑运用极坐标系来计算二重积分。 假设积分区域满足这样的条件：从极点出发且穿过闭区域内部的射线与的边界至多有两个交点。此时，用极坐标系下的坐标曲线来划分区域，即用过极点的一组射线（=常数）及另一组觉得圆心的同心圆（=常数）来划分区域，那么除了涉及区域的边界点的小闭区域外，其他社区域均为小曲边四边形，如图所示。考虑一种一般性的小闭区域，即，各自取微小增量，后所形成的小曲边四边形区域，如图阴影部分。在舍去高阶无穷小的状况下，可把它近似地当作一种小矩形域，矩形的两个边长分别为，。由此得到极坐标系下二重积分的面积元素为：。又由直角坐标与极坐标的关系可知，被积函数。由此，我们将二重积分化为极坐标系下的形式，即。此式表白，要将二重积分中的变量由直角坐标化为极坐标，只要把被积函数中的，分别转换成，并将面积元素换成极坐标系下的面积元素即可。 极坐标系下的二重积分，同样可以化为二次积分来计算。 设积分区域可用不等式组，来表达，如图所示。其中，在区间上持续，且。 在上任意取定一种值，相应于这个值，上的点的极径从变到。于是先觉得积分变量，在区间上作定积分，记为。又由于的变化区间为，于是再觉得积分变量对在上求定积分：。此积分值便为式中相应的二重积分值。从而得到极坐标系下二重积分化为二次积分的公式为。 若积分区域由闭曲线围成，且极点在的内部，如图所示：右边的二次积分为 若积分区域由闭曲线围成，且极点在的边界上，如图所示：此时求出使的两个角度及，则右边的二次积分为。 例 3 计算，其中是由与所围成的圆环在第象限部分。 解 如图所示区域，可用极坐标系下的不等式表达到：，。由公式得。 例 4 计算，其中是由所围成。 解 是由圆曲线所围成，如图所示，其边界曲线的极坐标方程为。由于极点在的边界上，为了拟定的积分限，令，则。积分区域在极坐标系下可用不等式表达为：，。由式子得。 例 5 计算，其中为圆域。 解 如图所示，用极坐标系下的不等式表达为，由式子得运用本例所得成果，可以计算一种重要的反常积分。设 ，。由图可见，由于被积函数，因此有由例5知，。而积分因此 。令 ，上式两端趋于同一极限，于是得第三节三重积分的计算法一、直角坐标系下三重积分的计算措施称为三重积分的直角坐标系形式，称为直角坐标系下的体积元素。将积分区域投影到面的投影柱面把的边界曲面提成下边界曲面和上边界曲面，其方程分别为： ：且。目前内任取一点过该点作平行于轴的直线，这直线通过穿入，然后通过穿出，穿入点和穿出点的竖坐标分别为和，于是先对固定的，在区间上作定积分当点在内变化时，该定积分是上的二元函数，即。然后，将在上作二重积分，可以证明，该二重积分就为三重积分的积分值，即。 上式右端的二重积分，可视的类型再化成二次积分，如若为型域，即。则。称此式右端为三次积分。例 1 计算，其中是由三个坐标面及平面所围成的有界闭区域。解 将作为型空间区域，如图所示：则 其中,如图所示。为型平面区域，即，由公式得。如果将空间区域向轴作投影得一投影区间，且能表达到。其中是过点且平行于面的平行截所得的平面区域，则称是型空间区域，其特点是：当时，竖坐标为的平面截所得的是一种平面区域，如图所示：当是型空间区域时，对固定的，我们先在截面区域上作二重积分，而在区间上变动时该积分为的函数，即，然后将在区间上求定积分：。可以证明，该定积分值就是三重积分的值，即。如果二重积分能较容易地算出，其成果对积分也比较以便，那么就可以用公式来计算三重积分。例 2 计算，其中为椭球。解 将视为型空间区域，如图所示：故可表达到：。其中则 。其中表达的面积，由椭圆面积的公式得。于是得 。二、柱面坐标系下三重积分的计算措施设为空间一点，点在面上的投影点的极坐标为，。则这样的三个数，就称为点记为的柱面坐标，如图所示：这里规定，的变化范畴为：，。