多元函数积分学

\begin{Example}
设$\Sigma$为上半椭球面$\frac { x ^ { 2 } } { 2 } + \frac { y ^ { 2 } } { 2 } + z ^ { 2 } = 1\, ( z \geq 0 )$, $\pi$为$\Sigma$在点$P(x,y,z)$处的切平面, $\rho(x,y,z)$为原点$O(0,0,0)$到平面$\pi$的距离,求$\iint _ { \Sigma } \frac { z } { \rho ( x , y , z ) } d S$.
\end{Example}
\begin{Solution}
因为椭球面$\frac { x ^ { 2 } } { 2 } + \frac { y ^ { 2 } } { 2 } + z ^ { 2 } = 1$在$P(x,y,z)$点的法向量为$\boldsymbol{n}=(x,y,2z)$,所以切平面$\pi$的方程为
\[xX+yY+2zZ=2,\]
从而原点到$\pi$的距离为
\[\rho ( x , y , z ) = \frac { 2 } { \sqrt { x ^ { 2 } + y ^ { 2 } + 4 z ^ { 2 } } }.\]
令$\left\{ \begin{array} { l } { x = \sqrt { 2 } \sin \varphi \cos \theta }, \\ { y = \sqrt { 2 } \sin \varphi \sin \theta }, \\ { z = \cos \varphi }, \end{array} \right.$则$\sqrt { x ^ { 2 } + y ^ { 2 } + 4 z ^ { 2 } } = \sqrt { 2 \sin ^ { 2 } \varphi + 4 \cos ^ { 2 } \varphi }$,由
\begin{align*}
x' _ { \varphi } &= \sqrt { 2 } \cos \varphi \cos \theta , y' _ { \varphi } = \sqrt { 2 } \cos \varphi \sin \theta , z' _ { \varphi } = - \sin \varphi \\
x' _ { \theta } & = - \sqrt { 2 } \sin \varphi \sin \theta , y' _ { \theta } = \sqrt { 2 } \sin \varphi \cos \theta , z' _ { \theta } = 0,\end{align*}
得到
\[\sqrt { E G - F ^ { 2 } } = \sin \varphi \sqrt { 2 \sin ^ { 2 } \varphi + 4 \cos ^ { 2 } \varphi },\]
由此得到
\[\iint \frac { z } { \rho ( x , y , z ) } d S = \int _ { 0 } ^ { 2 \pi } d \theta \int _ { 0 } ^ { \frac { \pi } { 2 } } \cos \varphi \sin \varphi \left( \sin ^ { 2 } \varphi + 2 \cos ^ { 2 } \varphi \right) d \varphi = \frac { 3 } { 2 } \pi.\]
\end{Solution}

\textbf{注.}本题也可由$\Sigma:z=\frac { 1 } { \sqrt { 2 } } \sqrt { 2 - x ^ { 2 } - y ^ { 2 } }$投影到$xy$平面上来计算得到
\[\iint _ { \Sigma } \frac { z } { \rho ( x , y , z ) } d S = \frac { 1 } { 4 } \iint _ { D _ { x y } } \left( 4 - x ^ { 2 } - y ^ { 2 } \right) d x d y = \frac { 3 } { 2 } \pi.\]

\begin{Example}
设$\Sigma$是单位球面$x^2+y^2+z^2=1$.证明
\[\iint _ {\Sigma} f ( a x + b y + c z ) d S = 2 \pi \int _ { - 1 } ^ { 1 } f \left( u \sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } } \right) d u,\]
其中$a,b,c$为不全为零的常数, $f(u)$是$| u | \leq\sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } }$上的一元连续函数.
\end{Example}
\begin{Proof}
将$xyz$坐标系保持原点不动旋转成$x'y'z'$坐标系,使$z'$轴上的单位向量为$\frac { 1 } { \sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } } } ( a , b , c )$,由于旋转变换是正交变换,保持度量不变,所以球面$\Sigma$上的面积元$dS$也不变.设球面$\Sigma$上一点$(x,y,z)$的新坐标为$(x',y',z')$,则$ax+by+cz=\sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } }z'$,于是
\[\iint _ {\Sigma} f ( a x + b y + c z ) \mathrm { d } S = \iint _ { \Sigma } f \left( \sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } } z ^ { \prime } \right) d S.\]
下面计算这一曲面积分.令球面$\Sigma$的参数方程为
\[x' = \sin \varphi \cos \theta ,\quad y' = \sin \varphi \sin \theta ,\quad z' = \cos \varphi,\]
则
\[\sqrt { E G - F ^ { 2 } } = \sin \varphi,\]
所以
\begin{align*} \iint_{\Sigma} f ( a x + b y + c z ) d S & = \int _ { 0 } ^ { 2 \pi } d \theta \int _ { 0 } ^ { x } f \left( \sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } } \cos \varphi \right) \sin \varphi d \varphi \\ & = 2 \pi \int _ { - 1 } ^ { 1 } f \left( u \sqrt { a ^ { 2 } + b ^ { 2 } + c ^ { 2 } } \right) d u. \end{align*}
\end{Proof}

标签：cos,积分学,函数,sqrt,多元,varphi,theta,frac,sin
来源： https://www.cnblogs.com/Eufisky/p/10429513.html