在上一章中,我們知道了怎樣計算球面和柱面的通量,但是很多時候,空間的曲面不容易用球坐標或柱坐標表示,此時怎樣計算通量?
曲面S的通量
上一章提到,在空間向量場F中有一個曲面S,S的通量是:
我們使用不同的方法在各種情況下得到面積積元dS和單位法向量n,比如在球面和柱面中使用球坐標和柱坐標。但是對於其它曲面應當如何處理?如下圖所示,假設S是 z = f(x,y)的圖像,如何計算在向量場中S的通量?
現在將S投影到xy平面,如下圖所示:
ΔS和ΔR是S和R上的小矩形,其中ΔR是ΔS的投影,Δx和Δy分別是ΔR的兩邊。當然,由於S可能是彎曲的,ΔS也會稍有彎折,但當其足夠小時,大體上是個矩形。為了不至於太過混亂,下圖將ΔS和ΔR放大並單獨展示:
ΔR的一個頂點的值是(x,y,0),它在ΔS上對應的點是(x,y,z)。將ΔS的兩個臨邊用向量u和v表示,它們的叉積就是ΔS的面積:
上式將單位向量化簡為dS,而叉積除了表示面積大小外,也表示了方向信息。現在,問題轉換為計算u × v。
已知v的起點是(x,y,z),終點是(x, y+Δy, z+Δz),其中:
同理:
最終得到通量計算公式:
正負號取決於法向量的方向。因為等式右側已經變成了xy平面的二重積分,所以出於習慣,積分域由S變成了R。
曲面的積分域
如下圖所示,求F = zk通過z = x2 + y2在單位圓上方曲面的通量。
現在問題轉換為如何求得曲面的積分域,從而使上式變成普通的二重積分。這需要借助曲面在xy平面的投影,在本例中,曲面的投影恰好是單位圓,可以使用極坐標處理:
示例
函數z = x2 + y的一塊區域中在xy平面的投影是單位正方形,並起這塊區域滿足z > 0,計算該區域在場F = zi + xk中的通量。
如果是求向上的通量,根據公式:
作者:我是8位的