三组坐标面分别为： =常数，即以轴为中心的圆柱面；=常数，即过轴的半平面；=常数，即与面平行的平面。显然，点的直角坐标与柱面坐标的关系为目前讨论如何把三重积分中的变量从直角坐标变换成柱面坐标，为此，用三组坐标面=常数，=常数，=常数，把区域提成几种小闭区域除了含的边界点的某些不规则社区域外，其他的社区域都是小柱体，先考虑由，各获得微小增量，所构成的小柱体的体积，如图所示：这个体积等于底面积与高的乘积。目前高是，底面积在不计高阶无穷小时为（即极坐标系中的面积元素）。于是得，这就是柱面坐标系中的体积元素，再由关系式就可以将三重积分化为柱面坐标形式，即对于上式右端的柱面坐标系下的三重积分的计算，则可化为三次积分来进行，化为三次积分时，积分限可根据，在积分区域中的变化范畴来拟定。例3 运用柱面坐标计算三重积分，其中是由曲面与平面所围成的闭区域。解 把闭区域投影到面上，得半径为的圆形闭区域，将用极坐标表达为在内任取一点，过该点作平行于轴的直线，此直线通过曲面即穿入内，然后通过平面穿出外，如图所示：因此闭区域可表达到。则。三、球面坐标系下三重积分的计算措施设为空间内一点，则点也可用这样三个有顺序的数，来拟定，其中为原点到点的距离，为有向线段与轴正向的夹角，为从轴正向来看，自轴正向按逆时针方向转到有向线段的转角，其中为点在面上的投影，如图所示：这样的三个数，称为点的球面坐标，这里，的变化范畴是：，。三组坐标面分别为 =常数，即以原点为心的球面；=常数，即以原点为顶点，以轴为中心轴的圆锥面；=常数，即过轴的半平面。则点的直角坐标与球面坐标的关系为目前讨论如何把三重积分中的变量从直角坐标变换成球面坐标，现用三组坐标面=常数，=常数，=常数把积分区域提成许多小闭区域。考虑由，各获得微小增量，后所成的六面体，如图所示，不计高阶无穷小，可把这个六面体近似地看作长方体，其经线方向的长为，纬线方向的宽为，向径方向的高为，于是得。这就是球面坐标系中的体积元素，再由关系式就可将三重积分化为球面坐标形式，即。对于式中右端的球面坐标系下的三重积分，可把它化成对，对及对的三次积分来计算。若积分区域的边界曲面是一种包围原点在内的闭曲面，其球面坐标方程为，则式子右端的三重积分化为，其中。特别地，在上式中时，则为球的体积，即。例 4 计算三重积分，其中是由半径为的球面与半顶角为的内接锥面所围成的闭区域，如图所示：解 由图知，球心在轴上的点处，锥面的顶点在原点，其轴与轴重叠，则球面方程为，锥面方程为，可表达到，则第四节 曲线积分一、对弧长的曲线积分1.对弧长的曲线积分问题举例引例1 柱面的面积 设是一张母线平行于轴，准线为面上的曲线的柱面的一部分，其高度是上的持续函数。如图所示。目前来计算的面积。如果的高度是常数，那么的面积就等于它的准线的长度与它的高的乘积，而目前它的高在上的各点处各不相似，因此，不能用上述措施来计算。仿照计算曲边梯形面积的措施，我们用上的点，把划提成个小段，在每一种分点处做轴的平行线，这样就把提成条小柱面。目前小弧段上任取一点，用作为相应小柱面的底边各点的高，从而得到该小柱面面积的近似值其中表达弧的长度。于是柱面的面积，记，取上式时的极限，就得所求柱面面积的精确值，即。引例2 曲线形构件的质量 为了合理使用材料，有时在设计曲线形构件时，应根据构件各部分受力状况，把构件各点处粗细限度设计的不完全同样，这样得到的曲线形构件的线密度是一种变量，如果把构件当作是面上的曲线弧，并设的线密度为，如图所示：则可按如下措施来计算构件的质量。 如果构件的线密度是常量，那么它的质量就等于线密度与构件长度的乘积。然而当线密度是变量时，这措施就不合用了。于是与上例相类似，我们用上的点，把划提成个小弧段，在线密度持续变化的条件下，可在小弧段上任取一点，如图所示：并以替代这小弧段上其她点处的线密度，得到该小弧度质量的近似值为。