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56 9 面積分 教科書 P. 77-83 9.1 スカラー場の面積分 スカラー場を適当な曲線に沿って積分したものが(スカラー場の)線積分であっ た。ここではスカラー場を適当な 曲面に沿って積分することを考えよう。以下のよ うな問題はこのようなスカラー場の面積分を考える動機となる。 S : r(u, v)(a u b, c v d) で表される曲面の上を、ある液体が深さ 1 覆っているとする。各 (u, v) に対して、 (x, y, z)= r(u, v) における流体の密度が、スカ ラー場 f (x, y, z) を用いて、f (r(u, v)) で表されているとする。液体の密度 f (r(u, v)) を曲面 S の上で次のように積分すれば、曲面 S を覆っている流体の質量を求めるこ とができるであろう。 ベクトル値関数 S : r(u, v)(a u b, c v d) によって表される曲面の面積 をどのように計算したか思い出そう。区間 [a, b] [c, d] を次のように分割した。 a = u 0 <u 1 < ··· <u N = b, c = v 0 <v 1 < ··· <v M = d. その上で、次の 4 (9.1) r(u i ,v j ), r(u i+1 ,v j ), r(u i ,v j+1 ), r(u i+1 ,v j+1 ) が作る微小な平行四辺形の面積を求め、すべて足し合わせたのであった。この微小な 平行四辺形の面積は、ベクトル積の性質を思い出して |(r(u i+1 ,v j ) - r(u i ,v j )) × (r(u i ,v j+1 ) - r(u i ,v j ))| によって計算できる。Δu i = u i+1 - u i , Δv j = v j+1 - v j とおいて r(u i+1 ,v j ) - r(u i ,v j )= r u (u i ,v j )Δu i r(u i ,v j+1 ) - r(u i ,v j )= r v (u i ,v j )Δv j

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S : r(u, v) (a ! u ! b, c ! v ! d) 1 (u, v)(x, y, z) = r(u, v) f(x, y, z)f(r(u, v)) f(r(u, v))
S S S : r(u, v) (a ! u ! b, c ! v ! d)
[a, b] [c, d] a = u0 < u1 < · · · < uN = b,
c = v0 < v1 < · · · < vM = d.
4 (9.1) r(ui, vj), r(ui+1, vj), r(ui, vj+1), r(ui+1, vj+1)

|(r(ui+1, vj)" r(ui, vj))# (r(ui, vj+1)" r(ui, vj))|
!ui = ui+1 " ui, !vj = vj+1 " vj r(ui+1, vj)" r(ui, vj) =
!r
!v (ui, vj)!vj
9.1
=
!!!!!ui!vj(9.2)
N $ %, M $ % !ui $ 0 (i = 0, 1, 2, · · · , N " 1) ,(9.3)
!vj $ 0 (j = 0, 1, 2, · · · ,M " 1)(9.4)

dS =
!!!! !r
f(ui, vj)$ %& '
c
# b
!!!! dudv
# #
9.1.
S : r(u, v) = (v cosu, v sinu, v) (0 ! u < 2", 0 ! v ! 1)
f(x, y, z) = 1 + 2z ( (S f(r(u, v))dS f(r(u, v)) = 1 + 2v
!!!! !r
= |(v cosu, v sinu,"v)|
9.2
u, v S : r(u, v) (a ! u ! b, c ! v ! d)
(u, v) = (u0, v0) (9.7)
!r
!v (u0, v0)
S r(u0, v0) 2 u, v (9.8)
!r
!u (u, v)# !r
!v (u, v) &= 0
u ' [a, b] , v ' [c, d] (9.8) S r(u0, v0) S2 (9.7) 1
) # !r
*
r(u0, v0) r(u0, v0) S S r(u0, v0)
± !r
n(u0, v0) :=
"v (u0, v0)!! "r "u (u0, v0)# "r
"v (u0, v0) !!
n(u, v) = "r "u (u, v)#
"r "v (u, v)!! "r
"u (u, v)# "r "v (u, v)
!!
9.3 1
f(x, y, z) S : r(u, v) (a ! u ! b, c ! v ! d) dS
f(r(u, v)) · n(u, v)dS
"r "v (u, v)!! "r
"u (u, v)# "r "v (u, v)
!!
f(r(ui, vj)) · n(ui, vj)
f(r(u, v)) · n(u, v)dS
"r "v (u, v)!! "r
"u (u, v)# "r "v (u, v)
!!
, dudv
# #
=
"u (u, v)# "r "v (u, v)
!!
, dudv
9.2. S : r(u, v) = (cosu, sinu, v) (0 ! u < 2", 0 ! v ! 1)
f(x, y, z) = (ezx, ezy, 1) ( ( S f(r(u, v)) · n(u, v)dS
!r
!u (u, v)# !r
!v (u, v) = (" sinu, cosu, 0)# (0, 0, 1) = (cosu, sinu, 0)
f(r(u, v)) ·
62
# 1
0
# 2!