下册 9.3 第二型曲面积分及高斯公式 第48题

数学分析早年真题

📝 题目

48.求第二型曲面积分 $\displaystyle \oiint_{S} \frac{\cos (r, n)}{r^{2}} \mathrm{~d} S$ ,其中 $S$ 为含原点的封闭光滑曲面,$(0,0,0)$ 到 $S$ 上任一点 $(x, y, z)$ 的向量记为 $\boldsymbol{r}$ ,其长度为 $r,(\boldsymbol{n}, \boldsymbol{r})$ 为的外法向量 $\boldsymbol{n}$ 与 $\boldsymbol{r}$ 的夹角.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} 由 $\displaystyle \cos (\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})=\frac{\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{n}}{|\boldsymbol{n} \| \boldsymbol{r}|}=\frac{1}{r}(x \cos \alpha+y \cos \beta+z \cos \gamma)$ 知 $$ \iint_{S} \frac{1}{r^{2}} \cos (r, n) \mathrm{d} S=\iint_{S} \frac{1}{r^{3}}(x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z+y \mathrm{~d} z \mathrm{~d} x+z \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y) $$ 作小球 $S^{\prime}: x^{2}+y^{2}+z^{2}=\varepsilon^{2}$ ,使其完全包含在 $S$ 内,取外侧,记 $S_{-}^{\prime}$ 为小球内侧,$\Omega$ 为 $S$ 与 $S_{-}^{\prime}$ 之间的区域.$\Omega^{\prime}$ 为 $S_{-}^{\prime}$ 为边的球域. 因为 $\displaystyle \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{x}{r^{3}}\right)=\frac{r^{2}-3 x^{2}}{r^{5}}, \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{y}{r^{3}}\right)=\frac{r^{2}-3 y^{2}}{r^{5}}, \frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{z}{r^{3}}\right)=\frac{r^{2}-3 z^{2}}{r^{5}}$ ,所以 $$ \frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{x}{r^{3}}\right)+\frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{y}{r^{3}}\right)+\frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{z}{r^{3}}\right)=\frac{r^{2}-3 x^{2}}{r^{5}}+\frac{r^{2}-3 y^{2}}{r^{5}}+\frac{r^{2}-3 z^{2}}{r^{5}}=0 . $$ 由高斯公式得 $\displaystyle \oiint_{S^{+} S^{\prime}} \frac{\cos (r, n)}{r^{2}} \mathrm{~d} S=0$ 。于是 $$ \begin{aligned} \oiint_{S} \frac{\cos (r, n)}{r^{2}} \mathrm{~d} S & =-\oiint_{S^{\prime}} \frac{\cos (r, n)}{r^{2}} \mathrm{~d} S=\oiint_{S^{\prime}} \frac{\cos (r, n)}{r^{2}} \mathrm{~d} S \\ & =\frac{1}{\varepsilon^{3}} \iint_{S^{\prime}}(x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z+y \mathrm{~d} z \mathrm{~d} x+z \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y)=\frac{1}{\varepsilon^{3}} \iiint_{\Omega^{\prime}} 3 \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z=4 \pi \end{aligned} $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/7
目标:将曲面积分转化为坐标形式
由 $\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n}) = \frac{\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{n}}{|\boldsymbol{n}| |\boldsymbol{r}|} = \frac{1}{r}(x \cos\alpha + y \cos\beta + z \cos\gamma)$,其中 $\cos\alpha, \cos\beta, \cos\gamma$ 是外法向量的方向余弦,且 $\mathrm{d}S$ 的方向余弦投影为 $\mathrm{d}y\mathrm{d}z = \cos\alpha \mathrm{d}S$,$\mathrm{d}z\mathrm{d}x = \cos\beta \mathrm{d}S$,$\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \cos\gamma \mathrm{d}S$,因此原积分化为: $$\iint_S \frac{1}{r^2} \cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n}) \mathrm{d}S = \iint_S \frac{1}{r^3} (x \mathrm{d}y\mathrm{d}z + y \mathrm{d}z\mathrm{d}x + z \mathrm{d}x\mathrm{d}y).$$