其中表达弧的长度，由此得到整个构件的质量的近似值，即。记，取上式时的极限，就得到整个构件质量的精确值，即。2.对弧长的曲线积分的定义及其性质以上两个问题虽然波及的学科领域不同，但都可归结为同一类和式的极限，我们有定义1 设是面内以，为端点的光滑曲线弧，函数在上有界，在上任意插入一种点列=，=，把提成个小弧段，设第个小弧段的长度为，在上任取一点作和，记，如果当时，这和式的极限存在，则称此极限为函数在上的对弧长的曲线积分，记作，即。其中称为被积函数，称为积分曲线弧，称为弧长元素。此时也称在曲线弧上是可积的，否则，称在曲线弧上是不可积的。对弧长的曲线积分也称为第一类曲线积分。如果是闭曲线，即的两个端点重叠，则在上的第一类曲线积分记为。如果是分段光滑曲线，即是由有限条光滑曲线连接而成，则规定在上的一类曲线积分等于在各段光滑曲线弧上一类曲线积分的和。与定积分存在条件相类似，当在光滑曲线上持续，或者在上有界且只有有限个间断点时，第一类曲线积分一定存在。即在上可积。根据第一类曲线积分的定义，前述柱面的面积可以表达为。曲线形构件的质量可以表达为。3.对弧长的曲线积分的性质由对弧长的曲线积分的定义，可推得该积分有如下性质（设所波及的曲线积分都存在）：（1）若，则，（表达的长度）。（2）线性性质：对任意的，则。（3）对弧长的可加性：设由与连接而成，则。此外，对弧长的曲线积分的概念，可推广到三元函数在空间曲线弧上的形式，即。其中为空间曲线弧长元素。4.对弧长的曲线积分的计算措施对弧长的曲线积分可按下述定理将其转化成定积分来计算。定理1 设函数在曲线弧上持续，曲线弧的参数方程为 其中，在上具有一阶持续导数，且，则曲线积分存在，且。证明略。由上述公式表白，计算第一类曲线积分时，只要把，依次换为，然后从到计算定积分就可以了，这里必须注意，定积分的下限一定要不不小于上限，这是由于在上述公式的推导中，小弧段的长度总是正的，从而，因此必须在时才干保证。如果曲线的方程为，则可将其写成参数式代入公式中便可求积分值。 如果曲线的方程为，则可将其写成参数式代入公式中便可求积分值。在具体解题时，曲线选择什么样的方程形式是解题的核心，选择不当也许会给求值带来不必要的麻烦。例 1 计算，其中是抛物线介于点与点之间的一段，如图所示：解 目前积分曲线的参数方程可表达到由公式得。该积分值恰表达图中阴影部分柱面的面积。例 2 计算，其中为圆周闭曲线。解 如图所示的，以极角为参数得到的参数方程为，代入公式得。本题若用的直角坐标方程来计算将相称繁杂。如果空间光滑曲线弧由参数方程，给出，函数在上持续，则有。例 3 计算，其中为螺线，上相应于从到的一段弧。解 将螺线参数方程得二、对坐标的曲线积分 1.对坐标的曲线积分之产生背景是物理学中变力沿曲线所作的功的计算，因此先来研究如何计算变力沿曲线所作的功。设一种质子在面内从点沿光滑曲线弧移动到点，在移动过程中，这质点受到力 的作用，其中，在上持续，现计算在上述移动过程中变力所作的功。如图所示如果力是常力，且质点从沿直线移动到，那么常力所作的功等于两个向量与的数量积，即。目前力是变力，且质点沿曲线移动，故功不能直接按上述公式来计算，解决此问题的核心是如何将变力化为常力，将曲线化为直线，我们用前面解决构件质量的措施来解决这个问题。在有向线段弧上依次选用若干个点，将提成个小弧段，取其中一种有向小弧段来分析。如图所示。由于光滑并且很短，可以用有向线段来近似替代该弧段，其中，又由于，在上持续，现任取一点，用点的力来近似替代上每一点的力。这样，变力沿所作的功可以近似地等于常力沿所作的功：，即，则用表达个弧段的最大长度，令取上述和的极限，所得到的极限自然为变力沿有向曲线弧所作的功，即。这种和式的极限在研究其她问题时也会时常遇到。