Вычисление поверхностного интеграла 1-го рода

Геометрический и физический смысл поверхностного интеграла 1-го рода

 

Если подынтегральная функция f(M) ≡ 1, то из определения следует, что равен площади рассматриваемой поверхности S.

Если же считать, что f(M) задает плотность в точке М поверхности S, то масса этой поверхности равна

. (27.4)

 

Ограничимся случаем, когда поверхность S задается явным образом, то есть уравне-нием вида z = φ(x, y). При этом из определения площади поверхности следует, что

Si = , где Δσi – площадь проекции Si на плоскость Оху, а γi – угол между осью Oz и нормалью к поверхности S в точке Mi. Известно, что

,

где (xi, yi, zi) – координаты точки Mi. Cледовательно,

.

Подставляя это выражение в формулу (27.2), получим, что

,

где суммирование справа проводится по области Ω плоскости Оху, являющейся проекцией на эту плоскость поверхности S (рис.1).

z

S: z=φ(x,y)

Si L

O

y

Δσi Ω

x

Рис. 1.

При этом в правой части получена интегральная сумма для функции двух переменных по плоской области, которая в пределе при дает двойной интеграл Таким образом, получена формула, позволяющая свести вычисление поверхностного интеграла 1-го рода к вычислению двойного интеграла:

(27.5)

Замечание. Уточним еще раз, что в левой части формулы (27.5) стоит поверхностный интеграл, а в правой – двойной.

 

Пример.

Вычислим , где S – часть плоскости 3х + 4у – 5z = 36, расположенная в пер-вом октанте. Преобразуем это уравнение к виду , откуда ,

, . Проекцией плоскости S на плоскость Оху является тре-угольник с вершинами в точках (0, 0), (12, 0) и (0, 9). Тогда из формулы (34.5) полу-чим:

Ориентация поверхности

Определим понятие стороны поверхности. Выберем на гладкой поверхности (замк-нутой или ограниченной гладким контуром) точку М0 и проведем в ней нормаль к поверхности, выбрав для нее определенное направление (одно из двух возможных). Проведем по поверхности замкнутый контур, начинающийся и заканчивающийся в точке М0. Рассмотрим точку М, обходящую этот контур, и в каждом из ее положений проведем нормаль того направления, в которое непрерывно переходит нормаль из предыдущей точки. Если после обхода контура нормаль вернется в точке М0 в перво-начальное положение при любом выборе точки М0 на поверхности, поверхность называется двусторонней. Если же направление нормали после обхода хотя бы одной точки изменится на противоположное, поверхность называется односторон-ней (примером односторонней поверхности служит лист Мебиуса).

Из вышесказанного следует, что выбор направления нормали в одной точке одно-значно определяет направление нормали во всех точках поверхности.

 

Определение. Совокупность всех точек поверхности с одинаковым направлением нормали называется стороной поверхности.

 

Рассмотрим незамкнутую гладкую двустороннюю поверхность S, ограниченную контуром L, и выберем одну сторону этой поверхности.

 

Определение. Назовем положительнымнаправление обхода контура L, при котором движение по контуру происходит против часовой стрелки относительно наблюдателя, находящегося в конечной точке нормали к какой-либо точке поверх-ности S, соответствующей выбранной стороне поверхности. Обратное направление обхода контура назовем отрицательным.