В соответствии с формулами (3.1), (3.2), (3.3) вычисление поверхностного интеграла второго рода может быть сведено к вычислению трех двойных интегралов по проекциям области S на соответствующие координатные плоскости. Знаки перед интегралами выбираются в зависимости от ориентации поверхности S: если нормаль к поверхности с соответствующей осью координат образует острый угол, то берется знак «плюс», а если тупой угол – знак «минус».
Пример: вычислить поверхностный интеграл второго рода
если S – верхняя сторона плоскости 2x – 3y + z = 6
рис. 3.2
Проектируем поверхность S на плоскость YOZ:
Тогда
рис.3.3 где из уравнения плоскости , тогда получим двойной интеграл по проекции S на YOZ.
Так как нормаль с осью OX составляет острый угол, то в общей сумме этот интеграл возьмем со знаком «плюс», т.е. I1 = 6.
Проектируем поверхность S на плоскость XOZ. Проекция является также треугольником, ограниченным наклонной линией и отрезками координатных осей.
рис. 3.4
Тогда, соответствующий поверхностный интеграл примет вид:
Но так как нормаль к поверхности S составляет с осью OY тупой угол, то в общей сумме этот интеграл возьмем со знаком «минус», т.е. I2 = -18.
Проектируем поверхность S на плоскость XOY:
рис. 3.5
Тогда
Так как нормаль к поверхности S составляет с осью OZ острый угол, то в общей сумме этот интеграл возьмем со знаком «плюс», т.е. I3 = 15.
Тогда, окончательный результат:
3.1.2.Связь между поверхностными интегралами
первого и второго рода.
Пусть S – поверхность, заданная уравнением z=f(x,y), где функции f(x,y), f 'x(x,y), f 'y(x,y) - непрерывны в замкнутой области Dxy – проекции поверхности S на плоскость XOY, а функция R(x,y,z) – непрерывна на поверхности S. Выберем верхнюю сторону поверхности S.
Разобьем поверхность S сетью кусочно-гладких кривых на n частей ∆S1, ∆S2,… ∆Sn. Проекциями этих линий область Dxy разобьется на части, обозначенные соответственно ∆σ1, ∆σ2,… ∆σn.
При этом
где Pi – некоторая точка области .
Обозначим через Мi точку поверхности , соответствующую точке Pi, а через – острый угол, образованный нормалью к поверхности S в точке Мi с осью OZ. Тогда
Составляя интегральную сумму для поверхностного интеграла второго рода по верхней стороне поверхности S, получим:
Сумма является интегральной суммой для интеграла первого рода по поверхности S от функции R(x,y,z) [ – угол, составленный с осью OZ нормалью в текущей точке M(x,y,z) к поверхности S в выбранную сторону поверхности]. При стремлении шага разбиения к нулю в пределе будем иметь:
Аналогичные формулы при соответствующих условиях имеют место для двух других составляющих поверхностного интеграла. Суммируя, получаем формулу вычисления поверхностного интеграла второго рода через поверхностный интеграл первого рода:
(3.4)
Здесь , , – направляющие косинусы единичной нормали к поверхности S в выбранную (для интеграла слева) сторону поверхности.
Пример: найти поток векторного поля =2x +y +z через внешнюю часть плоскости S, расположенную в первом октане x+y+z=1.
, ; z=1-x-y