我们抛开此类问题的实际背景来研究这种和式的极限，从而引出下面有关对坐标的曲线积分的定义。定义2 设为面内起点为，终点为的一条有向光滑曲线弧，函数，在上有界。在上沿的方向任意插入一点列将提成个有向小弧段：。设，任取。如果当各小弧段长度的最大值时，和式的极限总存在且其值不变，则称此极限值为函数在有向曲线弧上对坐标的曲线积分，记为。类似地，如果总存在且其值不变，则称此极限值为函数在有向曲线弧上对坐标的曲线积分，记为。即，其中，称为被积函数，称为积分弧段，及称为被积体现式。以上两个对坐标的曲线积分也称为第二类曲线积分。与第一类曲线积分相类似，若，在有向光滑曲线弧上持续，则对坐标的曲线积分及都存在。为了论述问题以便，后来总假设，在上持续。应用上常常浮现的是，这种合并起来的形式，为简便起见，常把它写成。有了对坐标的曲线积分定义，变力沿曲线所作的功可表达到：如果有向曲线弧为分段光滑有向曲线连接而成，我们规定函数沿着有向曲线弧的对坐标的曲线积分等于在各段光滑有向曲线上对坐标的曲线积分之和。对坐标的曲线积分有时用向量式表达比较简朴。记，则式中所示的对坐标的曲线积分可表达到：，其中被积体现式为二向量的数量积。根据对坐标的曲线积分定义，可得出对坐标的曲线积分有如下性质：（1）如果可提成和两段曲线弧的和，则。（2）（为常数）。（3）设为有向曲线弧。为与方向相反但曲线相似的有向曲线弧，则 。上述对坐标的曲线积分定义可类似地推广到积分弧段为空间有向光滑曲线弧的情形：，。若记 ，则 为空间有向曲线弧上的对坐标走曲线积分的向量式。当或为闭曲线时，对坐标的曲线积分记为：或。2.对坐标的曲线积分的计算措施定理2 设，在有向曲线弧上持续，的参数方程为当参数单调地由变届时，点从的起点沿移动到终点，在以和为端点的区间上具有一阶持续导数，且，则曲线积分存在，且 .公式表白，计算对坐标的曲线积分时，只要把，依次换为，然后从的起点所相应的参数值到的终点所相应的参数值求定积分即可。如果的方程是以直角坐标形式或给出，则其参数方程可表达到：或再拟定的起终点相应的参数值和，代入公式即可。公式可推广到空间曲线由参数方程，给出的情形，这样便得到例 1 计算，其中曲线是上半椭圆，由到。解 如图所示，当时相应起点，当时相应终点，于是，由公式得。例 2 计算，其中为（1）圆心在原点，半径为的上半圆周由到（2）从点沿轴到点的直线段。解 如图所示（1）的参数方程为，时相应起点，时相应终点。于是，由公式得：（2）的参数方程为：，由沿轴到，于是，由公式得：。由例2的成果可以看出，虽然两个曲线积分的被积函数相似，起点和终点也相似，但所走的途径不同，得出的值并不相等。例 3 计算，其中（1）抛物线上从到的一段弧；（2）抛物线上从到的一段弧；（3）有向折线，这里，分别是点，。解 如图所示（1）的参数方程为：，从变到，因此得。（2）的参数方程为：，从变到，因此得。（3），的参数方程为：，从变到，于是得。的参数方程为：，从变到，于是得。故 。由例3的成果可以看出，同一被积函数，的起、终点相似，虽然沿不同的途径，但曲线积分的值都相等。例 4 计算，其中是从点到点的直线段。解 直线的方程为：，故其参数方程为：，从变到，由公式得。三、两种曲线积分的关系设有向曲线弧的参数方程为，起点，终点分别相应参数，不妨设，即沿增长的方向，函数，在以和为端点的区间上具有一阶持续导数，且，又设，在上持续，于是，由对坐标的曲线积分计算公式有：。又由于曲线的切向量为，它的方向余弦为，。由对弧长的曲线积分的计算 由此可见，平面曲线上的两类曲线积分之间有如下关系：。其中，为有向曲线弧上点处切线向量的方向角。当时，由于切向量，此时，在式子两边同乘以，式子仍然成立。类似地可知，空间曲线上的两类曲线积分之间仍有如下的关系：。其中，为有向曲线弧上点处的切线向量的方向角。