Skip to main content
Global

16.6: Uso Integrals

  • Page ID
    178908
    • Edwin “Jed” Herman & Gilbert Strang
    • OpenStax
    \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    Malengo ya kujifunza
    • Pata uwakilishi wa parametric wa silinda, koni, na nyanja.
    • Eleza sehemu muhimu ya kazi ya thamani ya scalar juu ya uso wa parametric.
    • Tumia sehemu muhimu ya kuhesabu eneo la uso uliopewa.
    • Eleza maana ya uso unaoelekezwa, kutoa mfano.
    • Eleza sehemu muhimu ya shamba la vector.
    • Tumia integrals ya uso ili kutatua matatizo yaliyotumika.

    Tumeona kwamba mstari muhimu ni muhimu juu ya njia katika ndege au katika nafasi. Hata hivyo, ikiwa tunataka kuunganisha juu ya uso (kitu cha pande mbili) badala ya njia (kitu kimoja) katika nafasi, basi tunahitaji aina mpya ya muhimu ambayo inaweza kushughulikia ushirikiano juu ya vitu katika vipimo vya juu. Tunaweza kupanua dhana ya mstari muhimu kwa uso muhimu ili kuruhusu sisi kufanya ushirikiano huu.

    Uso integrals ni muhimu kwa sababu sawa kwamba line integrals ni muhimu. Wana maombi mengi ya fizikia na uhandisi, na hutuwezesha kuendeleza matoleo ya juu ya mwelekeo wa Theorem ya Msingi ya Calculus. Hasa, integrals ya uso inatuwezesha kuzalisha theorem ya Green kwa vipimo vya juu, na huonekana katika baadhi ya theorems muhimu tunayojadili katika sehemu za baadaye.

    Parametric nyuso

    uso muhimu ni sawa na mstari muhimu, ila ushirikiano ni kufanyika juu ya uso badala ya njia. Kwa maana hii, integrals uso kupanua juu ya utafiti wetu wa integrals line. Kama ilivyo na integrals line, kuna aina mbili za integrals uso: uso muhimu ya kazi scalar thamani na uso muhimu ya shamba vector.

    Hata hivyo, kabla ya kuunganisha juu ya uso, tunahitaji kuzingatia uso yenyewe. Kumbuka kwamba kuhesabu mstari wa scalar au vector muhimu juu ya curve\(C\), sisi kwanza tunahitaji parameterize\(C\). Kwa namna hiyo hiyo, kuhesabu uso muhimu juu ya uso\(S\), tunahitaji parameterize\(S\). Hiyo ni, tunahitaji dhana ya kazi ya uso wa parameterized (au uso wa parametric), kwa njia ile ile ambayo tayari tuna dhana ya curve parameterized.

    Uso wa parameterized hutolewa na maelezo ya fomu

    \[\vecs{r}(u,v) = \langle x (u,v), \, y(u,v), \, z(u,v)\rangle. \nonumber \]

    Angalia kwamba parameterization hii inahusisha vigezo viwili,\(u\) na\(v\), kwa sababu uso ni mbili-dimensional, na kwa hiyo vigezo viwili vinahitajika ili kufuatilia uso. Vigezo\(u\) na\(v\) kutofautiana juu ya kanda inayoitwa kikoa cha parameter, au nafasi ya parameter - seti ya pointi katika\(uv\) -plane ambayo inaweza kubadilishwa ndani\(\vecs r\). Kila uchaguzi wa\(u\) na\(v\) katika uwanja wa parameter hutoa uhakika juu ya uso, kama kila uchaguzi wa parameter\(t\) inatoa uhakika juu ya curve parameterized. Uso mzima umeundwa kwa kufanya uchaguzi wote unaowezekana wa\(u\) na\(v\) juu ya uwanja wa parameter.

    Ufafanuzi: Kipimo Domain

    Kutokana na parameterization ya uso

    \[\vecs{r}(u,v) = \langle x (u,v), \, y(u,v), \, z(u,v)\rangle. \nonumber \]

    uwanja wa parameter wa parameterization ni seti ya pointi katika\(uv\) -plane ambayo inaweza kubadilishwa ndani\(\vecs r\).

    Mfano\(\PageIndex{1}\): Parameterizing a Cylinder

    Eleza uso\(S\) parameterized na

    \[\vecs{r}(u,v) = \langle \cos u, \, \sin u, \, v \rangle, \, -\infty < u < \infty, \, -\infty < v < \infty. \nonumber \]

    Suluhisho

    Ili kupata wazo la sura ya uso, sisi kwanza tunapanga njama fulani. Tangu parameter uwanja ni wote wa\(\mathbb{R}^2\), tunaweza kuchagua thamani yoyote kwa ajili ya u na v na njama uhakika sambamba. Ikiwa\(u = v = 0\), basi\(\vecs r(0,0) = \langle 1,0,0 \rangle\), hivyo uhakika (1, 0, 0) umeendelea\(S\). Vile vile, pointi\(\vecs r(\pi, 2) = (-1,0,2)\) na\(\vecs r \left(\dfrac{\pi}{2}, 4\right) = (0,1,4)\) ni juu\(S\).

    Ingawa pointi za kupanga njama zinaweza kutupa wazo la sura ya uso, kwa kawaida tunahitaji pointi chache kabisa ili kuona sura. Kwa kuwa ni muda mwingi wa kupanga njama kadhaa au mamia ya pointi, tunatumia mkakati mwingine. Kwa taswira\(S\), sisi taswira familia mbili ya curves kwamba uongo juu\(S\). Katika familia ya kwanza ya curves sisi kushikilia\(u\) mara kwa mara; katika familia ya pili ya curves sisi kushikilia\(v\) mara kwa mara. Hii inatuwezesha kujenga “mifupa” ya uso, na hivyo kupata wazo la sura yake.

    • Tuseme kwamba\(u\) ni mara kwa mara\(K\). Kisha Curve kufuatiliwa na parameterization ni\(\langle \cos K, \, \sin K, \, v \rangle \), ambayo inatoa mstari wima kwamba huenda kwa njia ya hatua\((\cos K, \sin K, v \rangle\) katika\(xy\) -ndege.
    • Tuseme kwamba\(v\) ni mara kwa mara\(K\). Kisha Curve kufuatiliwa na parameterization ni\(\langle \cos u, \, \sin u, \, K \rangle \), ambayo inatoa mduara katika ndege\(z = K\) na Radius 1 na kituo cha\((0, 0, K)\).

    Ikiwa\(u\) inafanyika mara kwa mara, basi tunapata mistari ya wima; ikiwa\(v\) inafanyika mara kwa mara, basi tunapata miduara ya radius 1 iliyozingatia mstari wa wima unaozunguka asili. Kwa hiyo uso uliofanywa na parameterization ni silinda\(x^2 + y^2 = 1\) (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

    Michoro tatu katika vipimo vitatu. Ya kwanza inaonyesha mistari ya wima karibu na asili. pili inaonyesha duru sambamba wote na kituo katika asili na Radius ya 1. Ya tatu inaonyesha mistari na mduara. Pamoja, huunda mifupa ya silinda.
    Kielelezo\(\PageIndex{1}\): (a) Mistari\(\langle \cos K, \, \sin K, v \rangle \) ya\(K = 0, \, \dfrac{\pi}{2}, \, \pi\), na\(\dfrac{3\pi}{2}\). (b) Circles\(\langle \cos u, \, \sin u, \, K \rangle \) kwa\(K = -2, -1, 1,\) na\(2\) (c) mistari na duru pamoja. Kama\(u\) na\(v\) kutofautiana, wao kuelezea silinda.

    Kumbuka kwamba kama\(x = \cos u\) na\(y = \sin u\), basi\(x^2 + y^2 = 1\), hivyo pointi kutoka S kufanya kweli uongo juu ya silinda. Kinyume chake, kila hatua kwenye silinda iko kwenye mduara fulani\(\langle \cos u, \, \sin u, \, k \rangle \) kwa baadhi\(k\), na kwa hiyo kila hatua kwenye silinda iko kwenye uso wa parameterized (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)).

    Picha ya silinda ya wima katika vipimo vitatu na katikati ya msingi wake wa mviringo ulio kwenye mhimili wa z.
    Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Silinda\(x^2 + y^2 = r^2\) ina parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle r \, \cos u, \, r \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u \leq 2\pi, \, -\infty < v < \infty\).

    Uchambuzi

    Angalia kwamba ikiwa tunabadilisha kikoa cha parameter, tunaweza kupata uso tofauti. Kwa mfano, kama sisi vikwazo uwanja kwa\(0 \leq u \leq \pi, \, -\infty < v < 6\), basi uso itakuwa nusu silinda ya urefu 6.

    Zoezi\(\PageIndex{1}\)

    Eleza uso na parameterization

    \[\vecs{r} (u,v) = \langle 2 \, \cos u, \, 2 \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u \leq 2\pi, \, -\infty < v < \infty \nonumber \]

    Kidokezo

    Kushikilia\(u\) na\(v\) mara kwa mara, na uone ni aina gani ya matokeo ya curves.

    Jibu

    Silinda\(x^2 + y^2 = 4\)

    Inafuata kutoka Mfano\(\PageIndex{1}\) kwamba tunaweza parameterize mitungi yote ya fomu\(x^2 + y^2 = R^2\). Ikiwa S ni silinda iliyotolewa na equation\(x^2 + y^2 = R^2\), basi parameterization ya\(S\) ni\(\vecs r(u,v) = \langle R \, \cos u, \, R \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u \leq 2 \pi, \, -\infty < v < \infty.\)

    Tunaweza pia kupata aina tofauti za nyuso kutokana parameterization yao, au tunaweza kupata parameterization wakati sisi ni kupewa uso.

    Mfano\(\PageIndex{2}\): Describing a Surface

    Eleza uso\(S\) parameterized na\(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, u^2 \rangle, \, 0 \leq u < \infty, \, 0 \leq v < 2\pi\).

    Suluhisho

    Angalia kwamba ikiwa\(u\) inafanyika mara kwa mara, basi curve kusababisha ni mduara wa radius\(u\) katika ndege\(z = u\). Kwa hiyo, kama\(u\) ongezeko, radius ya mzunguko unaoongezeka huongezeka. Ikiwa\(v\) inafanyika mara kwa mara, basi curve kusababisha ni parabola wima. Kwa hiyo, tunatarajia uso kuwa paraboloid ya elliptic. Ili kuthibitisha hili, angalia kwamba

    \[\begin{align*} x^2 + y^2 &= (u \, \cos v)^2 + (u \, \sin v)^2 \\[4pt] &= u^2 \cos^2 v + u^2 sin^2 v \\[4pt] &= u^2 \\[4pt] &=z\end{align*}\]

    Kwa hiyo, uso ni paraboloid ya elliptic\(x^2 + y^2 = z\) (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

    Picha mbili katika vipimo vitatu. Ya kwanza inaonyesha miduara sambamba kwenye mhimili z na radii inaongezeka kama ongezeko. Parabolas ya wima kufungua sura ya miduara, na kutengeneza mifupa ya paraboloid. Ya pili inaonyesha paraboloid ya elliptic, ambayo inafanywa kwa miduara yote iwezekanavyo na parabolas wima katika uwanja wa parameter.
    Kielelezo\(\PageIndex{3}\): (a) Mizunguko hutoka\(u\) kwa kushikilia mara kwa mara; parabolas wima hutoka\(v\) kwa kushikilia mara kwa mara. (b) matokeo ya elliptic paraboloid kutoka uchaguzi wote wa\(u\) na\(v\) katika uwanja parameter.
    Zoezi\(\PageIndex{2}\)

    Eleza uso uliowekwa na\(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, u \rangle, \, - \infty < u < \infty, \, 0 \leq v < 2\pi\).

    Kidokezo

    Kushikilia\(u\) mara kwa mara na kuona ni aina gani ya matokeo ya curves. Fikiria kinachotokea kama\(u\) ongezeko au kupungua.

    Jibu

    Koni\(x^2 + y^2 = z^2\)

    Mfano\(\PageIndex{3}\): Finding a Parameterization

    Kutoa parameterization ya koni\(x^2 + y^2 = z^2\) iko juu au juu ya ndege\(z = -2\).

    Suluhisho

    Sehemu ya msalaba wa usawa wa koni kwa urefu\(z = u\) ni mduara\(x^2 + y^2 = u^2\). Kwa hiyo, hatua juu ya koni kwa urefu\(u\) ina kuratibu\((u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, u)\) kwa angle\(v\). Kwa hiyo, parameterization ya koni ni\(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, u \rangle \). Kwa kuwa hatujali koni nzima, sehemu tu juu au juu ya ndege\(z = -2\), uwanja wa parameter hutolewa na\(-2 < u < \infty, \, 0 \leq v < 2\pi\) (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)).

    Mchoro wa tatu-dimensional wa koni x ^ 2 + y ^ 2 = z ^ 2, ambayo inafungua kando ya mhimili z kwa maadili z chanya na kufungua chini ya mhimili z kwa maadili hasi z. Kituo hicho ni asili.
    Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Cone\(x^2 + y^2 = z^2\) ina parametrization\(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v \rangle , \, - \infty < u < \infty, \, 0 \leq v \leq 2\pi\).
    Zoezi\(\PageIndex{3}\)

    Kutoa parameterization kwa sehemu ya koni\(x^2 + y^2 = z^2\) iko katika octant ya kwanza.

    Kidokezo

    Fikiria kikoa cha parameter kwa uso huu.

    Jibu

    \(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, u \rangle, \, 0 < u < \infty, \, 0 \leq v < \dfrac{\pi}{2}\)

    Tumejadili vigezo vya nyuso mbalimbali, lakini aina mbili muhimu za nyuso zinahitaji majadiliano tofauti: nyanja na grafu za kazi mbili za kutofautiana. Ili parameterize nyanja, ni rahisi kutumia viwianishi vya spherical. Aina ya radius\(\rho\) iliyozingatia asili hutolewa na parameterization

    \(\vecs r(\phi,\theta) = \langle \rho \, \cos \theta \, \sin \phi, \, \rho \, \sin \theta \, \sin \phi, \, \rho \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \pi.\)

    Wazo la parameterization hii ni kwamba kama\(\phi\) sweeps chini kutoka chanya\(z\) -axis, mduara wa radius\(\rho \, \sin \phi\) ni chanzo chake nje kwa kuruhusu\(\theta\) kukimbia kutoka 0 hadi\(2\pi\). Ili kuona hili, hebu\(\phi\) iwe fasta. Kisha

    \ [kuanza {align*} x ^ 2 + y ^ 2 &= (\ rho\,\ cos\ theta\,\ dhambi\ phi) ^2 + (\ rho\,\ dhambi\ theta\,\ dhambi\ phi) ^2\ [4pt]
    &=\ rho^2\ dhambi ^ 2\ phi (\ cos ^ 2\ theta +\ dhambi ^ 2\ theta +\ dhambi ^ 2\ theta ta)\\ [4pt]
    &=\ rho ^ 2\,\ dhambi ^ 2\ phi\\ [4pt]
    &= (\ rho\,\ dhambi\ phi) ^2. \ mwisho {align*}\]

    Hii inasababisha mduara uliotaka (Kielelezo\(\PageIndex{5}\)).

