习题4.5
第 1 题
计算下列第二类曲面积分, 其中 \(S^{+}\) 是球面 \(x^2 + y^2 + (z-R)^2 = R^2\) 的外侧.
(1) \(\oint\limits_{S^{+}} \text{d}{x}\wedge\text{d}{y}\); % 这里有问题, 应该是 \oiint
(2) \(\oint\limits_{S^{+}} z\text{d}{x}\wedge\text{d}{y}\); % 这里有问题, 应该是 \oiint
(3) \(\oint\limits_{S^{+}} z^2\text{d}{x} \wedge \text{d}{y}\). % 这里有问题, 应该是 \oiint
解
(1) 由对称性知 \(\oint\limits_{S^{+}} \text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = 0\). % 这里有问题, 应该是 \oiint
(2) 记上半球面为 \(S_1^{+}\), 满足 \(z = R + \sqrt{R^2 - x^2 - y^2}\), \(\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = \text{d}{x}\text{d}{y}\), 下半球面为 \(S_2^{+}\), 满足 \(z = R - \sqrt{R^2 - x^2 - y^2}\), \(\text{d}{x} \wedge\text{d}{y} = -\text{d}{x}\text{d}{y}\). 则 \(D_{xy} = \{(x, y) | x^2 + y^2 \le R^2\}\). 换元 \(\begin{cases}x = r\cos\theta, \\ y = r\sin\theta\end{cases}\), 则 \(D_{r\theta} = \{(r, \theta) | 0 \le r \le R, 0 \le \theta \le 2\pi\}\). 因此
(3) 同 (2) 可知
第 3 题
计算下列曲面积分.
(1) \(\iint_{S^{+}}x\text{d}{y}\wedge\text{d}{z} + y\text{d}{z}\wedge\text{d}{x} + z\text{d}{x}\wedge\text{d}{y}\), 其中 \(S^{+}\) 为平面 \(x = 0, y = 0, z = 0, x = 1, y = 1, z = 1\) 所围立方体表面的外侧;
(2) \(\iint\limits_{S^{+}} x^2\text{d}{y} \wedge \text{d}{z} + y^2\text{d}{z}\wedge\text{d}{x}+z^2\text{d}{x}\wedge\text{d}{y}\), 其中 \(S^{+}\) 是柱面 \(x^2 + y^2 = 1\) 被平面 \(z = 0, z = 3\) 所截部分的外侧;
解
(1) 设 \(S_1 = \{(x, y, z) | 0 \le x, y \le 1, z = 0\}\). 由对称性知 \(\iint_{S^{+}}x\text{d}{y}\wedge\text{d}{z} + y\text{d}{z}\wedge\text{d}{x} + z\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = 3\iint\limits_{S_1}\text{d}{x}\text{d}{y} = 3\).
(2) 将 \(S^{+}\) 分为三个部分: \(S_1^{+}\) 上底面, \(S_2^{+}\) 下底面, \(S_3^{+}\) 侧面.
由对称性知 \(\iint\limits_{S_2^{+}}x^2\text{d}{y} \wedge \text{d}{z} + y^2\text{d}{z}\wedge\text{d}{x}+z^2\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = \iint\limits_{S_3^{+}}x^2\text{d}{y} \wedge \text{d}{z} + y^2\text{d}{z}\wedge\text{d}{x}+z^2\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = 0\).
故 \(\iint\limits_{S^{+}} x^2\text{d}{y} \wedge \text{d}{z} + y^2\text{d}{z}\wedge\text{d}{x}+z^2\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} = 9\pi\).
第 4 题
计算 \(\iint\limits_{S^{+}}\mathbf{A}\cdot\text{d}{\mathbf{S}}\), 其中 \(\mathbf{A} = \dfrac{x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k}}{\sqrt{x^2 + y^2 + z^2}}\), \(S^{+}\) 是上半球面 \(z = \sqrt{R^2 - x^2 - y^2}\) 的下侧.
解
做坐标变换 \(\begin{cases}x = R\sin\varphi\cos\theta, \\ y = R\sin\varphi\sin\theta, \\ z = R\cos\varphi, \end{cases}\) 则 \(A = \dfrac{D(y, z)}{D(\varphi, \theta)} = R^2\sin^2\varphi\cos\theta\), \(B = \dfrac{D(z, x)}{D(\varphi, \theta)} = R^2\sin^2\varphi\sin\theta\), \(C = \dfrac{D(x, y)}{D(\varphi, \theta)} = R^2\sin\varphi\cos\varphi\). 积分区域为 \(D_{\varphi\theta} = \{(\varphi, \theta) | -\dfrac{\pi}{2} \le \varphi \le 0, 0 \le \theta \le 2\pi\}\). 因此
第 5 题
求流速场 \(\mathbf{V} = xy\mathbf{i} + yz\mathbf{j} + zx\mathbf{k}\) 由里往外穿过球面 \(x^2 + y^2 + z^2 = 1\) 在第一象限部分的流量.
解
做坐标变换 \(\begin{cases}x = \sin\varphi\cos\theta, \\ y = \sin\varphi\sin\theta, \\ z = \cos\varphi, \end{cases}\) 则 \(A = \dfrac{D(y, z)}{D(\varphi, \theta)} = \sin^2\varphi\cos\theta\), \(B = \dfrac{D(z, x)}{D(\varphi, \theta)} = \sin^2\varphi\sin\theta\), \(C = \dfrac{D(x, y)}{D(\varphi, \theta)} = \sin\varphi\cos\varphi\). 积分区域为 \(D_{\varphi\theta} = \{(\varphi, \theta) | 0 \le \varphi \le \dfrac{\pi}{2}, 0 \le \theta \le \dfrac{\pi}{2}\}\). 因此
第 7 题
\(\iint\limits_{S^{+}}(x^2 + y^2)\text{d}{x}\wedge\text{d}{y} + y^2\text{d}{y}\wedge\text{d}{z}+z^2\text{d}{z}\wedge\text{d}{x}\), 其中 \(S\) 是螺旋面 \(x = u\cos v, y = u\sin v, z = av\) 在
的部分, 上侧为正.
解
\(A = \dfrac{D(y, z)}{D(u, v)} = a\sin v\), \(B = \dfrac{D(z, x)}{D(u, v)} = -a\cos v\), \(C = \dfrac{D(x, y)}{D(u, v)} = u\). 因此