利用高斯公式计算曲面积分∫∫xdydz+z^2dxdy/(x^2+y^2+z^2),其中曲面∑是由x^2+y^2=R^2

使用高斯公式后,化简后被积函数跟积分区域的圆柱体挺难构造关系,就按投影一步一步算吧.
∑被积区域可以看成3个平面围成,S1:z=R,S2:z=-R,S3:x^2+y^2=R^2.
可以看出S1,S2只在xoy平面内有投影,S3只在yoz平面有投影,所以积分dxdy部分只需考虑S1(令其对应积分值为I1),S2(令其对应积分值为I2),积分dydz只需考虑S3(令其对应积分值为I3).
I=I1+I2+I3
I1=(S1)∑∫∫z^2/(x^2+y^2+z^2)dxdy
I2=(S2)∑∫∫z^2/(x^2+y^2+z^2)dxdy
I3=(S3)∑∫∫z/(x^2+y^2+z^2)dydz
将S1,S2对应曲面方程z=R,z=-R代入I1,I2中(Dxy表示曲面在xoy投影,Dyz表示曲面在yoz投影).
I1=(Dxy)∫∫R^2/(z^2+y^2+R^2)dxdy
由于曲面是外侧,S2法相向量与坐标系方向夹角是钝角,曲面带入时积分值应加一个负号.
则I2=-(Dxy)∫∫(-R)^2/(z^2+y^2+(-R)^2)dxdy
=-(Dxy)∫∫R^2/(z^2+y^2+R^2)dxdy
=-I1
则I1+I2=0
I=I3,计算I3值即可,即∑为S3:x^2+y^2=R^2,所求积分I3=(S3)∑∫∫x/(x^2+y^2+z^2)dydz.
由于∑关于yoz平面对称,被积函数关于x为奇函数,
所以,将S3对应曲面方程x^2+y^2=R^2代入I3时,
得I3=2(Dyz)∫∫(R^2-y^2)^0.5/(R^2+z^2)dydz
画图可看出,曲面在yoz平面投影(Dyz)是个半径为r的正方形,y、z取值范围：-R