    Mchoro tatu-dimensional wa nyanja ya radius rho.
    Kielelezo\(\PageIndex{5}\): nyanja ya radius\(\rho\) ina parameterization\(\vecs r(\phi, \theta) = \langle \rho \, \cos \theta \, \sin \phi, \, \rho \, \sin \theta \, \sin \phi, \, \rho \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \pi.\)

    Hatimaye, kwa parameterize grafu ya kazi mbili-variable, sisi kwanza basi\(z = f(x,y)\) kuwa kazi ya vigezo mbili. Parameterization rahisi ya grafu ya\(f\) ni\(\vecs r(x,y) = \langle x,y,f(x,y) \rangle\), wapi\(x\) na\(y\) kutofautiana juu ya uwanja wa\(f\) (Kielelezo\(\PageIndex{6}\)). Kwa mfano, grafu ya\(f(x,y) = x^2 y\) inaweza parameterized na\(\vecs r(x,y) = \langle x,y,x^2y \rangle\), ambapo vigezo\(x\) na\(y\) kutofautiana juu ya uwanja wa\(f\). Ikiwa tunajali tu kuhusu kipande cha grafu ya\(f\) - sema, kipande cha grafu juu ya mstatili\([ 1,3] \times [2,5]\) - basi tunaweza kuzuia uwanja wa parameter kutoa kipande hiki cha uso:

    \[\vecs r(x,y) = \langle x,y,x^2y \rangle, \, 1 \leq x \leq 3, \, 2 \leq y \leq 5. \nonumber \]

    Vile vile, ikiwa\(S\) ni uso uliotolewa na equation\(x = g(y,z)\) au equation\(y = h(x,z)\), basi parameterization ya\(S\) ni\(\vecs r(y,z) = \langle g(y,z), \, y,z\rangle\) au\(\vecs r(x,z) = \langle x,h(x,z), z\rangle\), kwa mtiririko huo. Kwa mfano, grafu ya paraboloid\(2y = x^2 + z^2\) inaweza kuwa parameterized na\(\vecs r(x,y) = \left\langle x, \dfrac{x^2+z^2}{2}, z \right\rangle, \, 0 \leq x < \infty, \, 0 \leq z < \infty\). Kumbuka kwamba hatuna haja ya kutofautiana juu ya uwanja mzima wa\(y\) kwa sababu\(x\) na\(z\) ni mraba.

    Mchoro wa tatu-dimensional wa uso z = f (x, y) juu ya ramani yake katika x mbili-dimensional, y ndege. Hatua (x, y) katika ndege inalingana na hatua z = f (x, y) juu ya uso.
    Kielelezo\(\PageIndex{6}\): Parameterization rahisi ya grafu ya kazi ni\(\vecs r(x,y) = \langle x,y,f(x,y)\rangle\).

    Hebu sasa tujalishe mawazo ya urembo na kawaida kwa uso wa parametric. Kumbuka kwamba Curve parameterization\(\vecs r(t), \, a \leq t \leq b\) ni mara kwa mara (au laini) kama\(\vecs r'(t) \neq \vecs 0\) kwa wote\(t\) katika\([a,b]\). Kwa Curve, hali hii kuhakikisha kwamba picha ya\(\vecs r\) kweli ni Curve, na si tu uhakika. Kwa mfano, fikiria parameterization ya curve\(\vecs r(t) = \langle 1,2\rangle, \, 0 \leq t \leq 5\). Picha ya parameterization hii ni uhakika tu\((1,2)\), ambayo sio safu. Kumbuka pia kwamba\(\vecs r'(t) = \vecs 0\). Ukweli kwamba derivative ni vector sifuri inaonyesha sisi si kweli kuangalia Curve.

    Kwa mfano, tungependa dhana ya kawaida (au urembo) kwa nyuso ili parameterization ya uso kweli haina kufuatilia nje ya uso. Ili kuhamasisha ufafanuzi wa kawaida wa parameterization ya uso, fikiria parameterization

    \[\vecs r(u,v) = \langle 0, \, \cos v, \, 1 \rangle, \, 0 \leq u \leq 1, \, 0 \leq v \leq \pi. \nonumber \]

    Ingawa parameterization hii inaonekana kuwa parameterization ya uso, angalia kwamba picha ni kweli mstari (Kielelezo\(\PageIndex{7}\)). Tunawezaje kuepuka parameterizations kama hii? Parameterizations kwamba wala kutoa uso halisi? Kumbuka kwamba\(\vecs r_u = \langle 0,0,0 \rangle\) na\(\vecs r_v = \langle 0, -\sin v, 0\rangle\), na sambamba msalaba bidhaa ni sifuri. Analog ya hali hiyo\(\vecs r'(t) = \vecs 0\)\(\vecs r_u \times \vecs r_v\) ni kwamba sio sifuri kwa uhakika\((u,v)\) katika uwanja wa parameter, ambayo ni parameterization ya kawaida.

    Mchoro wa tatu-dimensional wa mstari kwenye x, z ndege ambapo sehemu ya z ni 1, sehemu ya x ni 1, na sehemu y ipo kati ya -1 na 1.
    Kielelezo\(\PageIndex{7}\): Picha ya parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle 0, \cos v, 1 \rangle, \, 0 \leq u \leq 1, \, 0 \leq v \leq \pi\) ni mstari.
    Ufafanuzi: Parameterization mara kwa mara

    Parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), y(u,v), z(u,v) \rangle\) ni parameterization ya kawaida ikiwa\(\vecs r_u \times \vecs r_v\) sio sifuri kwa uhakika\((u,v)\) katika uwanja wa parameter.

    Ikiwa parameterization\(\vec{r}\) ni ya kawaida, basi picha ya\(\vec{r}\) ni kitu mbili-dimensional, kama uso unapaswa kuwa. Katika sura hii, parameterizations\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), y(u,v), z(u,v) \rangle\) ni kudhani kuwa mara kwa mara.

    Kumbuka kwamba Curve parameterization\(\vecs r(t), \, a \leq t \leq b\)\(\vecs r'(t)\) ni laini kama ni kuendelea na\(\vecs r'(t) \neq \vecs 0\) kwa wote\(t\) katika\([a,b]\). Kwa kawaida, parameterization ya curve ni laini ikiwa curve inayosababisha haina pembe kali. Ufafanuzi wa parameterization ya uso laini ni sawa. Kwa kawaida, parameterization ya uso ni laini ikiwa uso unaosababisha hauna pembe kali.

    Ufafanuzi: Nyuso za laini

    Parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), y(u,v), z(u,v) \rangle\) ya uso ni laini ikiwa vector\(\vecs r_u \times \vecs r_v\) si sifuri kwa uchaguzi wowote wa\(u\) na\(v\) katika uwanja wa parameter.

    Uso unaweza pia kuwa laini ya kipande ikiwa una nyuso laini lakini pia ina maeneo ambapo derivatives ya uongozi haipo.

    Mfano\(\PageIndex{4}\): Identifying Smooth and Nonsmooth Surfaces

    Ni ipi kati ya takwimu katika Kielelezo\(\PageIndex{8}\) ni laini?

    Takwimu mbili tatu. Uso wa kwanza ni laini. Inaonekana kama tairi yenye shimo kubwa katikati. Ya pili ni laini ya kipande. Ni piramidi yenye msingi wa mstatili na pande nne.
    Kielelezo\(\PageIndex{8}\): (a) Uso huu ni laini. (b) Uso huu ni laini ya kipande.

    Suluhisho

    Upeo katika Kielelezo\(\PageIndex{8a}\) unaweza kuwa parameterized na

    \[\vecs r(u,v) = \langle (2 + \cos v) \cos u, \, (2 + \cos v) \sin u, \, \sin v \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v < 2\pi \nonumber \]

    (tunaweza kutumia teknolojia ili kuthibitisha). Taarifa kwamba wadudu

    \[\vecs r_u = \langle - (2 + \cos v)\sin u, \, (2 + \cos v) \cos u, 0 \rangle \nonumber \]

    na

    \[\vecs r_v = \langle -\sin v \, \cos u, \, - \sin v \, \sin u, \, \cos v \rangle \nonumber \]

    zipo kwa uchaguzi wowote wa\(u\) na\(v\) katika uwanja wa parameter, na

    \[ \begin{align*} \vecs r_u \times \vecs r_v &= \begin{vmatrix} \mathbf{\hat{i}}& \mathbf{\hat{j}}& \mathbf{\hat{k}} \\ -(2 + \cos v)\sin u & (2 + \cos v)\cos u & 0\\ -\sin v \, \cos u & - \sin v \, \sin u & \cos v \end{vmatrix} \\[4pt] &= [(2 + \cos v)\cos u \, \cos v] \mathbf{\hat{i}} + [2 + \cos v) \sin u \, \cos v] \mathbf{\hat{j}} + [(2 + \cos v)\sin v \, \sin^2 u + (2 + \cos v) \sin v \, \cos^2 u]\mathbf{\hat{k}} \\[4pt] &= [(2 + \cos v)\cos u \, \cos v] \mathbf{\hat{i}} + [(2 + \cos v) \sin u \, \cos v]\mathbf{\hat{j}} + [(2 + \cos v)\sin v ] \mathbf{\hat{k}}. \end{align*}\]

    \(\mathbf{\hat{k}}\)Sehemu ya vector hii ni sifuri tu ikiwa\(v = 0\) au\(v = \pi\). Kama\(v = 0\) au\(v = \pi\), basi uchaguzi tu kwa ajili ya\(u\) kwamba kufanya\(\mathbf{\hat{j}}\) sehemu zero ni\(u = 0\) au\(u = \pi\). Lakini, uchaguzi huu wa\(u\) kufanya sifuri\(\mathbf{\hat{i}}\) sehemu. Kwa hiyo,\(\vecs r_u \times \vecs r_v\) si sifuri kwa uchaguzi wowote wa\(u\) na\(v\) katika uwanja wa parameter, na parameterization ni laini. Angalia kwamba uso unaofanana hauna pembe kali.

    Katika piramidi katika Kielelezo\(\PageIndex{8b}\), ukali wa pembe huhakikisha kwamba derivatives ya uongozi haipo katika maeneo hayo. Kwa hiyo, piramidi haina parameterization laini. Hata hivyo, piramidi ina nyuso nne za laini, na hivyo uso huu ni laini.

    Zoezi\(\PageIndex{4}\)

    Je, parameterization ya uso ni\(\vecs r(u,v) = \langle u^{2v}, v + 1, \, \sin u \rangle, \, 0 \leq u \leq 2, \, 0 \leq v \leq 3\) laini?

    Kidokezo

    Kuchunguza bidhaa msalaba\(\vecs r_u \times \vecs r_v\).

    Jibu

    Ndio

    Eneo la uso wa uso wa Parametric

    Lengo letu ni kufafanua uso muhimu, na kama hatua ya kwanza tuna kuchunguza jinsi ya parameterize uso. Hatua ya pili ni kufafanua eneo la uso wa parametric. Uthibitisho unaohitajika kuendeleza ufafanuzi huu unatumiwa katika sura hii yote.

    Hebu\(S\) iwe uso na parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v) \rangle\) juu ya uwanja fulani wa parameter\(D\). Sisi kudhani hapa na katika kwamba parameterization uso\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v) \rangle\) ni kuendelea kutofautishwa-maana, kila kazi sehemu ina kuendelea sehemu derivatives. Fikiria kwa ajili ya unyenyekevu ambao\(D\) ni mstatili (ingawa nyenzo zifuatazo zinaweza kupanuliwa ili kushughulikia vikoa vya parameter zisizo za mstatili). Gawanya mstatili\(D\) ndani ya subrectangles\(D_{ij}\) na upana usio na usawa\(\Delta u\) na urefu wa wima\(\Delta v\). Tuseme kwamba ni kati ya 1 hadi m na j ni kati ya 1 hadi n ili\(D\) imegawanywa katika rectangles mn. Mgawanyiko huu wa\(D\) ndani ya subrectangles hutoa mgawanyiko unaofanana wa uso\(S\) vipande vipande\(S_{ij}\). Chagua hatua\(P_{ij}\) katika kila kipande\(S_{ij}\). Point\(P_{ij}\) inafanana na uhakika\((u_i, v_j)\) katika uwanja wa parameter.

    Kumbuka kwamba tunaweza kuunda gridi ya taifa na mistari ambayo ni sawa na\(u\) -axis na\(v\) -axis katika\(uv\) -ndege. Hizi mistari gridi yanahusiana na seti ya curves gridi ya taifa juu ya uso\(S\) kwamba ni parameterized na\(\vecs r(u,v)\). Bila kupoteza kwa ujumla, tunadhani kwamba\(P_{ij}\) iko kwenye kona ya curves mbili za gridi ya taifa, kama ilivyo kwenye Mchoro\(\PageIndex{9}\). Kama sisi kufikiria\(\vecs r\) kama ramani kutoka\(uv\) -ndege kwa\(\mathbb{R}^3\), curves gridi ya taifa ni mfano wa mistari gridi ya chini ya\(\vecs r\). Ili kuwa sahihi, fikiria mistari ya gridi ya taifa inayopitia hatua\((u_i, v_j)\). Mstari mmoja unatolewa na\(x = u_i, \, y = v\); nyingine hutolewa na\(x = u, \, y = v_j\). Katika mstari wa kwanza wa gridi ya taifa, sehemu ya usawa inafanyika mara kwa mara, ikitoa mstari wa wima kupitia\((u_i, v_j)\). Katika mstari wa pili wa gridi ya taifa, sehemu ya wima inafanyika mara kwa mara, ikitoa mstari usio na usawa kupitia\((u_i, v_j)\). Curves sambamba gridi ya taifa ni\(\vecs r(u_i, v)\)\((u, v_j)\) na curves hizi intersect katika hatua\(P_{ij}\).

    michoro mbili, kuonyesha kwamba mistari gridi ya taifa kwenye uwanja parameter uhusiano na curves gridi ya juu ya uso. kwanza inaonyesha mbili-dimensional mstatili katika u, v ndege. Mstatili usio na usawa ni katika quadrant 1 na umevunjika katika mstatili wa 9x5 katika muundo wa gridi ya taifa. Mstatili mmoja Dij ina urefu wa upande delta u na delta v. kuratibu za kona ya chini kushoto ni (u_i *, v_j *). Katika vipimo vitatu, curves uso juu ya x, y ndege. Sehemu ya D_IJ imekuwa S_IJ juu ya uso na kona ya chini kushoto P_IJ.
    Kielelezo\(\PageIndex{9}\): Mstari wa gridi kwenye uwanja wa parameter yanahusiana na curves za gridi kwenye uso.

