§2. Поверхностные интегралы 2-го рода

1.Площадь стороны поверхности

Для поверхностей, которые нам встречались до сих пор можно ввести понятие стороны поверхности. Такие поверхности характеризуются, как двухсторонние поверхности. Их можно выкрасить в два цвета так, что один цвет не будет переходить в другой. Аналитически сторону поверхности можно определить, как множество всех единичных нормалей к поверхности таких, что любые две нормали данной стороны можно получить одну из другой непрерывным движением по поверхности вдоль некоторой непрерывной кривой, лежащей на этой поверхности. Существуют поверхности, не обладающие подобным свойством. Такие поверхности называются односторонними.

Примерами односторонних поверхностей могут служить лист Мёбиуса и «бутылка» Клейна.

Можно дать следующее определение односторонней и двухсторонней поверхностей. Поверхность называется двухсторонней, если выполнено следующее свойство: для произвольной точки поверхности при движении по любому замкнутому пути, лежащем на поверхности и выходящем из этой точки, мы возвращаемся в эту точку с тем же направлением нормали. Если же существует хотя бы один замкнутый путь, двигаясь по которому мы вернемся в исходную точку с противоположным направлением нормали, то такую поверхность называют односторонней.

В дальнейшем, в этом курсе будут рассматриваться только двухсторонние поверхности.

Определение. Поверхность с выбранной стороной (совокупность нормалей) называется ориентированной поверхностью.

Явно заданную поверхность : z = f(x,y) называют положительно ориентированной, если cos (n,k) > 0.

Для замкнутой поверхности положительной ориентацией называется выбор внешней нормали.

2. Определение поверхностного интеграла 2-го рода

Определение спина.

Рассмотрим непрерывно дифференцируемую поверхность Ф: z = z(x,y) на D. Для заданного разбиения {Ф_k } этой поверхности и набора промежуточных точек {М_k } обозначим n_k единичную нормаль в точке М_k к поверхности Ф. Через D_k обозначим проекцию Ф_k на плоскость x y. Для функции f , определенной на Ф рассмотрим интегральные суммы вида

 = sign cos(k, n_k).

Поверхностным интегралом 2-го рода называется предел сумм  при стремлении к нулю характеристики разбиения, при условии, что этот предел не зависит от выбора разбиения и промежуточных точек. Обозначается интеграл

=.

Замечание. Если Ф^- та же поверхность с противоположной ориентацией, то

= -.

Аналогично определяются интегралы dydz , dzdx , в случае, если поверхность однозначно проектируется на соответствующие координатные плоскости. Интегральные суммы будут иметь вид sign cos(i, n_k), sign cos(j, n_k).

Рассмотрим векторное поле V=(P,Q,R) определенное на поверхности Ф, которая однозначно проектируется на все координатные плоскости. В этом случае можно рассмотреть интеграл

P dydz +Q dzdx+R dxdy =P dydz +Q dzdx+ R dxdy .

3. Существование и вычисление поверхностного интеграла 2-го рода

Поверхность задана явно Ф : z = z(x,y) на D , с непрерывно дифференцируемой функцией z(x,y). f(x,y,z) – непрерывна на Ф. Тогда поверхностный интеграл

f dxdy существует и вычисляется по формуле

= or Ф .

Здесь и в дальнейшем or Ф = 1 для положительно ориентированной поверхность и or Ф = -1 в противном случае.

Доказательство. Для заданных разбиений {Ф_k } , {D_k }, промежуточных точек {М_k} единичных нормалей n_k в точках М_k к поверхности Ф обозначим cos _k = cos (n_k ,k) . Тогда для интегральных сумм получим

 = sign cos _k = or Ф .

Из последнего равенства и следует требуемое утверждение. Аналогичные формулы имеют место для поверхностей вида y=y(z, x), x=x(y, z).

4. Связь с интегралом 1-го рода

Как отмечалось ранее _k==или

D_k= . Отметим, что sign cos _k = sign cos _k . Поэтому

 = sign cos _k = sign cos _k =

cos _k =cos _k +(cos _k - cos _k ) .

Первая сумма является интегральной для , вторая сумма стремится у нулю при неограниченном измельчении разбиения. Последнее утверждение следует из ограниченности функцииf (первая теорема Вейерштрасса) и равномерной непрерывности функции cos  (x,y,z) (функция – косинус угла между нормалью к поверхности и осью z является непрерывной функцией на поверхности). Таким образом, мы получаем формулу, связывающую поверхностные интегралы 2-го и 1-го рода

= .(1)

Определение. Поверхность, которая однозначно проектируется на все координатные плоскости будем называть поверхностью типа А. Поверхность называется допустимой, если она непрерывно дифференцируема, имеем везде ненулевую нормаль и допускает разбиение на конечное число поверхностей типа А.

Для допустимых поверхностей Ф, доказанная формула будет верна по отношению ко всем координатным плоскостям. В частности, если на поверхности определено непрерывно дифференцируемое поле V=(P,Q,R), то

P dydz +Q dzdx+R dxdy = (P cos  +Q cos  + R cos ) dS , (2)

где cos  , cos , cos  - направляющие косинусы нормали к поверхности.

5. Простейшие свойства поверхностного интеграла 2-го рода

Введем следующие обозначения dS=ndS=(cos , cos , cos ) dS. Это позволяет использовать краткое обозначение для интеграла 2-го рода

P dydz +Q dzdx+R dxdy = (V,dS).

Формула (2) в этих обозначениях выглядит следующим образом

(V,dS) = (V,n) dS (2)

1) (V,dS) = -(V,dS)

2) (V + W, dS) = (V, dS) + (W, dS)

3) (V,dS) = (V,dS) + (V,dS)

4) |(V,dS)|  max |V|

Все эти свойства являются следствием соответствующих свойств интеграла 1-го рода и формулы (2).