曲面积分证明
主要是原点在曲面上的情况
A=r/||r||^3,r=(x,y,z)。 I=∫∫{S}A•ndS,S为光滑封闭曲面。 有:I=∫∫{S}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2) 1。若原点在S外,内, 则显然有I=0,4π。
2。原点在S上,将S绕原点旋转为S',使S'在原点的法向量平行z轴。 由于S绕原点旋转为S',则||r||^3,r•n,dS都不变,所以 A•ndS不变==> I=∫∫{S'}A•ndS。 因此可设在原点,S法向量平行z轴。
3。曲面R(t)为圆点=原点,半径=t的上半球面的上侧。 显然有 ∫∫{R(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= =∫∫{R(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/t^3= =2π 4。
曲面S(t)={(x,y,z)∈S,||(x,y,z)||≥t} ==> I=∫∫{S}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= Lim{t→0}∫∫{S(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2) 5。
设S(t)和U(t)构成封闭曲面, 其中U(t)为圆点=原点,半径=t的球面的一部分。 可以设原点在S(t)和U(t)构成封闭曲面外, 且U(t)的主要部分在上半球面。 现设U(t)取上侧,所以S(t)和U(t)构成封闭曲面= =S(t)-U(t)=∑(t) ∫∫{S(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= =∫∫{∑(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)+ +∫∫{U(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= =∫∫{U(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)。
6。∫∫{U(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= =∫∫{R(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)+ +[∫∫{U(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)- -∫∫{R(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]= =2π+∫∫{V(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)], 其中从集合的角度 V(t)=R(t)∪U(t)-R(t)∩U(t) 7。
S的方程在原点附近可写为: z=F(x,y), S为光滑封闭曲面,且在原点,S法向量平行z轴。 ==>z=F(x,y)=o([(x^2+y^2)]^(1/2)]), ==>z=o(||r||) 8。|∫∫{V(t)}[xdydz]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]|= =|∫∫{V(t)}[xdydz]/t^3≤ ≤2[V(t)在yoz面的投影的面积]/t^2, 而V(t)在yoz面的投影在一个宽为2t,高为o(t)的矩形中 所以 |∫∫{V(t)}[xdydz]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)≤o(t)/t=o(1) ==> Lim{t→0}∫∫{V(t)}xdydz/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]=0 同理 Lim{t→0}∫∫{V(t)}ydzdx/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]=0 9。
|∫∫{V(t)}[zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]|= =|∫∫{V(t)}[zdxdy]/t^3≤ ≤2o(t)[V(t)在yoz面的投影的面积]/t^3, 而V(t)在yoz面的投影在 圆点=原点,半径=t的圆中。
==> |∫∫{V(t)}[zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]|≤o(1) ==> Lim{t→0}∫∫{V(t)}zdxdy/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)]=0 由6。==> Lim{t→0}∫∫{U(t)}[xdydz+ydzdx+zdxdy]/[x^2+y^2+z^2]^(3/2)= =0 由4。
,5。==>I=2π。
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