    Sasa fikiria vectors ambayo ni tangent kwa curves hizi gridi ya taifa. Kwa Curve gridi ya taifa\(\vecs r(u_i,v)\), vector tangent katika\(P_{ij}\) ni

    \[\vecs t_v (P_{ij}) = \vecs r_v (u_i,v_j) = \langle x_v (u_i,v_j), \, y_v(u_i,v_j), \, z_v (u_i,v_j) \rangle. \nonumber \]

    Kwa Curve gridi ya taifa\(\vecs r(u, v_j)\), vector tangent katika\(P_{ij}\) ni

    \[\vecs t_u (P_{ij}) = \vecs r_u (u_i,v_j) = \langle x_u (u_i,v_j), \, y_u(u_i,v_j), \, z_u (u_i,v_j) \rangle. \nonumber \]

    Ikiwa vector\(\vecs N = \vecs t_u (P_{ij}) \times \vecs t_v (P_{ij})\) ipo na sio sifuri, basi ndege ya tangent\(P_{ij}\) iko (Kielelezo\(\PageIndex{10}\)). Kama kipande\(S_{ij}\) ni ndogo ya kutosha, basi ndege tangent katika hatua\(P_{ij}\) ni makadirio nzuri ya kipande\(S_{ij}\).

    michoro mbili. moja upande wa kushoto ni mbili dimensional na katika roboduara ya kwanza ya u, v kuratibu ndege. U_0 uhakika ni alama juu ya usawa u mhimili, na uhakika v_0 ni alama juu ya wima v mhimili. Hatua (u_0, v_0) inavyoonekana kwenye ndege. Mchoro upande wa kulia unaonyesha toleo la safu ya gridi ya taifa. Sasa, u_0 imewekwa kama r (u_0, v) na v_0 imewekwa kama r (u, v_0). Nambari ya (u_0, v_0) inaitwa P. kutoka nje ya P ni mishale mitatu: moja ni mshale wa N wima, na nyingine mbili ni t_u na t_v kwa ndege ya tangent.
    Kielelezo\(\PageIndex{10}\): Ikiwa bidhaa ya msalaba wa vectors\(\vecs t_u\) na\(\vecs t_v\) ipo, basi kuna ndege ya tangent.

    Ndege ya tangent\(P_{ij}\) ina vectors\(\vecs t_u(P_{ij})\)\(\vecs t_v(P_{ij})\) na kwa hiyo parallelogram imeenea\(\vecs t_u(P_{ij})\) na\(\vecs t_v(P_{ij})\) iko katika ndege ya tangent. Kwa kuwa mstatili wa awali katika\(uv\) -ndege inayolingana na\(S_{ij}\) ina upana\(\Delta u\) na urefu\(\Delta v\), parallelogram tunayotumia kwa takriban\(S_{ij}\) ni parallelogram iliyopigwa\(\Delta u \vecs t_u(P_{ij})\) na\(\Delta v \vecs t_v(P_{ij})\). Kwa maneno mengine, tunaongeza vectors tangent na mara kwa mara\(\Delta u\) na\(\Delta v\) kufanana na kiwango cha mgawanyiko wa awali wa rectangles katika uwanja wa parameter. Kwa hiyo, eneo la parallelogram kutumika kwa takriban eneo la\(S_{ij}\) ni

    \[\Delta S_{ij} \approx ||(\Delta u \vecs t_u (P_{ij})) \times (\Delta v \vecs t_v (P_{ij})) || = ||\vecs t_u (P_{ij}) \times \vecs t_v (P_{ij}) || \Delta u \,\Delta v. \nonumber \]

    Tofauti uhakika\(P_{ij}\) juu ya vipande vyote\(S_{ij}\) na makadirio ya awali inaongoza kwa ufafanuzi wafuatayo wa eneo la uso wa parametric (Kielelezo\(\PageIndex{11}\)).

    S_IJ ya uso ambayo inaonekana kama parallelogram iliyopigwa. Point P_IJ iko kona ya chini kushoto, na mishale miwili ya bluu imetembea kutoka hatua hii hadi pembe za juu za kushoto na za chini za kulia za uso. Mishale miwili nyekundu pia kunyoosha kutoka hatua hii, na wao ni kinachoitwa t_v delta v na t_u delta u Hizi fomu pande mbili za parallelogram kwamba approximates kipande cha uso wa s_IJ Pande nyingine mbili hutolewa kama mistari iliyo na dotted.
    Kielelezo\(\PageIndex{11}\): Parallelogram\(\vecs t_u\) iliyopigwa\(\vecs t_v\) na inakaribia kipande cha uso\(S_{ij}\).
    Ufafanuzi: Kipimo cha Smooth cha Uso

    Hebu\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v) \rangle\) na uwanja wa parameter\(D\) uwe parameterization laini ya uso\(S\). Zaidi ya hayo, kudhani kwamba\(S\) ni chanzo chake nje mara moja tu kama\((u,v)\) inatofautiana juu ya\(D\). Eneo la uso\(S\) ni

    \[\iint_D ||\vecs t_u \times \vecs t_v || \,dA, \label{equation1} \]

    wapi\(\vecs t_u = \left\langle \dfrac{\partial x}{\partial u},\, \dfrac{\partial y}{\partial u},\, \dfrac{\partial z}{\partial u} \right\rangle\)

    na

    \[\vecs t_v = \left\langle \dfrac{\partial x}{\partial u},\, \dfrac{\partial y}{\partial u},\, \dfrac{\partial z}{\partial u} \right\rangle. \nonumber \]

    Mfano\(\PageIndex{5}\): Calculating Surface Area

    Tumia eneo la uso wa mviringo (eneo la “upande,” bila kujumuisha msingi) wa koni ya mviringo sahihi na urefu h na radius r.

    Suluhisho

    Kabla ya kuhesabu eneo la uso wa koni hii kwa kutumia Equation\ ref {equation1}, tunahitaji parameterization. Tunadhani koni hii iko\(\mathbb{R}^3\) na vertex yake katika asili (Kielelezo\(\PageIndex{12}\)). Ili kupata parameterization, hebu\(\alpha\) iwe angle ambayo imeondolewa kwa kuanzia kwenye z -axis nzuri na kuishia kwenye koni, na basi\(k = \tan \alpha\). Kwa thamani ya urefu\(v\) na\(0 \leq v \leq h\), radius ya mduara iliyoundwa na kuingiliana koni na ndege\(z = v\) ni\(kv\). Kwa hiyo, parameterization ya koni hii ni

    \[\vecs s(u,v) = \langle kv \, \cos u, \, kv \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v \leq h. \nonumber \]

    Wazo nyuma parameterization hii ni kwamba kwa fasta\(v\) -value, mduara swept nje kwa kuruhusu\(u\) kutofautiana ni mduara katika urefu\(v\) na Radius\(kv\). Kama\(v\) inavyoongezeka, parameterization inafuta “stack” ya miduara, na kusababisha koni inayotaka.

    Koni ya mviringo ya haki katika vipimo vitatu, kufungua juu ya mhimili z. Ina radius r = kh na urefu h na parameterization iliyotolewa. Alpha ni angle ambayo imeondolewa kwa kuanzia kwenye mhimili wa z-mhimili na kuishia kwenye koni. Inasemekana kuwa k ni sawa na tangent ya alpha.
    Kielelezo\(\PageIndex{12}\): Koni ya mviringo ya haki na radius\(r = kh\) na urefu\(h\) ina parameterization\(\vecs s(u,v) = \langle kv \, \cos u, \, kv \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v \leq h.\)

    Kwa parameterization mkononi, tunaweza kuhesabu eneo la uso wa koni kwa kutumia Equation\ ref {equation1}. Vectors tangent ni\(\vecs t_u = \langle - kv \, \sin u, \, kv \, \cos u, \, 0 \rangle\) na\(\vecs t_v = \langle k \, \cos u, \, k \, \sin u, \, 1 \rangle\). Kwa hiyo,

    \[ \begin{align*} \vecs t_u \times \vecs t_v &= \begin{vmatrix} \mathbf{\hat{i}} & \mathbf{\hat{j}} & \mathbf{\hat{k}} \\ -kv \sin u & kv \cos u & 0 \\ k \cos u & k \sin u & 1 \end{vmatrix} \\[4pt] &= \langle kv \, \cos u, \, kv \, \sin u, \, -k^2 v \, \sin^2 u - k^2 v \, \cos^2 u \rangle \\[4pt] &= \langle kv \, \cos u, \, kv \, \sin u, \, - k^2 v \rangle. \end{align*}\]

    Ukubwa wa vector hii ni

    \[ \begin{align*} ||\langle kv \, \cos u, \, kv \, \sin u, \, -k^2 v \rangle || &= \sqrt{k^2 v^2 \cos^2 u + k^2 v^2 \sin^2 u + k^4v^2} \\[4pt] &= \sqrt{k^2v^2 + k^4v^2} \\[4pt] &= kv\sqrt{1 + k^2}. \end{align*}\]

    Kwa Equation\ ref {equation1}, eneo la uso wa koni ni

    \[ \begin{align*}\iint_D ||\vecs t_u \times \vecs t_v|| \, dA &= \int_0^h \int_0^{2\pi} kv \sqrt{1 + k^2} \,du\, dv \\[4pt] &= 2\pi k \sqrt{1 + k^2} \int_0^h v \,dv \\[4pt] &= 2 \pi k \sqrt{1 + k^2} \left[\dfrac{v^2}{2}\right]_0^h \\[4pt] \\[4pt] &= \pi k h^2 \sqrt{1 + k^2}. \end{align*}\]

    Tangu\(k = \tan \alpha = r/h\),

    \[ \begin{align*} \pi k h^2 \sqrt{1 + k^2} &= \pi \dfrac{r}{h}h^2 \sqrt{1 + \dfrac{r^2}{h^2}} \\[4pt] &= \pi r h \sqrt{1 + \dfrac{r^2}{h^2}} \\[4pt] \\[4pt] &= \pi r \sqrt{h^2 + h^2 \left(\dfrac{r^2}{h^2}\right) } \\[4pt] &= \pi r \sqrt{h^2 + r^2}. \end{align*}\]

    Kwa hiyo, eneo la uso wa koni ni\(\pi r \sqrt{h^2 + r^2}\).

    Uchambuzi

    Eneo la uso wa koni ya mviringo sahihi\(r\) na radius na urefu\(h\) hutolewa kama\(\pi r^2 + \pi r \sqrt{h^2 + r^2}\). Sababu ya hii ni kwamba msingi wa mviringo umejumuishwa kama sehemu ya koni, na kwa hiyo eneo la msingi\(\pi r^2\) linaongezwa kwenye eneo la uso la mviringo\(\pi r \sqrt{h^2 + r^2}\) ambalo tumepata.

    Zoezi\(\PageIndex{5}\)

    Pata eneo la uso wa uso na parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle u + v, \, u^2, \, 2v \rangle, \, 0 \leq u \leq 3, \, 0 \leq v \leq 2\).

    Kidokezo

    Tumia Equation\ ref {equation1}.

    Jibu

    \(\≈ 43.02\)

    Mfano\(\PageIndex{6}\): Calculating Surface Area

    Onyesha kwamba eneo la uso wa nyanja\(x^2 + y^2 + z^2 = r^2\) ni\(4 \pi r^2\).

    Suluhisho

    Sifa ina parameterization

    \(r \, \cos \theta \, \sin \phi, \, r \, \sin \theta \, \sin \phi, \, r \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta < 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \pi.\)

    Vectors tangent ni

    \(\vecs t_{\theta} = \langle -r \, \sin \theta \, \sin \phi, \, r \, \cos \theta \, \sin \phi, \, 0 \rangle\)

    na

    \(\vecs t_{\phi} = \langle r \, \cos \theta \, \cos \phi, \, r \, \sin \theta \, \cos \phi, \, -r \, \sin \phi \rangle.\)

    Kwa hiyo,

    \[ \begin{align*}\vecs t_{\phi} \times \vecs t_{\theta} &= \langle r^2 \cos \theta \, \sin^2 \phi, \, r^2 \sin \theta \, \sin^2 \phi, \, r^2 \sin^2 \theta \, \sin \phi \, \cos \phi + r^2 \cos^2 \theta \, \sin \phi \, \cos \phi \rangle \\[4pt] &= \langle r^2 \cos \theta \, \sin^2 \phi, \, r^2 \sin \theta \, \sin^2 \phi, \, r^2 \sin \phi \, \cos \phi \rangle. \end{align*}\]

    Sasa,

    \[ \begin{align*}||\vecs t_{\phi} \times \vecs t_{\theta} || &= \sqrt{r^4\sin^4\phi \, \cos^2 \theta + r^4 \sin^4 \phi \, \sin^2 \theta + r^4 \sin^2 \phi \, \cos^2 \phi} \\[4pt] &= \sqrt{r^4 \sin^4 \phi + r^4 \sin^2 \phi \, \cos^2 \phi} \\[4pt] &= r^2 \sqrt{\sin^2 \phi} \\[4pt] &= r \, \sin \phi.\end{align*}\]

    Kumbuka kwamba\(\sin \phi \geq 0\) kwenye uwanja wa parameter kwa sababu\(0 \leq \phi < \pi\), na hii inathibitisha equation\(\sqrt{\sin^2 \phi} = \sin \phi\). Eneo la uso wa nyanja ni

    \[\int_0^{2\pi} \int_0^{\pi} r^2 \sin \phi \, d\phi \,d\theta = r^2 \int_0^{2\pi} 2 \, d\theta = 4\pi r^2. \nonumber \]

    Tumepata formula inayojulikana kwa eneo la uso wa nyanja kwa kutumia integrals ya uso.