两类曲线积分之间的关系也可用向量的形式体现，例如，空间曲线上的两类曲线积分之间的关系可写成如下形式：或。其中，为有向曲线弧上点处单位切向量，称为有向曲线元，为向量在向量上的投影。第五节 曲面积分一、对面积的曲面积分在定义对面积的曲面积分之前，我们先对空间曲面作某些阐明。所谓曲面是光滑曲面，是指曲面上各点处都具有切平面，且当点在曲面上持续移动时，切平面也持续转动。对于空间有界曲面，其上任意两点距离的最大值称为曲面的直径。有界曲面的边界闭曲线总假定为光滑或分段光滑的曲线，在此前提下来定义对面积的曲面积分。1对面积的曲面积分的概念与性质在本章第四节有关如何计算曲线形构件的质量的讨论中，如果把曲线改为曲面，并相应地把线密度改为面密度，小曲线弧段的长度改为小块曲面的面积，把第小段弧上的任一点改为第小块曲面上任一点，那么，当面密度持续时，曲面的质量就是下列和的极限：，其中表达小块曲面的直径的最大值。定义1设是一片光滑有界曲面，函数在上有界。将任意划提成个小块曲面，记第小块小曲面的面积为，任取一点 ，作和，如果当各小块曲面直径的最大值时，这和式的极限总存在，则称此极限为函数在曲面上的对面积的曲面积分，记为，即。其中称为被积函数，称为积分去面，称为曲面面积元素。对面积的曲面积分又称为第一类曲面积分。对于分片光滑曲面，我们规定函数在上的对面积的曲面积分等于函数在上的各光滑片上对面积的曲面积分的和。若为闭曲面，常将写成。可以证明，当函数在光滑曲面上持续时，对面积的曲面积分一定存在。由定义可直接推得对面积的曲面积分有下列性质：（1）当时，为曲面的面积。（2），为常数，则。（3）若由与两部分构成，记则根据对面积的曲面积分的定义，面密度为持续函数的光滑曲面的质量，可表达为在上的对面积的曲面积分：。2.对面积的曲面积分的计算措施对面积的曲面积分可转化为二重积分来计算，为了推导这一转化公式，我们先来推导曲面面积元素的直角坐标形式。设光滑曲面由方程给出，为曲面在面上的投影区域，函数在上具有一阶持续偏导数和。在闭区域上任取始终径很小的闭区域其面积记为，在上任取一点，相应曲面上有一点，点在面上的投影点为，点处曲面的切平面设为，以小闭区域的边界为准线作母线平行于轴的柱面，这柱面在曲面上截下一小片曲面。由于的直径很小，则就近似等于。如图所示。设点处曲面的法向量指向与轴成锐角，则。由于法向量，故，因此。即。上式即为曲面面积元素在直角坐标系下的形式。有了这一形式，就可以将曲面积分转化为二重积分。定理1 设光滑有界曲面的方程为：，在面上的投影区域为，若在上存在一阶持续偏导数，且在上持续，则。证明略。如果积分曲面是由方程或给出，也可类似地将对面积的曲面积分化成面或面上的二重积分。例 1 计算曲面积分，其中是球面被平面截出的顶部。如图解 的方程为： ，在面上的投影区域为圆形区域：。又由于，由公式得：，由极坐标，得 。例 2 计算曲面积分，其中为球面上的半球面。如图所示。解 的方程为：，在面上的投影域为圆形域：。又由于。由公式的变形得：。二、对坐标的曲面积分1对坐标的曲面积分的概念及性质由于对坐标的曲面积分的定义与曲面的侧有关，故在将定义之前先对曲面的定侧（或定向）作一点阐明。空间曲面有双侧与单侧之分，一般我们遇到的曲面都是双侧的，例如将面置于水平位置，由表达的曲面存在上侧与下侧；一张包围空间有界区域的闭曲面（如球面）存在内侧与外侧，后来我们总假定所考虑的曲面是双侧曲面。在讨论对坐标的曲面积分时，需要指定曲面的侧，我们可以通过曲面上各点的法向量的指向来定出曲面的侧，例如，对于曲面，如果取它的法向量的指向朝上，我们就觉得取定了曲面的上侧；此时也可用法向量与轴正向的夹角余弦来定曲面的侧，若，则取曲面下侧；若，则取曲面上侧；又如，对于闭曲面如果取它的法向量的指向朝外，我们就觉得取定了曲面的外侧，这种取定了法向量的指向亦即选定了侧的曲面，就称为有向曲面。