设曲面是光滑的有向曲面,向量函数的各个分量函数在上有界。把任意分成个小曲面,其中第个小曲面记作(同时也代表第个小曲面的面积)。设是上任意取定的一点,为曲面在点处的单位法向量,作乘积,并作和:
如果当各小曲面的直径的最大值时,这和的极限总是存在,且与曲面的分法及点的取法无关,就称这此极限为向量函数在有向曲面上的积分,也称为 第二类曲面积分 (First form surface integral):
也可令,则上述积分可以改写如下:
举例说明一下上述定义,已知某光滑的有向曲面位于某向量场中,也就是说该曲面上的每个点都是可定向的,且该曲面上的点对应向量函数,如下图所示。
把任意分成个小曲面,观察其中第个小曲面,这也是可定向的有向小曲面,如下图所示。
在有向小曲面上任取一点,曲面在点有单位法向量,以及对应的向量,如下图所示,据此可作乘积。
将这个小曲面对应的乘积累加起来的结果是,当曲面被划分的越来越细时,也就是时,若该黎曼和的极限存在就得到了如下积分:
在上述定义中其实已经说清楚了和第二类曲面积分的关系了,即:
上式左侧可以解读为在曲面上的积分,而右侧可以解读为在有向曲面上的积分,即:
根据上述的和第二类曲面积分的关系,如果要计算,转为后再计算即可。
由有向曲面的积分的定义可知,它有以下性质:
-
-
积分区间的拆分:若有向曲面
可分为两段有向曲线弧
和
,则:
-
这里举例解释一下上述定理中的 反向曲面 ,比如下图左侧中的是有向曲面,那么下图右侧就是的反向曲面,也就是选择了相反的法向量进行定向。
设曲面是光滑的有向曲面,函数在上有界。把任意分成个小曲面,其中第个小曲面记作(同时也代表第个小曲面的面积),在面上的投影为,是上任意取定的一点,作乘积,并作和:
如果当各小曲面的直径的最大值时,这和的极限总是存在,且与曲面的分法及点的取法无关,就称这此极限为函数在有向曲面上(Surface integral of R over the oriented surface Σ with respect to x,y):
类似地可以定义函数在有向曲面上,以及函数在有向曲面上:
其中、和称为 被积函数 ,称为 积分曲面 。以上三个曲面积分也称为 第二类曲面积分 (Second form surface integral)。
上述定义看起来和之前给出的有向曲面的积分的定义天差地别,实际上两者是完全等价的,这里通过举例来说明一下。
5.1 、以及的定义
先解释一下上述定义中提到的的投影,这是之前没有出现过的概念。把曲面任意分成个小曲面,观察第个有向小曲面及其在面的投影,如下图所示。
对及定向,因为投影为面上的平面,所以定其方向为,如下图所示,
设上各点处的方向向量为,若与的点积都有着相同的符号(对于光滑有向曲面而言,划分的足够小时总能做到这一点),则规定为:
类似于,还可以规定以及,这里通过列表总结如下,
讲清楚了、以及的定义后,让我们接着理解上述定义。
5.2 用有向切平面来近似
之前介绍有向曲面的积分的定义时提到过,需要把任意分成个小曲面,然后在第个小曲面任取一点,也就是下图中的红点,再作出曲面在点有单位法向量,以及对应的向量,最后据此作乘积。
根据微积分一贯的思想,可用在点的切平面来近似小曲面,如下图所示。
也就是说有下面的约等式成立:
5.3 计算有向切平面
可以把看作一个向量,这就是之前在“”小节介绍过的可用来代表空间平面的向量,如下图所示,其方向为切平面的方向,其长度为切平面的面积。
引入是为了计算上的方便,具体来说就是,设切平面在面上的投影(之前说在面上的投影为,这是约等于在面上的投影的,因为后面还会还有取极限操作,所以这里可认为在面上的投影就是了),其方向为;在面上的投影为,其方向为;在面上的投影为,其方向为,如下图所示。
根据在“”介绍过的的计算法可知,是由、和组成的,只是这三项前面的系数可能为、或者是,也就是说可能有:
也可能有:
还有很多别的情况。那么这三项前面的系数应该怎么确定呢?判定方法是这样的,
结合上之前对、以及的定义,所以有:
知道和、、的点积后,就可将上式展开为由、和组成的式子。
5.4 得出计算结果
设向量场,则有:
从而有:
结合上有向曲面积分的定义,可得:
在这里定义下列积分:
那么当上述积分都存在时,则有:
上式又常常改写如下:
所以本节给出的“第二类曲面积分”的定义,或者说“对坐标的曲面积分”的定义,可以看作是对之前给出的有向曲面的积分的定义的改写,或者说给出了有向曲面的积分的各个分量的定义。
设有向光滑曲面是函数曲面的上侧,其在面上的投影为,其上定义有连续函数,如下图所示。
因为是的上侧,所以各个点的方向向量和的点积都大于,根据对坐标的曲面积分中给出的的定义,所以此时有,结合上,从而对坐标的曲面积分就可以如下转为:
如果是函数曲面的下侧,如下图所示。
因为是的下侧,所以各个点的方向向量和的点积都小于,根据对坐标的曲面积分中给出的的定义,所以此时有,结合上,从而对坐标的曲面积分就可以如下转为:
其余的以及以此类推,这里不再赘述。