    Zoezi\(\PageIndex{6}\)

    Onyesha kwamba eneo la uso wa silinda\(x^2 + y^2 = r^2, \, 0 \leq z \leq h\) ni\(2\pi rh\). Kumbuka kwamba silinda hii haijumuishi miduara ya juu na ya chini.

    Kidokezo

    Tumia parameterization ya kawaida ya silinda na ufuate mfano uliopita.

    Jibu

    Kwa parameterization ya kiwango cha silinda, Equation\ ref {equation1} inaonyesha kwamba eneo la uso ni\(2 \pi rh\).

    Mbali na nyuso za parameterizing zinazotolewa na equations au maumbo ya kijiometri ya kawaida kama vile mbegu na nyanja, tunaweza pia parameterize nyuso za mapinduzi. Kwa hiyo, tunaweza kuhesabu eneo la uso wa mapinduzi kwa kutumia mbinu sawa. Hebu\(y = f(x) \geq 0\) kuwa chanya moja-variable kazi kwenye uwanja\(a \leq x \leq b\) na basi\(S\) kuwa uso kupatikana kwa kupokezana\(f\) kuhusu\(x\) -axis (Kielelezo\(\PageIndex{13}\)). Hebu\(\theta\) iwe angle ya mzunguko. Kisha,\(S\) inaweza kuwa parameterized na vigezo\(x\) na\(\theta\) kwa

    \[\vecs r(x, \theta) = \langle x, f(x) \, \cos \theta, \, f(x) \sin \theta \rangle, \, a \leq x \leq b, \, 0 \leq x \leq 2\pi. \nonumber \]

    Michoro miwili, a na b, kuonyesha uso wa mapinduzi. Ya kwanza inaonyesha vipimo vitatu. Katika ndege (x, y), safu iliyoandikwa y = f (x) hutolewa katika roboduara 1. Mstari hutolewa kutoka mwisho wa Curve chini ya mhimili x, na ni kinachoitwa f (x). Ya pili inaonyesha mtazamo huo wa mwelekeo wa tatu. Hata hivyo, pembe kutoka mchoro wa kwanza imezungushwa ili kuunda sura tatu ya mwelekeo kuhusu mhimili wa x. mpaka bado kinachoitwa y = f (x), kama Curve katika ndege ya kwanza ilikuwa. Ufunguzi wa sura ya mwelekeo wa tatu ni mviringo na radius f (x), kama mstari kutoka kwenye pembe hadi kwenye mhimili wa x katika ndege ya mchoro wa kwanza ulitajwa. Hatua juu ya mipaka ya ufunguzi imeandikwa (x, y, z), umbali kutoka kwa mhimili x hadi hatua hii hutolewa na kinachoitwa f (x), na urefu hutolewa na kinachoitwa z. urefu ni perpendicular x, y ndege na, kwa hivyo, awali f (x) line inayotolewa kutoka mchoro wa kwanza. Pembe kati ya mstari huu na mstari kutoka kwa mhimili x hadi (x, y, z) inaitwa theta.
    Kielelezo\(\PageIndex{13}\): Tunaweza parameterize uso wa mapinduzi na\(\vecs r(x,\theta) = \langle x, f(x) \cos \theta, f(x) \sin \theta \rangle, \, a \leq x \leq b, \, 0 \leq x < 2\pi\).
    Mfano\(\PageIndex{7}\): Calculating Surface Area

    Pata eneo la uso wa mapinduzi yaliyopatikana kwa kupokezana\(y = x^2, \, 0 \leq x \leq b\) kuhusu x -axis (Kielelezo\(\PageIndex{14}\)).

    Imara ya mapinduzi inayotolewa katika vipimo viwili. Mango hutengenezwa kwa kupokezana kazi y = x ^ 2 kuhusu mhimili x. uhakika C ni alama juu ya mhimili x kati ya 0 na x', ambayo alama ya ufunguzi wa imara.
    Kielelezo\(\PageIndex{14}\): Muhimu wa uso unaweza kutumika kuhesabu eneo la uso wa imara hii ya mapinduzi.

    Suluhisho

    Uso huu una parameterization\(\vecs r(x, \theta) = \langle x, \, x^2 \cos \theta, \, x^2 \sin \theta \rangle, \, 0 \leq x \leq b, \, 0 \leq x < 2\pi.\)

    Vectors tangent ni\( \vecs t_x = \langle 1, \, 2x \, \cos \theta, \, 2x \, \sin \theta \rangle\) na\(\vecs t_{\theta} = \langle 0, \, -x^2 \sin \theta, \, -x^2 \cos \theta \rangle\).

    Kwa hiyo,

    \[\begin{align*} \vecs t_x \times \vecs t_{\theta} &= \langle 2x^3 \cos^2 \theta + 2x^3 \sin^2 \theta, \, -x^2 \cos \theta, \, -x^2 \sin \theta \rangle \\[4pt] &= \langle 2x^3, \, -x^2 \cos \theta, \, -x^2 \sin \theta \rangle \end{align*}\]

    na

    \[\begin{align*} \vecs t_x \times \vecs t_{\theta} &= \sqrt{4x^6 + x^4\cos^2 \theta + x^4 \sin^2 \theta} \\[4pt] &= \sqrt{4x^6 + x^4} \\[4pt] &= x^2 \sqrt{4x^2 + 1} \end{align*}\]

    Eneo la uso wa mapinduzi ni

    \ [kuanza {align*}\ int_0 ^ b\ int_0^ {2\ pi} x ^ 2\ sqrt {4x^2 + 1}\, d\ theta\, dx &= 2\ pi\ int_0 ^ b x ^ 2\ sqrt {4x^2 + 1}\, dx\\ [4pt]
    &= 2\ pi\ kushoto [\ dfrac {1} {64}\ kushoto (2\ sqrt {4x^2 + 1} (8x ^ 3 + x)\,\ sinh^ {-1} (2x)\ haki)\ haki] _0 ^ b\\ [4pt]
    &= 2\ pi\ kushoto [\ dfrac {1} {64}\ kushoto (2 \ sqrt {4b ^ 2 + 1} (8b ^ 3 + b)\,\ sinh^ {-1} (2b)\ haki)\ haki]. \ mwisho {align*}\]

    Zoezi\(\PageIndex{7}\)

    Tumia Equation\ ref {equation1} ili upate eneo la uso wa mapinduzi lililopatikana kwa kupokezana curve\(y = \sin x, \, 0 \leq x \leq \pi\) kuhusu\(x\) -axis.

    Kidokezo

    Tumia parameterization ya nyuso za mapinduzi iliyotolewa kabla ya Mfano\(\PageIndex{7}\).

    Jibu

    \(2\pi (\sqrt{2} + \sinh^{-1} (1))\)

    Surface Integral ya Kazi Scalar-Thamani

    Sasa kwa kuwa tunaweza parameterize nyuso na tunaweza kuhesabu maeneo yao ya uso, tunaweza kufafanua integrals uso. Kwanza, hebu tuangalie sehemu muhimu ya kazi ya thamani ya scalar. Kwa kawaida, sehemu muhimu ya kazi ya thamani ya scalar ni analog ya mstari wa scalar muhimu katika mwelekeo mmoja wa juu. Uwanja wa ushirikiano wa mstari wa mstari wa scalar ni safu ya parameterized (kitu kimoja); uwanja wa ushirikiano wa uso wa scalar muhimu ni uso wa parameterized (kitu mbili-dimensional). Kwa hiyo, ufafanuzi wa uso muhimu hufuata ufafanuzi wa mstari unaofaa kwa karibu sana. Kwa integrals scalar line, sisi kung'olewa Curve uwanja katika vipande vidogo, alichagua hatua katika kila kipande, computed kazi katika hatua hiyo, na kuchukua kikomo ya sambamba Riemann jumla. Kwa integrals uso scalar, sisi kukata mkoa wa kikoa (tena curve) katika vipande vidogo na kuendelea kwa mtindo huo.

    Hebu\(S\) iwe uso wa laini na parameterization\(\vecs{r}(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v) \rangle \) na kikoa cha parameter\(D\) na basi\(f(x,y,z)\) iwe kazi na kikoa kilicho na\(S\). Kwa sasa, kudhani uwanja wa parameter\(D\) ni mstatili, lakini tunaweza kupanua mantiki ya msingi ya jinsi tunavyoendelea kwenye uwanja wowote wa parameter (uchaguzi wa mstatili ni tu kufanya notation zaidi kusimamiwa). Gawanya mstatili\(D\) ndani ya subrectangles\(D_{ij}\) na upana usio na usawa\(\Delta u\) na urefu wa wima\(\Delta v\). Tuseme kwamba\(i\) ni kati\(1\) ya hadi\(m\) na\(D\) ni\(j\) kati\(1\) ya hadi\(n\) hivyo kwamba imegawanywa katika\(mn\) rectangles. Mgawanyiko huu wa\(D\) ndani ya subrectangles hutoa mgawanyiko unaofanana wa\(S\) vipande vipande\(S_{ij}\). Chagua hatua\(P_{ij}\) katika kila kipande\(S_{ij}\) kutathmini\(P_{ij}\) saa\(f\), na kuzidisha\(S_{ij}\) kwa eneo kuunda jumla Riemann

    \[\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(P_{ij}) \, \Delta S_{ij}. \nonumber \]

    Ili kufafanua sehemu muhimu ya kazi ya thamani ya scalar, tunaruhusu maeneo ya vipande vya\(S\) kupungua hadi sifuri kwa kuchukua kikomo.

    Ufafanuzi: Uso Muhimu wa Kazi ya Scalar-Thamani

    uso muhimu ya scalar thamani functi\(f\) juu ya uso piecewise laini\(S\) ni

    \[\iint_S f(x,y,z) dA = \lim_{m,n\rightarrow \infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(P_{ij}) \Delta S_{ij}. \nonumber \]

    Tena, angalia kufanana kati ya ufafanuzi huu na ufafanuzi wa mstari wa scalar muhimu. Katika ufafanuzi wa mstari muhimu sisi kukata Curve vipande vipande, kutathmini kazi katika hatua katika kila kipande, na kuruhusu urefu wa vipande shrink kwa sifuri kwa kuchukua kikomo cha sambamba Riemann jumla. Katika ufafanuzi wa uso muhimu, sisi kukata uso katika vipande vipande, kutathmini kazi katika hatua katika kila kipande, na kuruhusu eneo la vipande shrink kwa sifuri kwa kuchukua kikomo cha sambamba Riemann jumla. Hivyo, muhimu ya uso ni sawa na mstari muhimu lakini kwa mwelekeo mmoja wa juu.

    Ufafanuzi wa mstari wa scalar muhimu unaweza kupanuliwa kwa vikoa vya parameter ambavyo si mstatili kwa kutumia mantiki hiyo iliyotumiwa mapema. Wazo la msingi ni kukata kikoa cha parameter katika vipande vidogo, chagua hatua ya sampuli katika kila kipande, na kadhalika. Sura halisi ya kila kipande katika uwanja wa sampuli inakuwa haina maana kama maeneo ya vipande hupungua hadi sifuri.

    Scalar uso integrals ni vigumu kukokotoa kutoka ufafanuzi, kama scalar line integrals ni. Kuendeleza njia ambayo inafanya integrals uso rahisi compute, sisi takriban maeneo ya uso\(\Delta S_{ij}\) na vipande vidogo vya ndege tangent, kama tulivyofanya katika kifungu cha awali. Kumbuka ufafanuzi wa wadudu\(\vecs t_u\) na\(\vecs t_v\):

    \[\vecs t_u = \left\langle \dfrac{\partial x}{\partial u},\, \dfrac{\partial y}{\partial u},\, \dfrac{\partial z}{\partial u} \right\rangle\, \text{and} \, \vecs t_v = \left\langle \dfrac{\partial x}{\partial u},\, \dfrac{\partial y}{\partial u},\, \dfrac{\partial z}{\partial u} \right\rangle. \nonumber \]

    Kutoka kwa nyenzo ambazo tayari tumejifunza, tunajua hilo

    \[\Delta S_{ij} \approx ||\vecs t_u (P_{ij}) \times \vecs t_v (P_{ij})|| \,\Delta u \,\Delta v. \nonumber \]

    Kwa hiyo,

    \[\iint_S f(x,y,z) \,dS \approx \lim_{m,n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(P_{ij})|| \vecs t_u(P_{ij}) \times \vecs t_v(P_{ij}) ||\,\Delta u \,\Delta v. \nonumber \]

    Makadirio hii inakuwa kiholela karibu na\(\displaystyle \lim_{m,n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n f(P_{ij}) \Delta S_{ij}\) kama sisi kuongeza idadi ya vipande\(S_{ij}\) kwa kuruhusu\(m\) na\(n\) kwenda infinity. Kwa hiyo, tuna equation zifuatazo kuhesabu integrals uso scalar:

    \[\iint_S f(x,y,z)\,dS = \iint_D f(\vecs r(u,v)) ||\vecs t_u \times \vecs t_v||\,dA. \label{scalar surface integrals} \]

    Equation\ ref {scalar uso integrals} inaruhusu sisi mahesabu ya uso muhimu kwa kubadilisha kuwa muhimu mara mbili. Equation hii kwa integrals uso ni sawa na equation kwa integrals line:

    \[\iint_C f(x,y,z)\,ds = \int_a^b f(\vecs r(t))||\vecs r'(t)||\,dt. \nonumber \]

    Katika kesi hii, vector\(\vecs t_u \times \vecs t_v\) ni perpendicular kwa uso, wakati vector\(\vecs r'(t)\) ni tangent kwa curve.

    Mfano\(\PageIndex{8}\): Calculating a Surface Integral

    Mahesabu ya uso muhimu

    \[\iint_S 5 \, dS, \nonumber \]

    \(S\)wapi uso na parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle u, \, u^2, \, v \rangle\) kwa\(0 \leq u \leq 2\) na\(0 \leq v \leq u\).

    Suluhisho

    Angalia kwamba uwanja huu wa parameter\(D\) ni pembetatu, na kwa hiyo uwanja wa parameter sio mstatili. Hii si suala ingawa, kwa sababu Equation\ ref {scalar uso integrals} haina kuweka vikwazo yoyote juu ya sura ya kikoa parameter.