设是有向曲面，在上取一小块曲面，其面积记为，把投影到面上得一投影区域，该区域的面积记为。假定上各点处的法向量与轴的夹角的余弦有相似的符号（即在上不变号）。我们规定在面上的投影为其中，也就是的情形。在面上的投影事实上就是给在面上的投影区域的面积赋予一种正负号。类似地可定义在面和面上的投影和。引例 流向曲面一侧的流量 设稳定流动（即流速与时间无关）的不可压缩流体（设密度为1）的速度场由给出，是速度场中的一片有向有界曲面，都在上持续，求在单位时间内流向曲面指定侧的流体的质量，称其为流量，记为。如果流体流过平面上面积为的一种闭区域，且流体在这闭区域上各点处的流速为常向量，又设为该平面的单位法向量，如图所示：那么在单位时间内流过这闭区域的流体构成一种底面为，斜高为的斜柱体。如图所示：当时，这斜柱体的体积为 这也就是通过闭区域流向所指一侧的流量（由于密度）；当时，显然流体通过闭区域流向所指一侧的流量为零，而，故；当时，这时我们仍把称为流体通过闭区域流向所指一侧的流量，它表达流体通过闭区域事实上是流向所指一侧的流量为，因此，不管当为什么值，流体通过闭区域流向所指一侧的流量均为。由于目前考虑的不是平面区域而是一片曲面，且流速也不是常向量，因此所求流量不能直接用上述措施来计算。解决此问题的核心在于如何化曲面为平面，化变向量为常向量。解决此类问题最有效的措施就是我们引入多种积分概念的引例中多次使用的措施-微元法。将曲面任意提成个小块曲面，用表达它的面积，在是光滑的在上持续的前提下，只要的直径很小，我们就可以用上任意一点处流速替代上任一点处的流速，以点处曲面的单位法向量替代上任一点的单位法向量，此时可将近似视为平面（即用点的切平面替代），则通过的流量近似为，如图所示。于是通过流向指定一侧的流量。由于，故，由于 ，因此可近似表达到：。当各小块曲面的直径的最大值时，上述和式的极限存在，则该极限就是流量的精确值。抽取它们的具体意义，就得到下列对坐标的曲面积分的概念。定义2 设为光滑的有向有界曲面，函数在上有界。把任意提成块小曲面，其面积记为，在面上的投影记为。任取，作和。如果当各小块曲面的直径的最大值时，极限总存在，则称此极限为函数在有向曲面对坐标，的曲面积分，记为，即。其中称为被积函数，称为积分曲面，称为积分体现式。类似地可以定义函数在有向曲面上对坐标，的曲面积分，及函数在有向曲面上对坐标，的曲面积分分别为：，以上三个对坐标的曲面积分又称为第二类曲面积分。与对面积的曲面积分相类似，若，在有向光滑曲面上持续时，则上述三个对坐标的曲面积分是存在的。为了论述问题以便，后来我们总假设，在上是持续的。在应用上常常浮现的是：，这种合并起来的形式，为简便起见常把它写成：。有了对坐标的曲面积分定义，上面所讨论的流向指定一侧的流量可表达为：。如果有向曲面是分片光滑的有向曲面，我们规定函数在上对坐标的曲面积分等于函数在各片光滑有向曲面上对坐标的曲面积分之和。对坐标的曲面积分有时用向量式表达比较简朴，记，。则式中所示的对坐标的曲面积分可表达到：，其中被积体现式为二向量的数量积。对坐标的曲面积分具有对坐标的曲线积分相类似的某些性质，现将其论述如下：（1）（为常数）。（2）如果把提成和，则。此性质可推广到提成，有限块的情形。（3）设是有向曲面，表达与取相反侧的有向曲面，则。上式表白，当积分曲面变化为相反侧时，对坐标的曲面积分要变化符号。因此，有关对坐标的曲面积分，我们必须注意积分曲面所取的侧，这一点与对面积的曲面积分是不同的。当为闭曲面时，对坐标的曲面积分为：。2.对坐标的曲面积分的计算措施与对面积的曲面积分相类似，对坐标的曲面积分的计算也是通过对曲面向坐标面投影之后，将其转化成在投影域上的二重积分来计算，针对曲面积分。简介这种转化措施分面投影法。