题目
3.单选题 计算三重积分 iiintlimits_(Omega )xyzdx dy dz,其中Omega 是由上半球面z=sqrt(a^2)-x^(2-y^2)及平面z=0(其中a>0且为常数)所围成的闭区域() A. 2 B. 4 C. 6 D. 0
3.单选题 计算三重积分$ \iiint\limits_{\Omega }xyzdx dy dz$,其中$\Omega $是由上半球面$z=\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}$及平面$z=0$(其中a>0且为常数)所围成的闭区域()
A. 2
B. 4
C. 6
D. 0
A. 2
B. 4
C. 6
D. 0
题目解答
答案
为了计算三重积分 $\iiint\limits_{\Omega} xyz \, dx \, dy \, dz$,其中 $\Omega$ 是由上半球面 $z = \sqrt{a^2 - x^2 - y^2}$ 及平面 $z = 0$ 所围成的闭区域,我们可以使用球坐标系。在球坐标系中,变量 $x$、$y$ 和 $z$ 可以表示为:
\[ x = \rho \sin \phi \cos \theta, \]
\[ y = \rho \sin \phi \sin \theta, \]
\[ z = \rho \cos \phi, \]
其中 $\rho$ 是径向距离,$\phi$ 是极角,$\theta$ 是方位角。球坐标系中的体积元素 $dx \, dy \, dz$ 变换为 $\rho^2 \sin \phi \, d\rho \, d\phi \, d\theta$。
积分区域 $\Omega$ 在球坐标系中描述为 $0 \leq \rho \leq a$,$0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{2}$,和 $0 \leq \theta \leq 2\pi$。将 $x$、$y$ 和 $z$ 的表达式代入被积函数 $xyz$,我们得到:
\[ xyz = (\rho \sin \phi \cos \theta)(\rho \sin \phi \sin \theta)(\rho \cos \phi) = \rho^3 \sin^2 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta. \]
因此,三重积分变为:
\[ \iiint\limits_{\Omega} xyz \, dx \, dy \, dz = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{a} \rho^3 \sin^2 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta \rho^2 \sin \phi \, d\rho \, d\phi \, d\theta = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{a} \rho^5 \sin^3 \phi \cos \phi \cos \theta \sin \theta \, d\rho \, d\phi \, d\theta. \]
我们可以将这个积分分解为三个独立的积分:
\[ \left( \int_{0}^{a} \rho^5 \, d\rho \right) \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^3 \phi \cos \phi \, d\phi \right) \left( \int_{0}^{2\pi} \cos \theta \sin \theta \, d\theta \right). \]
首先,我们计算 $\rho$ 的积分:
\[ \int_{0}^{a} \rho^5 \, d\rho = \left[ \frac{\rho^6}{6} \right]_{0}^{a} = \frac{a^6}{6}. \]
接下来,我们计算 $\phi$ 的积分:
\[ \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^3 \phi \cos \phi \, d\phi. \]
设 $u = \sin \phi$,则 $du = \cos \phi \, d\phi$,积分变为:
\[ \int_{0}^{1} u^3 \, du = \left[ \frac{u^4}{4} \right]_{0}^{1} = \frac{1}{4}. \]
最后,我们计算 $\theta$ 的积分:
\[ \int_{0}^{2\pi} \cos \theta \sin \theta \, d\theta. \]
设 $v = \sin \theta$,则 $dv = \cos \theta \, d\theta$,积分变为:
\[ \int_{0}^{0} v \, dv = 0. \]
由于 $\theta$ 的积分结果为 0,整个三重积分的结果为:
\[ \frac{a^6}{6} \cdot \frac{1}{4} \cdot 0 = 0. \]
因此,三重积分的值为 $\boxed{0}$。正确答案是 $\boxed{D}$。
解析
考查要点:本题主要考查三重积分在球坐标系下的计算,以及利用对称性简化积分的能力。
解题核心思路:
- 坐标系选择:积分区域为上半球体,适合用球坐标系简化计算。
- 被积函数的奇偶性:被积函数$xyz$中,$\cos\theta \sin\theta$在$0$到$2\pi$的积分结果为$0$,导致整个积分结果为$0$。
- 对称性应用:无需展开计算,直接通过变量分离发现$\theta$积分项为$0$,从而快速得出结果。
破题关键点:
- 球坐标系转换:正确写出球坐标系下的变量表达式和体积元素。
- 积分分解:将三重积分分解为$\rho$、$\phi$、$\theta$三个独立积分的乘积。
- 快速判断零积分:通过$\cos\theta \sin\theta$的周期性对称性直接得出$\theta$积分结果为$0$。
步骤1:选择球坐标系
积分区域$\Omega$是上半球体,用球坐标系更简便。
- 球坐标变换公式:
$x = \rho \sin\phi \cos\theta, \quad y = \rho \sin\phi \sin\theta, \quad z = \rho \cos\phi$ - 体积元素:
$dx \, dy \, dz = \rho^2 \sin\phi \, d\rho \, d\phi \, d\theta$ - 积分限:
$0 \leq \rho \leq a, \quad 0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{2}, \quad 0 \leq \theta \leq 2\pi$
步骤2:代入被积函数
将$xyz$代入球坐标系表达式:
$xyz = (\rho \sin\phi \cos\theta)(\rho \sin\phi \sin\theta)(\rho \cos\phi) = \rho^3 \sin^2\phi \cos\phi \cos\theta \sin\theta$
积分变为:
$\iiint\limits_{\Omega} xyz \, dx \, dy \, dz = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{a} \rho^5 \sin^3\phi \cos\phi \cos\theta \sin\theta \, d\rho \, d\phi \, d\theta$
步骤3:分解积分
积分可分解为三个独立部分的乘积:
$\left( \int_{0}^{a} \rho^5 \, d\rho \right) \left( \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\phi \cos\phi \, d\phi \right) \left( \int_{0}^{2\pi} \cos\theta \sin\theta \, d\theta \right)$
步骤4:计算各部分积分
- $\rho$积分:
$\int_{0}^{a} \rho^5 \, d\rho = \frac{a^6}{6}$ - $\phi$积分:
令$u = \sin\phi$,则$du = \cos\phi \, d\phi$,积分变为:
$\int_{0}^{1} u^3 \, du = \frac{1}{4}$ - $\theta$积分:
利用$\cos\theta \sin\theta = \frac{1}{2}\sin2\theta$,积分周期为$2\pi$,结果为$0$。
步骤5:综合结果
三个积分结果相乘:
$\frac{a^6}{6} \cdot \frac{1}{4} \cdot 0 = 0$