    Kutumia Equation\ ref {scalar uso integrals} kwa mahesabu ya uso muhimu, sisi kwanza kupata wadudu\(\vecs t_u\) na\(\vecs t_v\). Kumbuka kuwa\(\vecs t_u = \langle 1, 2u, 0 \rangle\) na\(\vecs t_v = \langle 0,0,1 \rangle\). Kwa hiyo,

    \[\vecs t_u \times \vecs t_v = \begin{vmatrix} \mathbf{\hat i} & \mathbf{\hat j} & \mathbf{\hat k} \nonumber \\ 1 & 2u & 0 \nonumber \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} = \langle 2u, \, -1, \, 0 \rangle\ \nonumber \]

    na

    \[||\vecs t_u \times \vecs t_v|| = \sqrt{1 + 4u^2}. \nonumber \]

    By Equation\ ref {scalar uso integrals},

    \ [kuanza {align*}\ iInt_s 5\, dS &= 5\ iInt_d\ sqrt {1 + 4u ^ 2}\, da\\
    &= 5\ int_0 ^ 2\ int_0 ^ u\ sqrt {1 + 4u ^ 2}\, dv\, du = 5\ int_0 ^ 2 u\ sqrt {1 + 4u ^ 2}\, du\\
    &= 5\ kushoto [\ dfrac {(1+4u ^ 2) ^ {3/2}} {3}\ haki] _0 ^ 2\\
    &=\ dfrac {5 (17^ {3/2} -1)} {3}\ takriban 115. 15. \ mwisho {align*}\]

    Mfano\(\PageIndex{9}\): Calculating the Surface Integral of a Cylinder

    Mahesabu ya uso muhimu\[\iint_S (x + y^2) \, dS, \nonumber \] ambapo\(S\) ni silinda\(x^2 + y^2 = 4, \, 0 \leq z \leq 3\) (Kielelezo\(\PageIndex{15}\)).

    Grafu katika vipimo vitatu vya silinda. Msingi wa silinda ni kwenye ndege (x, z), na kituo cha mhimili y. Inaweka kando ya mhimili y.
    Kielelezo\(\PageIndex{15}\): Kuunganisha kazi\(f(x,y,z) = x + y^2\) juu ya silinda.

    Suluhisho

    Ili kuhesabu muhimu ya uso, sisi kwanza tunahitaji parameterization ya silinda. parameterization ni\(\vecs r(u,v) = \langle \cos u, \, \sin u, \, v \rangle, 0 \leq u \leq 2\pi, \, 0 \leq v \leq 3.\)

    Vectors tangent ni\(\vecs t_u = \langle \sin u, \, \cos u, \, 0 \rangle\) na\(\vecs t_v = \langle 0,0,1 \rangle\). Kisha,

    \[\vecs t_u \times \vecs t_v = \begin{vmatrix} \mathbf{\hat i} & \mathbf{\hat j} & \mathbf{\hat k} \\ -\sin u & \cos u & 0 \\ 0 & 0 & 1 \end{vmatrix} = \langle \cos u, \, \sin u, \, 0 \rangle \nonumber \]

    na\(||\vecs t_u \times \vecs t_v || = \sqrt{\cos^2 u + \sin^2 u} = 1\). By Equation\ ref {scalar uso integrals},

    \ [kuanza {align*}\ iInt_s f (x, y, z) ds &=\ iInt_d f (\ vecs r (u, v)) ||\ vecs t_u\ mara\ vecs t_v||\, da\\
    &=\ int_0 ^\ int_0^ {2\ pi} (\ cos u +\ sin^2 u)\, du\, dv\\
    &=\ int_0 ^ 3\ kushoto [\ dhambi u +\ dfrac {u} {2} -\ dfrac {\ dhambi (2u)} {4}\ haki] _0^ {2\ pi}\, dv\\
    &= \ int_0 ^ 3\ pi\, dv = 3\ pi. \ mwisho {align*}\]

    Zoezi\(\PageIndex{8}\)

    Tumia\[\iint_S (x^2 - z) \,dS, \nonumber \]\(S\) wapi uso na parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle v, \, u^2 + v^2, \, 1 \rangle, \, 0 \leq u \leq 2, \, 0 \leq v \leq 3.\)

    Kidokezo

    Matumizi Equation\ ref {scalar uso integrals}.

    Jibu

    24

    Mfano\(\PageIndex{10}\): Calculating the Surface Integral of a Piece of a Sphere

    Mahesabu ya uso muhimu\[\iint_S f(x,y,z)\,dS, \nonumber \] ambapo\(f(x,y,z) = z^2\) na\(S\) ni uso ambayo ina kipande cha nyanja\(x^2 + y^2 + z^2 = 4\) ambayo iko juu au juu ya ndege\(z = 1\) na disk kwamba ni iliyoambatanishwa na makutano ndege\(z = 1\) na nyanja fulani (Kielelezo\(\PageIndex{16}\)).

    Mchoro katika vipimo vitatu vya nusu ya juu ya nyanja. Kituo hicho ni asili, na radius ni 2. Sehemu ya juu juu ya ndege z=1 imekatwa na kivuli; wengine ni muhtasari tu wa hemisphere. Sehemu ya juu ina kituo cha saa (0,0,1) na radius ya tatu radical.
    Kielelezo\(\PageIndex{16}\): Kuhesabu uso muhimu juu ya uso\(S\).

    Suluhisho

    Angalia kwamba\(S\) si laini lakini ni kipande laini;\(S\) inaweza kuandikwa kama muungano wa msingi wake\(S_1\) na juu yake spherical\(S_2\), na wote wawili\(S_1\) na\(S_2\) ni laini. Kwa hiyo, kwa mahesabu

    \[\iint_S z^2 dS, \nonumber \]

    tunaandika hii muhimu kama

    \[\iint_{S_1} z^2 \,dS + \iint_{S_2} z^2 \,dS \nonumber \]

    na sisi mahesabu integrals

    \[\iint_{S_1} z^2 \,dS \nonumber \]

    na

    \[\iint_{S_2}Z^2 \,dS. \nonumber \]

    Kwanza, sisi mahesabu\(\displaystyle \iint_{S_1} z^2 \,dS.\) Kuhesabu muhimu hii tunahitaji parameterization ya\(S_1\). Uso huu ni disk katika ndege\(z = 1\) unaozingatia\((0,0,1)\). Ili parameterize disk hii, tunahitaji kujua radius yake. Tangu disk ni sumu ambapo ndege\(z = 1\) intersects nyanja\(x^2 + y^2 + z^2 = 4\), tunaweza mbadala\(z = 1\) katika equation\(x^2 + y^2 + z^2 = 4\):

    \[x^2 + y^2 + 1 = 4 \Rightarrow x^2 + y^2 = 3. \nonumber \]

    Kwa hiyo, radius ya disk ni\(\sqrt{3}\) na parameterization ya\(S_1\) ni\(\vecs r(u,v) = \langle u \, \cos v, \, u \, \sin v, \, 1 \rangle, \, 0 \leq u \leq \sqrt{3}, \, 0 \leq v \leq 2\pi\). Vectors tangent ni\(\vecs t_u = \langle \cos v, \, \sin v, \, 0 \rangle \) na\(\vecs t_v = \langle -u \, \sin v, \, u \, \cos v, \, 0 \rangle\), na hivyo

    \[\vecs t_u \times \vecs t_v = \begin{vmatrix} \mathbf{\hat i} & \mathbf{\hat j} & \mathbf{\hat k} \\ \cos v & \sin v & 0 \\ -u\sin v & u\cos v& 0 \end{vmatrix} = \langle 0, \, 0, u \, \cos^2 v + u \, \sin^2 v \rangle = \langle 0, 0, u \rangle. \nonumber \]

    Ukubwa wa vector hii ni\(u\). Kwa hiyo,

    \ [kuanza {align*}\ iint_ {S_1} z ^ 2\, dS &=\ int_0^ {\ sqrt {3}}\ int_0^ {2\ pi} f (r (u, v)) ||t_u\ mara t_v||\, dv\\, du\\
    &=\ int_0^ {\ sqrt {3}}\ _0^ {2\ pi} u\, dv\, du\\
    &= 2\ pi\ int_0^ {\ sqrt {3}} u\, du\\
    &= 2\ pi\ sqrt {3}. \ mwisho {align*}\]

    Sasa tunahesabu

    \[\iint_{S_2} \,dS. \nonumber \]

    Ili kuhesabu hii muhimu, tunahitaji parameterization ya\(S_2\). Parameterization ya nyanja kamili\(x^2 + y^2 + z^2 = 4\) ni

    \[\vecs r(\phi, \theta) = \langle 2 \, \cos \theta \, \sin \phi, \, 2 \, \sin \theta \, \sin \phi, \, 2 \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi, 0 \leq \phi \leq \pi. \nonumber \]

    Kwa kuwa sisi ni tu kuchukua kipande cha nyanja juu ya au juu ya ndege\(z = 1\), tuna kuzuia uwanja wa\(\phi\). Kuona jinsi mbali angle hii inafuta, angalia kwamba angle inaweza kuwa iko katika pembetatu sahihi, kama inavyoonekana kwenye Mchoro\(\PageIndex{17}\) (\(\sqrt{3}\)inatokana na ukweli kwamba msingi wa\(S\) ni disk na radius\(\sqrt{3}\)). Kwa hiyo, tangent ya\(\phi\) ni\(\sqrt{3}\), ambayo ina maana kwamba\(\phi\) ni\(\pi / 6\). Sasa tuna parameterization ya\(S_2\):

    \(\vecs r(\phi, \theta) = \langle 2 \, \cos \theta \, \sin \phi, \, 2 \, \sin \theta \, \sin \phi, \, 2 \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \pi / 3.\)

    Mchoro wa ndege ndani ya mfumo wa kuratibu tatu-dimensional. Vipengele viwili vimewekwa kwenye mhimili wa z: (0,0,,2) na (0,0,1). Umbali kutoka asili hadi (0,0,1) umewekwa kama 1, umbali wa usawa kati ya hatua (0,0,1) na hatua ya tufe inaitwa radical tatu, na angle kati ya asili na uhakika juu ya nyanja ni theta. Kuna mstari unaotokana na asili hadi hatua kwenye nyanja, na hii huunda pembetatu.
    Kielelezo\(\PageIndex{17}\): thamani ya juu ya\(\phi\) ina thamani tangent ya\(\sqrt{3}\).

    Vectors tangent ni\(\vecs t_{\phi} = \langle 2 \, \cos \theta \, \cos \phi, \, 2 \, \sin \theta \,\cos \phi, \, -2 \, \sin \phi \rangle\) na\(\vecs t_{\theta} = \langle - 2 \sin \theta \sin \phi, \, u\cos \theta \sin \phi, \, 0 \rangle\), na hivyo

    \ [kuanza {align*}\ vecs t_ {\ phi}\ mara\ vecs t_ {\ theta} &=\ kuanza {vmatrix}\ matriki {\ kofia i} &\ hatbf {\ kofia j} &\ hatbf {\ kofia k}\ nonumber\\ 2\ cos\ cos\ cos\ cos\\ phi & 2\ dhambi\ theta\ cos\ phi & -2\ dhambi\ phi\ -2\ dhambi\ theta\ dhambi\ phi & 2\ cos\ theta\ dhambi\ phi & 0\ mwisho {vmatrix}\\ [4 pt]
    &=\ langle 4\,\ cos\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 4\,\ dhambi\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 4\,\ cos ^ 2\ theta\,\ cos\ phi\,\ dhambi\ phi + 4\,\ dhambi ^ 2\ theta\,\ cos\ phi\,\ dhambi\ phi\ rangle\\ [4 pt]
    &=\ langle 4\,\ cos\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 4\,\ dhambi\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 4\,\ cos\ phi\,\ sin\ phi\ rangle. \ mwisho {align*}\]

    Ukubwa wa vector hii ni

    \ [kuanza {align*}\ vecs t_ {\ phi}\ mara\ vecs t_ {\ theta} &=\ sqrt {16\,\ cos ^ 2\ theta\,\ dhambi ^ 4\ phi + 16\,\ dhambi ^ 2\ theta\,\ dhambi ^ 4\ phi + 16\,\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi ^ 2\ phi i}\\ [4 pt]
    &= 4\ sqrt {\ sin^4\ phi +\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi ^ 2\ phi}. \ mwisho {align*}\]

    Kwa hiyo,

    \ [kuanza {align*}\ iint_ {S_2} z\, D &=\ int_0^ {\ pi/6}\ int_0^ {2\ pi} f (\ vecs r (\ phi,\ theta)) ||\ vecs t_ {\ phi}\ mara\ vecs t_ {\ theta} ||\ d\ theta\, d\ phi\\
    &=\ int_0^ {\ pi/6}\ int_0^ {2\ pi} 16\,\ cos^2\ phi\ sqrt {\ dhambi ^ 4\ phi +\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi ^ 2\ phi}\, d\ theta\, d\ phi\\
    &= 32\ pi\ int_0^ {\ pi/6}\ cos ^ 2\ phi\ sqrt {\ dhambi ^ 4\ phi +\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi ^ 2\ phi}\, d\ phi\\
    &= 32\ pi\ int_0^ {\ pi/6}\ cos^2\ phi\,\ dhambi\ phi\ sqrt {\ pi/6}\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi\ phi\ sqrt {\ pi/6}\ dhambi ^ 2\ phi +\ cos ^ 2\ phi}\, d\ phi\\
    &= 32\ pi\ int_0^ {\ pi/6}\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi\ phi\\, d\ phi\\
    & = 32\ pi\ kushoto [-\ dfrac {\ cos^3\ phi} {3}\ haki] _0^ {\ pi/6}\\
    &= 32\ pi\ kushoto [\ dfrac {1} {3} -\ dfrac {\ sqrt {3} {\ sqrt {3} {4\ sqrt {8}\ haki] =\ dfrac {32\ pi} {3} - 4\ sqrt {3}. \ mwisho {align*}\]

    Tangu

    \[\iint_S z^2 \,dS = \iint_{S_1}z^2 \,dS + \iint_{S_2}z^2 \,dS, \nonumber \]

    tuna

    \[\iint_S z^2 \,dS = (2\pi - 4) \sqrt{3} + \dfrac{32\pi}{3}. \nonumber \]

    Uchambuzi

    Katika mfano huu sisi kuvunja uso muhimu juu ya uso piecewise katika kuongeza ya integrals uso juu ya subsurfaces laini. Kulikuwa na subsurfaces mbili tu laini katika mfano huu, lakini mbinu hii inaendelea kwa subsurfaces nyingi laini.

