第一型曲面积分-例题

例:圆柱面含在球内的部分面积

求圆柱面 x2+y2=ax 含在球面 x2+y2+z2=a2 内的那部分面积。

设圆柱面在 xy 平面上的底面曲线为 L,即 L:x2+y2=ax。

由于圆柱面是竖直柱面,可把面积看作底面曲线上的弧长元 ds 乘以竖直高度。球面给出

z=a2−x2−y2.

由对称性,只计算 y>0,z>0 的四分之一部分,再乘以 4:

S=4∫L,y>0a2−x2−y2ds.

底面曲线 L:x2+y2=ax 可化为

(x−a2)2+y2=(a2)2.

因此取参数方程

{x=a2+a2cos⁡θ,y=a2sin⁡θ,0≤θ≤π.

于是

ds=(x′)2+(y′)2dθ=a2dθ.

又因为在球面上

z=a2−x2−y2.

代入参数方程可得

z=asin⁡θ2.

所以

S=4∫0πasin⁡θ2⋅a2dθ.

令 t=θ2,则

S=4a2∫0π/2sin⁡tdt=4a2.

因此所求面积为

S=4a2.