计算时，需将曲面用方程表达出来，其中为曲面在面上的投影区域。若不能统一用一种方程来表达，则需将提成几块，使每一块都可以用一种这样的方程来表达。若在上存在一阶持续偏导数，则上任一点的法向量为。设与轴正向的夹角为，则当时，表达曲面取上侧；当时，表达曲面取下侧。定理2 设曲面的方程为，其中为曲面在面上的投影区域，如果在区域上存在一阶持续偏导数，且函数在上持续，则 。积分号前的符号当取上侧时为正，当取下侧时为负。类似地，计算及时，将分别用方程及来表达，并将曲面分别向面及面上的投影，则可得相应的计算公式如下：。当时，右端取正；当时，右端取负，其中为曲面的法向量与轴正向的夹角。，当时，右端取正；当时，右端取负，其中为曲面的法向量与轴正向的夹角。若计算形如式子所示的对坐标的曲面积分，则需将其分别计算。将分别向三个坐标面投影，方可求得成果，因而称此措施为分面投影法。例 3 计算，其中为球面取其外侧。解 由于曲面积分是对，进行的，因此需将曲面用显示方程来表达，由于取球面的外侧，故需将提成上、下两块，如图所示：上块的方程为：，下块的方程为：，在面上的投影域均为，按题意：取上侧，取下侧。于是，由公式得。例 4 计算，其中为平面位于第一卦限部分，取的法向量与轴正向成钝角的一侧。解 由于曲面积分是对，进行的，因此需将曲面用显式方程来表达，在面上的投影域为：。按题意，取左侧，如图所示。于是由公式的推广式得：。当所计算的对坐标的曲面积分为式中的形式时，用分面投影法比较麻烦，下面简介一种经一次投影便可求得的曲面积分之值的措施合一投影法。定理3 设曲面的方程为，为在面上的投影域，若在区域上存在一阶持续偏导数，且，在上持续，则此式右端的符号当取上侧时取正；当取下侧时取负。事实上，当的方程为，时，其单位法向量由于，因此可将，都转换成，即，于是有。对上式右端应用公式转化成在上的二重积分便得公式。曲面积分只需经一次的投影便可转化成一种二重积分来计算，故称该措施为合一投影法。例 5 计算，其中是旋转抛物线介于平面与之间部分的下侧。解 由于定向曲面可用方程来统一表达，故我们可将所求积分合一地转化成面上的投影区域为，如图所示。，由于取下侧，故由公式得由于有关轴对称，有关为奇函数，故计算时先积后积，则其积分值为零，于是得顺便指出，当可用方程或表达时，则可将向面或面投影，可得到类似于公式的此外两个合一投影公式。三、两种曲面积分的关系设有向曲面由方程给出，在面上的投影区域为，函数在区域上存在一阶持续偏导数，在上持续，如果取的上侧，则上任一点处的法向量。；由对坐标的曲面积分的计算公式得 。由对面积的曲面积分的计算公式得 由此便得 如果取下侧，则由公式有 ，但这时，因此公式仍成立。类似地可推得，合并三个式子，得两类曲面积分之间的关系：。其中，是有向曲面上点处的法向量的方向余弦。两类曲面积分之间的关系也可写成如下的向量形式： 或 。其中，为有向曲面上点处的单位法向量；，称为有向曲面元；为向量在向量上的投影。两种曲面积分之间的关系，可使两种曲面积分互相转化，为曲面积分的计算提供了以便。事实上，合一投影法就是运用了这种关系使对坐标的曲面积分得以简化的。第六节 多元函数积分学的应用二、多元函数积分的几何应用例 1 求半径为的球的表面积。解 取上半球面的方程为，它在面上的投影区域为，由公式得上半球面的面积为，由于，故 。整个球面面积.2体积的计算若为空间区域，则积分为上的三重积分，此时为区域的体积，即 。例 2 求由球面与锥面围成的具有轴部分的体积。解 由曲面围成的空间区域，如图所示：由公式得空间区域的体积为：。在面上的投影区域为：故 。3.弧长的计算在式中，若为平面或空间曲线弧或，则式的积分为对弧长的曲线积分，此时或为曲线弧的弧长，即或。例 3 求圆柱螺线：，上，相应于从到的一段弧长。解 由公式得