    Zoezi\(\PageIndex{9}\)

    Mahesabu line muhimu\(\displaystyle \iint_S (x - y) \, dS,\) ambapo\(S\) ni silinda\(x^2 + y^2 = 1, \, 0 \leq z \leq 2\), ikiwa ni pamoja na juu ya mviringo na chini.

    Kidokezo

    Kuvunja muhimu katika integrals tatu tofauti ya uso.

    Jibu

    0

    Scalar uso integrals na maombi kadhaa halisi ya dunia. Kumbuka kwamba integrals mstari scalar inaweza kutumika kukokotoa wingi wa waya kutokana na wiani kazi yake. Kwa mtindo sawa, tunaweza kutumia integrals uso scalar kukokotoa wingi wa karatasi kutokana na wiani kazi yake. Kama karatasi nyembamba ya chuma ina sura ya uso\(S\) na wiani wa karatasi katika hatua\((x,y,z)\) ni\(\rho(x,y,z)\) basi wingi\(m\) wa karatasi ni

    \[\displaystyle m = \iint_S \rho (x,y,z) \,dS. \label{mass} \]

    Mfano\(\PageIndex{11}\): Calculating the Mass of a Sheet

    Karatasi ya gorofa ya chuma ina sura ya uso\(z = 1 + x + 2y\) iliyo juu ya mstatili\(0 \leq x \leq 4\) na\(0 \leq y \leq 2\). Ikiwa wiani wa karatasi hutolewa na\(\rho (x,y,z) = x^2 yz\), ni kiasi gani cha karatasi?

    Suluhisho

    Hebu\(S\) iwe uso unaoelezea karatasi. Kisha, wingi wa karatasi hutolewa na\(\displaystyle m = \iint_S x^2 yx \, dS.\) Ili kukokotoa hii muhimu ya uso, sisi kwanza tunahitaji parameterization ya\(S\). Tangu\(S\) hutolewa na kazi\(f(x,y) = 1 + x + 2y\), parameterization ya\(S\) ni\(\vecs r(x,y) = \langle x, \, y, \, 1 + x + 2y \rangle, \, 0 \leq x \leq 4, \, 0 \leq y \leq 2\).

    Vectors tangent ni\(\vecs t_x = \langle 1,0,1 \rangle\) na\(\vecs t_y = \langle 1,0,2 \rangle\). Kwa hiyo,\(\vecs t_x + \vecs t_y = \langle -1,-2,1 \rangle\) na\(||\vecs t_x \times \vecs t_y|| = \sqrt{6}\).

    Kwa ufafanuzi wa mstari muhimu (Sehemu ya 16.2),\ [kuanza {align*} m &=\ Iint_s x ^ 2 yz\, ds\\ [4pt]
    &=\ sqrt {6}\ int_0 ^ 4\ int_0 ^ 2 x ^ 2 y (1 + x + 2y)\, dy\\, dx\\ [4pt]
    &=\ sqrt {6}\ int_0 ^ 4\ dfrac {22x^2} {3} + 2x^3\, dx\\ [4pt]
    &=\ dfrac {2560\ sqrt { 6}} {9}\ takriban 696.74. \ mwisho {align*}\]

    Zoezi\(\PageIndex{10}\)

    Kipande cha chuma kina umbo linalotokana na paraboloidi\(z = x^2 + y^2, \, 0 \leq z \leq 4,\) na wiani wa chuma hutolewa na\(\rho (x,y,z) = z + 1\). Pata wingi wa kipande cha chuma.

    Kidokezo

    Masi ya karatasi hutolewa na Equation\ ref {mass}. Parameterization muhimu ya paraboloid ilitolewa katika mfano uliopita.

    Jibu

    \(38.401 \pi \approx 120.640\)

    Mwelekeo wa Uso

    Kumbuka kwamba wakati sisi defined scalar line muhimu, hatukuwa na haja ya kuwa na wasiwasi kuhusu mwelekeo wa Curve ya ushirikiano. Vile vile ilikuwa kweli kwa integrals uso scalar: hatukuwa na haja ya kuwa na wasiwasi juu ya “mwelekeo” wa uso wa ushirikiano.

    Kwa upande mwingine, wakati sisi defined vector line integrals, Curve ya ushirikiano zinahitajika mwelekeo. Hiyo ni, tulihitaji dhana ya curve iliyoelekezwa ili kufafanua mstari wa vector muhimu bila utata. Vile vile, tunapofafanua sehemu muhimu ya shamba la vector, tunahitaji wazo la uso unaoelekezwa. Uso unaoelekezwa unapewa mwelekeo wa “juu” au “chini” au, katika kesi ya nyuso kama nyanja au silinda, mwelekeo wa “nje” au “ndani”.

    Hebu S iwe uso laini. Kwa hatua yoyote\((x,y,z)\) juu ya\(S\), tunaweza kutambua mbili kitengo wadudu kawaida\(\vecs N\) na\(-\vecs N\). Kama inawezekana kuchagua kitengo vector kawaida\(\vecs N\) katika kila hatua\((x,y,z)\) juu ya\(S\) hivyo kwamba\(\vecs N\) inatofautiana kuendelea juu\(S\), basi\(S\) ni “orientable.” Uchaguzi huo wa kitengo vector kawaida katika kila hatua inatoa mwelekeo wa uso\(S\). Ikiwa unafikiria shamba la kawaida kama kuelezea mtiririko wa maji, basi upande wa uso ambao maji hutembea kuelekea ni upande “hasi” na upande wa uso ambao maji hutoka ni upande “mzuri”. Kwa kawaida, uchaguzi wa mwelekeo hutoa upande\(S\) wa “nje” na upande wa “ndani” (au upande wa “juu” na upande wa “kushuka”), kama uchaguzi wa mwelekeo wa Curve hutoa maelekezo ya “mbele” na “nyuma”.

    Nyuso zilizofungwa kama vile nyanja zinaelekezwa: ikiwa tunachagua vector ya kawaida ya nje kila hatua juu ya uso wa nyanja, basi kitengo vectors kawaida hutofautiana kwa kuendelea. Hii inaitwa mwelekeo mzuri wa uso uliofungwa (Kielelezo\(\PageIndex{18}\)). Pia tunaweza kuchagua vector ya kawaida ya ndani kila hatua ili kutoa mwelekeo wa “ndani”, ambayo ni mwelekeo hasi wa uso.

    Picha tatu-dimensional ya nyanja iliyoelekezwa na mwelekeo mzuri. Vector ya kawaida N inatoka kutoka juu ya nyanja, kama vile moja kutoka sehemu ya juu kushoto ya nyanja.
    Kielelezo\(\PageIndex{18}\): nyanja iliyoelekezwa na mwelekeo mzuri.

    Sehemu ya grafu ya kazi yoyote ya laini pia\(z = f(x,y)\) inaelekezwa. Kama sisi kuchagua kitengo kawaida vector kwamba pointi “juu” uso katika kila hatua, basi kitengo vectors kawaida kutofautiana kuendelea juu ya uso. Tunaweza pia kuchagua kitengo kawaida vector kwamba pointi “chini” uso katika kila hatua. Ili kupata mwelekeo kama huo, sisi parameterize grafu ya\(f\) kwa njia ya kawaida:\(\vecs r(x,y) = \langle x,\, y, \, f(x,y)\rangle\), wapi\(x\) na\(y\) kutofautiana juu ya uwanja wa\(f\). Kisha,\(\vecs t_x = \langle 1,0,f_x \rangle\) na\(\vecs t_y = \langle 0,1,f_y \rangle \), na kwa hiyo bidhaa msalaba\(\vecs t_x \times \vecs t_y\) (ambayo ni ya kawaida kwa uso wakati wowote juu ya uso) ni\(\langle -f_x, \, -f_y, \, 1 \rangle \) Tangu\(z\) -sehemu ya vector hii ni moja, kitengo sambamba kawaida vector pointi “juu,” na upande wa juu wa uso huchaguliwa kuwa “chanya” upande.

    Hebu\(S\) kuwa laini orientable uso na parameterization\(\vecs r(u,v)\). Kwa kila hatua\(\vecs r(a,b)\) juu ya uso, vectors\(\vecs t_u\) na\(\vecs t_v\) uongo katika ndege tangent wakati huo. Vector\(\vecs t_u \times \vecs t_v\) ni ya kawaida kwa ndege tangent katika\(\vecs r(a,b)\) na kwa hiyo ni ya kawaida kwa\(S\) wakati huo. Kwa hiyo, uchaguzi wa kitengo vector kawaida

    \[\vecs N = \dfrac{\vecs t_u \times \vecs t_v}{||\vecs t_u \times \vecs t_v||} \nonumber \]

    inatoa mwelekeo wa uso\(S\).

    Mfano\(\PageIndex{12}\):Choosing an Orientation

    Kutoa mwelekeo wa silinda\(x^2 + y^2 = r^2, \, 0 \leq z \leq h\).

    Suluhisho

    Uso huu una parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle r \, \cos u, \, r \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v \leq h.\)

    Vectors tangent ni\(\vecs t_u = \langle -r \, \sin u, \, r \, \cos u, \, 0 \rangle \) na\(\vecs t_v = \langle 0,0,1 \rangle\). Ili kupata mwelekeo wa uso, sisi compute kitengo kawaida vector

    \[\vecs N = \dfrac{\vecs t_u \times \vecs t_v}{||\vecs t_u \times \vecs t_v||} \nonumber \]

    Katika kesi hiyo,\(\vecs t_u \times \vecs t_v = \langle r \, \cos u, \, r \, \sin u, \, 0 \rangle\) na kwa hiyo

    \[||\vecs t_u \times \vecs t_v|| = \sqrt{r^2 \cos^2 u + r^2 \sin^2 u} = r. \nonumber \]

    Mwelekeo wa silinda ni

    \[\vecs N(u,v) = \dfrac{\langle r \, \cos u, \, r \, \sin u, \, 0 \rangle }{r} = \langle \cos u, \, \sin u, \, 0 \rangle. \nonumber \]

    Angalia kwamba wadudu wote ni sawa na\(xy\) -ndege, ambayo inapaswa kuwa kesi na vectors ambayo ni ya kawaida kwa silinda. Zaidi ya hayo, wadudu wote wanasema nje, na kwa hiyo hii ni mwelekeo wa nje wa silinda (Kielelezo\(\PageIndex{19}\)).

    Mchoro wa silinda ya wima kukatwa kwa nusu na ndege. Kawaida ya kuelezea nje hutoka kutoka upande wa silinda.
    Kielelezo\(\PageIndex{19}\): Ikiwa vectors wote kawaida kwa silinda uhakika nje, basi hii ni mwelekeo wa nje wa silinda.
    Zoezi\(\PageIndex{11}\)

    Kutoa “juu” mwelekeo wa grafu ya\(f(x,y) = xy\).

    Kidokezo

    Parameterize uso na kutumia ukweli kwamba uso ni grafu ya kazi.

    Jibu

    \[\vecs{N}(x,y) = \left\langle \dfrac{-y}{\sqrt{1+x^2+y^2}}, \, \dfrac{-x}{\sqrt{1+x^2+y^2}}, \, \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2+y^2}} \right\rangle \nonumber \]

    Kwa kuwa kila Curve ina mwelekeo wa “mbele” na “nyuma” (au, katika kesi ya Curve imefungwa, mwelekeo wa saa na kinyume chake), inawezekana kutoa mwelekeo kwa curve yoyote. Kwa hiyo, inawezekana kufikiria kila curve kama curve oriented. Hii sio kwa nyuso, hata hivyo. Nyuso zingine haziwezi kuelekezwa; nyuso hizo huitwa zisizo na mwelekeo. Kimsingi, uso unaweza kuelekezwa ikiwa uso una upande wa “ndani” na upande wa “nje”, au upande wa “juu” na upande wa “chini”. Nyuso zingine zinajitokeza kwa namna hiyo kwamba hakuna dhana iliyoelezwa vizuri ya upande wa “ndani” au “nje”.

    Mfano wa classic wa uso usio na mwelekeo ni mstari wa Möbius. Ili kuunda mstari wa Möbius, chukua mstari wa mstatili wa karatasi, fanya kipande cha karatasi ya nusu, na gundi mwisho pamoja (Kielelezo\(\PageIndex{20}\)). Kwa sababu ya nusu-twist katika strip, uso hauna “nje” upande au “ndani” upande. Ikiwa unafikiria kuweka vector ya kawaida kwa hatua kwenye mstari na kuwa na vector kusafiri njia yote karibu na bendi, basi (kwa sababu ya nusu-twist) vector pointi katika mwelekeo kinyume wakati anapata nyuma ya nafasi yake ya awali. Kwa hiyo, mstari huo una upande mmoja tu.

    Picha inayoonyesha ujenzi wa mstari wa Mobius. Hatua ya kwanza inaonyesha mstatili na pembe A, B, C, na D, iliyoandikwa kutoka chini kushoto kwenda chini kulia kwa njia ya saa. Katika hatua ya pili, mstatili hupigwa katikati; sasa, kona D iko kwenye nafasi ya juu ya kulia, na kona C iko katika nafasi ya chini ya kulia. Tunaweza kuona upande wa “nyuma” wa mstatili. Katika hatua ya mwisho, mstatili umefungwa. Corner B unajumuisha kona D, na kona A unajumuisha kona C. flip kutoka hatua mbili bado. Lakini, “mbele” na “nyuma” sasa ni sawa kwa sababu ya flip!
    Kielelezo\(\PageIndex{20}\): Ujenzi wa mstari wa Möbius.

    Kwa kuwa nyuso zingine hazipatikani, haiwezekani kufafanua uso wa vector muhimu kwenye nyuso zote za laini. Hii ni tofauti na integrals vector line, ambayo inaweza kuelezwa juu ya yoyote piecewise laini Curve.

    Uso muhimu wa uwanja wa Vector

    Kwa wazo la nyuso zinazoelekezwa mahali, sasa tuko tayari kufafanua sehemu muhimu ya shamba la vector. Ufafanuzi huo ni sawa na ufafanuzi wa mtiririko wa shamba la vector pamoja na safu ya ndege. Kumbuka kwamba kama\(\vecs{F}\) ni mbili-dimensional vector shamba na\(C\) ni ndege Curve, basi ufafanuzi wa flux ya\(\vecs{F}\) pamoja\(C\) kushiriki\(C\) katika vipande vidogo, kuchagua hatua ndani ya kila kipande, na kuhesabu\(\vecs{F} \cdot \vecs{N}\) katika hatua (wapi\(\vecs{N}\) kitengo vector kawaida katika hatua). Ufafanuzi wa uso muhimu wa uwanja wa vector unaendelea kwa mtindo huo, isipokuwa sasa tunakata uso\(S\) ndani ya vipande vidogo, chagua hatua katika kipande kidogo (mbili-dimensional), na uhesabu kwa\(\vecs{F} \cdot \vecs{N}\) hatua.