公式:$\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n}) = \frac{\boldsymbol{r} \cdot \boldsymbol{n}}{r}$
提示:注意方向余弦与面积元投影的关系,确保符号正确。
步骤 2/7
目标:构造辅助小球面并应用高斯公式
由于被积函数在原点有奇点,作小球面 $S': x^2+y^2+z^2 = \varepsilon^2$,使其完全包含在 $S$ 内,取外侧。记 $S'_-$ 为小球内侧(方向指向原点),$\Omega$ 为 $S$ 与 $S'_-$ 之间的区域。考虑封闭曲面 $S \cup S'_-$,其外侧为 $S$ 的外侧和 $S'_-$ 的内侧(即 $S'$ 的反向)。
提示:小球面必须完全包含在 $S$ 内部,且方向要一致。
步骤 3/7
目标:计算散度并验证为零
计算向量场 $\left(\frac{x}{r^3}, \frac{y}{r^3}, \frac{z}{r^3}\right)$ 的散度: $$\frac{\partial}{\partial x}\left(\frac{x}{r^3}\right) = \frac{r^2 - 3x^2}{r^5}, \quad \frac{\partial}{\partial y}\left(\frac{y}{r^3}\right) = \frac{r^2 - 3y^2}{r^5}, \quad \frac{\partial}{\partial z}\left(\frac{z}{r^3}\right) = \frac{r^2 - 3z^2}{r^5}.$$ 求和得: $$\frac{r^2-3x^2}{r^5} + \frac{r^2-3y^2}{r^5} + \frac{r^2-3z^2}{r^5} = \frac{3r^2 - 3(x^2+y^2+z^2)}{r^5} = 0.$$
公式:$\nabla \cdot \left(\frac{\boldsymbol{r}}{r^3}\right) = 0$
提示:注意 $r^2 = x^2+y^2+z^2$,散度在原点外处处为零。
步骤 4/7
目标:应用高斯公式到封闭曲面
在区域 $\Omega$ 上应用高斯公式(注意 $S \cup S'_-$ 的外侧方向): $$\iint_{S \cup S'_-} \frac{1}{r^3}(x \mathrm{d}y\mathrm{d}z + y \mathrm{d}z\mathrm{d}x + z \mathrm{d}x\mathrm{d}y) = \iiint_\Omega 0 \, \mathrm{d}V = 0.$$ 因此, $$\iint_S \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S + \iint_{S'_-} \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S = 0.$$
公式:高斯公式:$\iint_{\partial \Omega} \boldsymbol{F} \cdot \mathrm{d}\boldsymbol{S} = \iiint_\Omega \nabla \cdot \boldsymbol{F} \, \mathrm{d}V$
提示:注意 $S'_-$ 的方向是内侧,与 $S'$ 外侧相反。
步骤 5/7
目标:转换到小球面上的积分
由于 $S'_-$ 是 $S'$ 的内侧,有 $\iint_{S'_-} = -\iint_{S'}$(外侧),所以 $$\iint_S \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S = -\iint_{S'_-} \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S = \iint_{S'} \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S.$$
提示:注意符号变化:内侧积分等于负的外侧积分。
步骤 6/7
目标:计算小球面上的积分
在小球面 $S'$ 上,$r = \varepsilon$ 常数,且外法向量 $\boldsymbol{n}$ 与 $\boldsymbol{r}$ 同向(因为球心在原点),所以 $\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n}) = 1$。于是 $$\iint_{S'} \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S = \frac{1}{\varepsilon^2} \iint_{S'} \mathrm{d}S = \frac{1}{\varepsilon^2} \cdot 4\pi\varepsilon^2 = 4\pi.$$
公式:球面积分:$\iint_{S'} \mathrm{d}S = 4\pi\varepsilon^2$
提示:注意 $\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})=1$ 是因为法向量与径向同向。
步骤 7/7
目标:得出最终结果
由以上步骤,原曲面积分等于小球面上的积分,即 $$\oiint_S \frac{\cos(\boldsymbol{r}, \boldsymbol{n})}{r^2} \mathrm{d}S = 4\pi.$$
提示:结果与曲面 $S$ 的形状无关,只取决于原点是否被包含。

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