    Ili kuweka ufafanuzi huu katika mazingira halisi ya ulimwengu, hebu\(S\) uwe na uso unaoelekezwa na vector ya kawaida ya kitengo\(\vecs{N}\). Hebu\(\vecs{v}\) kuwa shamba kasi ya maji inapita kupitia\(S\), na tuseme maji ina wiani\(\rho(x,y,z)\) Fikiria maji inapita kupitia\(S\), lakini\(S\) ni permit kabisa ili haina kuzuia mtiririko wa maji (Kielelezo\(\PageIndex{21}\)). Mzunguko mkubwa wa maji ni kiwango cha mtiririko wa wingi kwa eneo la kitengo. Flux ya wingi hupimwa kwa wingi kwa wakati wa kitengo kwa eneo la kitengo. Tunawezaje kuhesabu mzunguko wa wingi wa maji kote\(S\)?

    Mchoro unaoonyesha maji yanayotembea kwenye uso unaoweza kupunguzwa kabisa S. uso S ni mstatili unaozunguka upande wa kulia. Mishale inaonyesha nje ya uso kwa haki.
    Kielelezo\(\PageIndex{21}\): Fluid inapita katika uso kabisa permit\(S\).

    Kiwango cha mtiririko, kipimo kwa wingi kwa wakati wa kitengo kwa eneo la kitengo, ni\(\rho \vecs N\). Ili kuhesabu mzunguko wa wingi kote\(S\), suka\(S\) vipande vidogo\(S_{ij}\). Ikiwa\(S_{ij}\) ni ndogo ya kutosha, basi inaweza kuhesabiwa na ndege ya tangent wakati fulani\(P\)\(S_{ij}\). Kwa hiyo, kitengo kawaida vector katika\(P\) inaweza kutumika kwa takriban\(\vecs N(x,y,z)\) katika kipande nzima\(S_{ij}\) kwa sababu vector kawaida kwa ndege haina mabadiliko kama sisi hoja katika ndege. Sehemu ya vector\(\rho v\) katika P katika mwelekeo wa\(\vecs{N}\) ni\(\rho \vecs v \cdot \vecs N\) saa\(P\). Kwa kuwa\(S_{ij}\) ni ndogo, bidhaa dot\(\rho v \cdot N\) mabadiliko kidogo sana kama sisi kutofautiana katika\(S_{ij}\) na kwa hiyo\(\rho \vecs v \cdot \vecs N\) inaweza kuchukuliwa kama takriban mara kwa mara katika\(S_{ij}\). Ili takriban wingi wa maji kwa wakati wa kitengo kinachozunguka\(S_{ij}\) (na sio tu ndani ya nchi\(P\)), tunahitaji kuzidisha\((\rho \vecs v \cdot \vecs N) (P)\) kwa eneo la\(S_{ij}\). Kwa hiyo, wingi wa maji kwa wakati wa kitengo unaozunguka\(S_{ij}\) katika mwelekeo wa\(\vecs{N}\) unaweza kuhesabiwa na\((\rho \vecs v \cdot \vecs N)\Delta S_{ij}\) wapi\(\vecs{N}\),\(\rho\) na wote\(\vecs{v}\) hupimwa\(P\) (Kielelezo\(\PageIndex{22}\)). Hii ni sawa na flux ya mbili-dimensional vector shamba\(\vecs{F}\) katika ndege Curve\(C\), ambapo sisi takriban flux katika kipande kidogo cha\(C\) na kujieleza\((\vecs{F} \cdot \vecs{N}) \,\Delta s\). Ili takriban mzunguko wa molekuli kote\(S\), fanya jumla

    \[\sum_{i=1}m \sum_{j=1}^n (\rho \vecs{v} \cdot \vecs{N}) \Delta S_{ij}. \nonumber \]

    Kama vipande\(S_{ij}\) kupata ndogo, jumla

    \[\sum_{i=1}m \sum_{j=1}^n (\rho \vecs{v} \cdot \vecs{N}) \Delta S_{ij} \nonumber \]

    anapata kiholela karibu na flux molekuli. Kwa hiyo, flux molekuli ni

    \[\iint_s \rho \vecs v \cdot \vecs N \, dS = \lim_{m,n\rightarrow\infty} \sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n (\rho \vecs{v} \cdot \vecs{N}) \Delta S_{ij}. \nonumber \]

    Hii ni muhimu ya uso wa shamba la vector. Kuruhusu shamba la vector\(\rho \vecs{v}\) kuwa shamba la vector la kiholela\(\vecs{F}\) linasababisha ufafanuzi wafuatayo.

    Mchoro katika vipimo vitatu vya uso S. sehemu ndogo S_IJ imeandikwa. Kutoka nje ya sehemu hii ni vectors mbili, kinachoitwa N na F = v. pointi ya mwisho katika mwelekeo sawa na mishale mingine kadhaa na vipengele chanya z na y lakini vipengele hasi x.
    Kielelezo\(\PageIndex{22}\): Masi ya maji kwa wakati kitengo inapita\(S_{ij}\) katika mwelekeo wa\(\vecs N\) inaweza kuwa takriban na\((\rho \vecs v \cdot \vecs N) \Delta S_{ij}\).
    Ufafanuzi: Uso Integrals

    Hebu\(\vecs{F}\) kuendelea vector shamba na uwanja ambayo ina oriented uso\(S\) na kitengo vector kawaida\(\vecs{N}\). Sehemu muhimu ya\(\vecs{F}\) juu\(S\) ni

    \[\iint_S \vecs{F} \cdot \vecs{S} = \iint_S \vecs{F} \cdot \vecs{N} \,dS. \label{surfaceI} \]

    Angalia sambamba kati ya ufafanuzi huu na ufafanuzi wa vector line muhimu\(\displaystyle \int_C \vecs F \cdot \vecs N\, dS\). Sehemu muhimu ya uwanja wa vector hufafanuliwa kwa njia sawa na mstari wa flux muhimu katika pembe, isipokuwa uwanja wa ushirikiano ni uso (kitu cha pande mbili) badala ya pembe (kitu kimoja). Integral\(\displaystyle \iint_S \vecs F \cdot \vecs N\, dS\) inaitwa flux ya\(\vecs{F}\)\(S\) hela, kama muhimu\(\displaystyle \int_C \vecs F \cdot \vecs N\,dS\) ni flux ya\(\vecs F\) hela curve\(C\). Sehemu muhimu juu ya shamba la vector pia huitwa flux muhimu.

    Kama vile kwa integrals vector line, uso muhimu\(\displaystyle \iint_S \vecs F \cdot \vecs N\, dS\) ni rahisi kukokotoa baada ya uso\(S\) imekuwa parameterized. Hebu\(\vecs r(u,v)\) kuwa parameterization ya\(S\) na uwanja wa parameter\(D\). Kisha, kitengo cha kawaida cha vector kinatolewa\(\vecs N = \dfrac{\vecs t_u \times \vecs t_v}{||\vecs t_u \times \vecs t_v||}\) na, kutoka kwa Equation\ ref {SurfaceI}, tuna

    \ [kuanza {align*}\ Int_c\ vecs F\ cdot\ vecs N\, ds &=\ Iint_s\ vecs F\ cdot\ dfrac {\ vecs t_u\ mara\ vecs t_v} {||\ vecs t_u\\ mara\ vecs t_v||}\, DS\\ [4pt]
    &=\ Int_d\ kushoto (\ vecs F (\ vecs r (u, v)\ cdot\ dfrac {\ vecs t_u\ mara\ vecs t_v} {||\ vecs t_u\ mara\ vecs t_v||\ haki) ||\ vecs t_u \ mara\ vecs t_v ||\, da\\ [4pt]
    &=\ iInt_d (\ vecs F (\ vecs r (u, v))\ cdot (\ vecs t_u\ mara\ vecs t_v))\, da. \ mwisho {align*}\]

    Kwa hiyo, kukokotoa uso muhimu juu ya shamba vector tunaweza kutumia equation

    \[\iint_S \vecs F \cdot \vecs N\, dS = \iint_D (\vecs F (\vecs r (u,v)) \cdot (\vecs t_u \times \vecs t_v)) \,dA. \label{equation 5} \]

    Mfano\(\PageIndex{13}\): Calculating a Surface Integral

    Tumia sehemu muhimu ya uso

    \[\iint_S \vecs F \cdot \vecs N\,dS, \nonumber \]

    wapi\(\vecs{F} = \langle -y,x,0\rangle\) na\(S\) ni uso na parameterization

    \[\vecs r(u,v) = \langle u,v^2 - u, \, u + v\rangle, \, 0 \leq u \leq 3, \, 0 \leq v \leq 4. \nonumber \]

    Suluhisho

    Vectors tangent ni\(\vecs t_u = \langle 1,-1,1\rangle\) na\(\vecs t_v = \langle 0,2v,1\rangle\). Kwa hiyo,

    \[\vecs t_u \times \vecs t_v = \langle -1 -2v, -1, 2v\rangle. \nonumber \]

    Kwa Equation\ ref {equation 5},

    \[ \begin{align*} \iint_S \vecs F \cdot dS &= \int_0^4 \int_0^3 F (\vecs r(u,v)) \cdot (\vecs t_u \times \vecs t_v) \, du \,dv \\[4pt] &= \int_0^4 \int_0^3 \langle u - v^2, \, u, \, 0\rangle \cdot \langle -1 -2v, \, -1, \, 2v\rangle \, du\,dv \\[4pt] &= \int_0^4 \int_0^3 [(u - v^2)(-1-2v) - u] \, du\,dv \\[4pt] &= \int_0^4 \int_0^3 (2v^3 + v^2 - 2uv - 2u) \, du\,dv \\[4pt] &= \int_0^4 \left.[2v^3u + v^2u - vu^2 - u^2]\right|_0^3 \, dv \\[4pt] &= \int_0^4 (6v^3 + 3v^2 - 9v - 9) \, dv \\[4pt] &= \left[ \dfrac{3v^4}{2} + v^3 - \dfrac{9v^2}{2} - 9v\right]_0^4\\[4pt] &= 340. \end{align*}\]

    Kwa hiyo, mtiririko wa\(\vecs{F}\) hela\(S\) ni 340.

    Zoezi\(\PageIndex{12}\)

    Mahesabu ya uso muhimu\[\iint_S \vecs F \cdot \vecs N \, dS, \nonumber \] ambapo\(\vecs F = \langle 0, -z, y \rangle\) na\(S\) ni sehemu ya nyanja kitengo katika octant kwanza na mwelekeo wa nje.

    Kidokezo

    Tumia Equation\ ref {equation 5}.

    Jibu

    0

    Mfano\(\PageIndex{14}\):Calculating Mass Flow Rate

    Hebu\(\vecs v(x,y,z) = \langle 2x, \, 2y, \, z\rangle\) kuwakilisha shamba la kasi (pamoja na vitengo vya mita kwa pili) ya maji yenye wiani wa mara kwa mara 80 kg/m 3. Hebu\(S\) kuwa hemisphere\(x^2 + y^2 + z^2 = 9\) na\(z \leq 0\) vile ambavyo\(S\) vinaelekezwa nje. Pata kiwango cha mtiririko wa wingi wa maji kote\(S\).

    Suluhisho

    Parameterization ya uso ni

    \[\vecs r(\phi, \theta) = \langle 3 \, \cos \theta \, \sin \phi, \, 3 \, \sin \theta \, \sin \phi, \, 3 \, \cos \phi \rangle, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \pi/2. \nonumber \]

    Kama ilivyo katika Mfano, vectors tangent ni\(\vecs t_{\theta} = \langle -3 \, \sin \theta \, \sin \phi, \, 3 \, \cos \theta \, \sin \phi, \, 0 \rangle \) na\( \vecs t_{\phi} = \langle 3 \, \cos \theta \, \cos \phi, \, 3 \, \sin \theta \, \cos \phi, \, -3 \, \sin \phi \rangle,\) na bidhaa zao msalaba ni

    \[\vecs t_{\phi} \times \vecs t_{\theta} = \langle 9 \, \cos \theta \, \sin^2 \phi, \, 9 \, \sin \theta \, \sin^2 \phi, \, 9 \, \sin \phi \, \cos \phi \rangle. \nonumber \]

    Angalia kwamba kila sehemu ya bidhaa ya msalaba ni chanya, na kwa hiyo vector hii inatoa mwelekeo wa nje. Kwa hiyo, tunatumia mwelekeo

    \(\vecs N = \langle 9 \, \cos \theta \, \sin^2 \phi, \, 9 \, \sin \theta \, \sin^2 \phi, \, 9 \, \sin \phi \, \cos \phi \rangle \)

    kwa ajili ya nyanja.

    By\ studio {SurfaceI},

    \ [kuanza {align*}\ iInt_s\ rho v\ cdot\, ds &= 80\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^ {\ pi/2} v (r (\ phi,\ theta))\ cdot (t_ {\ phi}\ mara t_ {\ theta})\, d\ phi\, d\ theta\\
    &= 80\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^ {\ pi/2}\ langle 6\,\ cos\ theta\,\ dhambi\ phi,\, 6\,\ dhambi\ theta\,\ dhambi\ phi,\, 3\,\ cos\ phi\ rangle\ cdot\ langle 9\,\ cos\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 9\,\ dhambi\ theta\,\ dhambi ^ 2\ phi,\, 9\,\ dhambi\ phi\,\ cos\ phi\\ rangle\, d\ theta\\
    &= 80\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^ ^ {\ pi/2} 54\,\ dhambi ^ 3\ phi + 27\,\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi\ phi\, d\ theta\\
    &= 80\ int_0^ {2\ pi}\\ int_0^ {\ pi/2} 54 (1 -\ cos ^ 2\ phi)\,\ dhambi\ phi + 27\ cos^2\ phi\,\ dhambi\ phi\, d\ theta\\
    &= 80\ int_0^ {2\ pi}\ int_0^ {\ pi/2} 54\,\ dhambi\ phi - 27\,\ cos ^ 2\ phi\,\ dhambi\ phi\, d\ theta\\
    &= 80\ int_0^ {2\ pi}\ Big [-54\,\ cos\ phi + 9\,\ cos ^ 3\ phi\ Big] _ {\ phi =0} ^ {\ phi=2\ pi}\, d\ theta\\
    &=80\ int_0^ {2\ pi} 45\, d\ theta\\
    &= 7200\ pi. \ mwisho {align*}\ nonumber\]

    Kwa hiyo, kiwango cha mtiririko wa wingi ni\(7200\pi \, \text{kg/sec/m}^2\).

    Zoezi\(\PageIndex{13}\)

    Hebu\(\vecs v(x,y,z) = \langle x^2 + y^2, \, z, \, 4y \rangle\) m/sec inawakilisha shamba la kasi la maji na wiani wa mara kwa mara 100 kg/m 3. Hebu\(S\) kuwa nusu-silinda\(\vecs r(u,v) = \langle \cos u, \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u \leq \pi, \, 0 \leq v \leq 2\) oriented nje. Tumia mzunguko wa wingi wa maji kote\(S\).

    Kidokezo

    Tumia\ studio {SurfaceI}.

    Jibu

    400 kg/sec/m

    Katika Mfano\(\PageIndex{14}\), tumehesabu mzunguko wa wingi, ambayo ni kiwango cha mtiririko wa wingi kwa eneo la kitengo. Kama tunataka kupata kiwango cha mtiririko (kipimo kwa kiasi kwa wakati) badala yake, tunaweza kutumia flux muhimu

    \[\iint_S \vecs v \cdot \vecs N \, dS, \nonumber \]

    ambayo majani nje wiani. Kwa kuwa kiwango cha mtiririko wa maji hupimwa kwa kiasi kwa wakati wa kitengo, kiwango cha mtiririko haichukui molekuli. Kwa hiyo, tuna sifa zifuatazo za kiwango cha mtiririko wa maji na kasi\(\vecs v\) juu ya uso\(S\):

    \[\text{Flow rate of fluid across S} = \iint_S \vecs v \cdot dS. \nonumber \]

    Ili kukokotoa kiwango cha mtiririko wa maji katika Mfano, sisi tu kuondoa wiani mara kwa mara, ambayo inatoa kiwango cha mtiririko wa\(90 \pi \, m^3/sec\).

    Wote flux wingi na kiwango cha mtiririko ni muhimu katika fizikia na uhandisi. Misa ya mzunguko hupima kiasi gani kinachozunguka juu ya uso; kiwango cha mtiririko hupima kiasi gani cha maji kinachozunguka juu ya uso.

    Mbali na mfano wa mtiririko wa maji, integrals ya uso inaweza kutumika kutengeneza mtiririko wa joto. Tuseme kwamba joto\((x,y,z)\) katika hatua katika kitu ni\(T(x,y,z)\). Kisha mtiririko wa joto ni shamba la vector sawia na gradient hasi ya joto katika kitu. Ili kuwa sahihi, mtiririko wa joto hufafanuliwa kama shamba la vector\(F = - k \nabla T\), ambapo k mara kwa mara ni conductivity ya mafuta ya dutu ambayo kitu kinafanywa (mara kwa mara hii imedhamiriwa kwa majaribio). Kiwango cha mtiririko wa joto juu ya uso S katika kitu kinatolewa na uingizaji wa flux

    \[\iint_S \vecs F \cdot dS = \iint_S -k \vecs \nabla T \cdot dS. \nonumber \]

    Mfano\(\PageIndex{15}\): Calculating Heat Flow

    Silinda imara ya chuma imetolewa na kutofautiana\(x^2 + y^2 \leq 1, \, 1 \leq z \leq 4\). Joto katika hatua\((x,y,z)\) katika kanda iliyo na silinda ni\(T(x,y,z) = (x^2 + y^2)z\). Kutokana na kwamba conductivity ya mafuta ya chuma cha kutupwa ni 55, pata mtiririko wa joto kwenye mipaka ya imara ikiwa mipaka hii inaelekezwa nje.

    Suluhisho

    Hebu\(S\) kuashiria mipaka ya kitu. Ili kupata mtiririko wa joto, tunahitaji kuhesabu Flux muhimu\[\iint_S -k\vecs \nabla T \cdot dS. \nonumber \] Taarifa ambayo\(S\) si uso laini lakini ni piecewise laini, tangu\(S\) ni muungano wa nyuso tatu laini (mviringo juu na chini, na upande cylindrical). Kwa hiyo, sisi mahesabu ya tatu integrals tofauti, moja kwa kila kipande laini ya\(S\). Kabla ya kuhesabu integrals yoyote, kumbuka kuwa gradient ya joto ni\(\vecs \nabla T = \langle 2xz, \, 2yz, \, x^2 + y^2 \rangle\).

    Kwanza tunazingatia chini ya mviringo ya kitu, ambacho tunaashiria\(S_1\). Tunaweza kuona kwamba\(S_1\) ni mduara wa Radius 1 unaozingatia katika hatua\((0,0,1)\) ameketi katika ndege\(z = 1\). Uso huu una parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle v \, \cos u, \, v \, \sin u, \, 1 \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v \leq 1.\)

    Kwa hiyo,

    \(\vecs t_u = \langle -v \, \sin u, \, v \, \cos u, \, 0 \rangle\)na\(\vecs t_v = \langle \cos u, \, v \, \sin u, \, 0 \rangle\), na\(\vecs t_u \times \vecs t_v = \langle 0, \, 0, -v \, \sin^2 u - v \, \cos^2 u \rangle = \langle 0, \, 0, -v \rangle\).

    Kwa kuwa uso unaelekezwa nje na\(S_1\) ni chini ya kitu, ni busara kwamba vector hii inaonyesha chini. Kwa Equation, mtiririko wa joto hela\(S_1\) ni

    \[ \begin{align*}\iint_{S_1} -k \vecs \nabla T \cdot dS &= - 55 \int_0^{2\pi} \int_0^1 \vecs \nabla T(u,v) \cdot (\vecs t_u \times \vecs t_v) \, dv\, du \\[4pt] &= - 55 \int_0^{2\pi} \int_0^1 \langle 2v \, \cos u, \, 2v \, \sin u, \, v^2 \cos^2 u + v^2 \sin^2 u \rangle \cdot \langle 0,0, -v\rangle \, dv \,du \\[4pt] &= - 55 \int_0^{2\pi} \int_0^1 \langle 2v \, \cos u, \, 2v \, \sin u, \, v^2\rangle \cdot \langle 0, 0, -v \rangle \, dv\, du \\[4pt] &= - 55 \int_0^{2\pi} \int_0^1 -v^3 \, dv\, du \\[4pt] &= - 55 \int_0^{2\pi} -\dfrac{1}{4} du \\[4pt] &= \dfrac{55\pi}{2}.\end{align*}\]

    Sasa hebu tuchunguze juu ya mviringo ya kitu, ambacho tunaashiria\(S_2\). Tunaona kwamba\(S_2\) ni mduara wa radius 1 unaozingatia katika hatua\((0,0,4)\), ameketi katika ndege\(z = 4\). Uso huu una parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle v \, \cos u, \, v \, \sin u, \, 4 \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 0 \leq v \leq 1.\)

    Kwa hiyo,\(\vecs t_u = \langle -v \, \sin u, \, v \, \cos u, \, 0 \rangle\) na\(\vecs t_v = \langle \cos u, \, v \, \sin u, \, 0 \rangle \), na\(\vecs t_u \times \vecs t_v = \langle 0, \, 0, -v \, \sin^2 u - v \, \cos^2 u \rangle = \langle 0,0,-v\rangle\).

    Kwa kuwa uso ni oriented nje na\(S_1\) ni juu ya kitu, sisi badala kuchukua vector\(\vecs t_v \times \vecs t_u = \langle 0,0,v\rangle\). Kwa Equation, mtiririko wa joto hela\(S_1\) ni

    \ [kuanza {align*}\ iint_ {S_2} -k\ vecs\ nabla T\ cdot ds &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1\ vecs\ nabla T (u, v)\ cdot\, (\ vecs t_u\\ mara\ vecs t_v)\, dv\\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1\ angle 8v\,\ cos u,\, 8v\,\ sign u,\, v ^ 2\ cos^2 u + v ^ 2\ dhambi ^ 2 u\ rangle\ cdot\ angle 0,0, -v\ rangle\, dv\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0 ^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1\ langle 8v\,\ cos u,\, 8v\,\ dhambi u,\, v ^ 2\ rangle\ cdot\ langle 0, 0, -v\ rangle\,\, dv\, du\\ 4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1 -v ^ 3\, dv\, du = - 55\ int_0^ {2\ pi} -\ dfrac {1} {4}\, dfrac = -\ dfrac {55\ pi} {2}. \ mwisho {align*}\]

    Mwisho, hebu tuchunguze upande wa cylindrical wa kitu. Uso huu una parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle \cos u, \, \sin u, \, v \rangle, \, 0 \leq u < 2\pi, \, 1 \leq v \leq 4\). Kwa Mfano, tunajua kwamba\(\vecs t_u \times \vecs t_v = \langle \cos u, \, \sin u, \, 0 \rangle\). Kwa Equation,

    \ [kuanza {align*}\ iint_ {S_3} -k\ vecs\ nabla T\ cdot ds &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_1 ^\ vecs\ nabla T (u, v)\ cdot (\ vecs t_u\\ mara\ vecs t_v)\, dv\\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_1 ^ 4\ angle 2v\,\ cos u,\, 2v\,\ sign u,\,\ cos ^ 2 u +\ dhambi ^ 2 u\ rangle\ cdot\ langle\ cos u,\,\ sin u,\, 0\ rangle\, dv\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1\ angle 2v\,\ cos ^ 2 u,\, 2v\,\ sin u,\, 0\ rangle\\ cdot\ langle\ cos u,\,\ sin u,\, 0\ rangle\, dv\,\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1 (2v\,\ cos ^ 2 u + 2v\,\ dhambi ^ 2 u)\, dv\, du\\ [4pt]
    &= - 55\ int_0^ {2\ pi}\ int_0 ^ 1 2v\, dv\\, du\\ [4pt]
    &= -55\ int_0^ {2\ pi} du\\ [4pt]
    &= -110\ pi. \ mwisho {align*}\]

    Kwa hiyo, kiwango cha joto kati yake\(S\) ni

    \[\dfrac{55\pi}{2} - \dfrac{55\pi}{2} - 110\pi = -110\pi. \nonumber \]

    Zoezi\(\PageIndex{14}\)

    Mpira imara wa chuma unatolewa na kutofautiana\(x^2 + y^2 + z^2 \leq 1\). Joto katika hatua katika kanda iliyo na mpira ni\(T(x,y,z) = \dfrac{1}{3}(x^2 + y^2 + z^2)\). Pata mtiririko wa joto kwenye mipaka ya imara ikiwa mipaka hii inaelekezwa nje.

    Kidokezo

    Fuata hatua za Mfano\(\PageIndex{15}\).

    Jibu

    \(-\dfrac{440\pi}{3}\)

    Dhana muhimu

    • Nyuso zinaweza kuwa parameterized, kama vile curves inaweza parameterized. Kwa ujumla, nyuso zinapaswa kuwa parameterized na vigezo viwili.
    • Nyuso zinaweza kuelekezwa wakati mwingine, kama vile curves zinaweza kuelekezwa. Nyuso zingine, kama vile mchoro wa Möbius, haziwezi kuelekezwa.
    • Muhimu wa uso ni kama mstari muhimu katika mwelekeo mmoja wa juu. Uwanja wa ushirikiano wa uso muhimu ni uso katika ndege au nafasi, badala ya curve katika ndege au nafasi.
    • Ufungashaji wa uso wa uso unaweza kuwa kazi ya scalar au shamba la vector. Kuhesabu uso muhimu na integrand yaani kazi, kutumia Equation. Kuhesabu uso muhimu na integrand yaani shamba vector, kutumia Equation.
    • Ikiwa\(S\) ni uso, basi eneo la\(S\) ni\[\iint_S \, dS. \nonumber \]

    Mlinganyo muhimu

    • S calar uso muhimu

    \[\iint_S f(x,y,z) \,dS = \iint_D f (\vecs r(u,v)) ||\vecs t_u \times \vecs t_v||\,dA \nonumber \]

    • Flux muhimu

    \[\iint_S \vecs F \cdot \vecs N \, dS = \iint_S \vecs F \cdot dS = \iint_D \vecs F (\vecs r (u,v)) \cdot (\vecs t_u \times \vecs t_v) \, dA \nonumber \]

    faharasa

    flux muhimu
    jina jingine kwa ajili ya uso muhimu ya shamba vector; mrefu kuliko katika fizikia na uhandisi
    curves gridi
    curves juu ya uso kwamba ni sambamba na mistari gridi ya taifa katika ndege kuratibu
    mtiririko wa joto
    uwanja wa vector sawia na gradient hasi joto katika kitu
    molekuli flux
    kiwango cha mtiririko mkubwa wa maji kwa eneo la kitengo, kipimo kwa wingi kwa wakati wa kitengo kwa eneo la kitengo
    mwelekeo wa uso
    ikiwa uso una upande wa “ndani” na upande wa “nje”, basi mwelekeo ni uchaguzi wa upande wa ndani au wa nje; uso unaweza pia kuwa na mwelekeo wa “juu” na “chini”
    parameter kikoa (parameter nafasi)
    kanda ya\(uv\) -ndege ambayo vigezo\(u\) na\(v\) kutofautiana kwa parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v)\rangle\)
    uso wa parameterized (uso wa parametric)
    uso uliotolewa na maelezo ya fomu\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v)\rangle\), ambapo vigezo\(u\) na\(v\) kutofautiana juu ya uwanja wa parameter katika\(uv\) -plane
    parameterization ya kawaida
    parameterization\(\vecs r(u,v) = \langle x(u,v), \, y(u,v), \, z(u,v)\rangle\) vile kwamba\(r_u \times r_v\) si sifuri kwa uhakika\((u,v)\) katika uwanja parameter
    eneo la uso
    eneo la uso\(S\) uliotolewa na uso muhimu\[\iint_S \,dS \nonumber \]
    uso muhimu
    muhimu ya kazi juu ya uso
    uso muhimu wa kazi ya thamani ya scalar
    muhimu ya uso ambayo integrand ni kazi ya scalar
    uso muhimu wa shamba la vector
    muhimu ya uso ambayo integrand ni shamba la vector