计算三重积分之 (}^2dxdydz-|||-Ω,其中之 {)^2dxdydz-|||-Ω是由椭圆球面之 {}^2dxdydz-|||-Ω所围成的有界闭区域。
计算三重积分
,其中
是由椭圆球面
所围成的有界闭区域。
题目解答
答案
积分区域
是椭圆球面
,
根据三重积分先二后一的方法,可得:
,
∵
所包含的区域
,
∴
,
即:
求积分: 
故答案为
。
解析
考查要点:本题主要考查三重积分在椭圆球坐标系下的计算方法,重点在于坐标变换和对称性应用。
解题思路:
- 坐标变换:将椭圆球面方程转化为标准单位球面方程,简化积分区域。
- 雅可比行列式:通过变量代换调整体积元素。
- 对称性简化:利用球坐标系下对称性,快速计算积分。
破题关键:
- 变量代换:令 $u = \frac{x}{3}$,$v = \frac{y}{4}$,$w = \frac{z}{5}$,将椭圆球面转化为单位球面 $u^2 + v^2 + w^2 \leq 1$。
- 积分函数转化:原积分函数 $z^2$ 转化为 $(5w)^2$,结合雅可比行列式计算最终结果。
步骤1:坐标变换与雅可比行列式
令 $u = \frac{x}{3}$,$v = \frac{y}{4}$,$w = \frac{z}{5}$,椭圆球面方程变为 $u^2 + v^2 + w^2 \leq 1$。
雅可比行列式为 $3 \times 4 \times 5 = 60$,故体积元素 $dxdydz = 60 \, dudvdw$。
步骤2:积分函数转化
原积分函数 $z^2$ 转化为 $(5w)^2 = 25w^2$,因此原积分变为:
$\iiint_{\Omega} z^2 \, dxdydz = 25 \times 60 \iiint_{u^2+v^2+w^2 \leq 1} w^2 \, dudvdw = 1500 \iiint_{\text{单位球}} w^2 \, dudvdw.$
步骤3:计算单位球积分
利用对称性,单位球体中 $\iiint w^2 \, dudvdw = \frac{1}{3} \iiint (u^2 + v^2 + w^2) \, dudvdw$。
计算 $\iiint (u^2 + v^2 + w^2) \, dudvdw$:
$\int_0^{2\pi} \int_0^{\pi} \int_0^1 r^2 \cdot r^2 \sin\phi \, dr d\phi d\theta = 4\pi \int_0^1 r^4 \, dr = \frac{4\pi}{5}.$
因此,$\iiint w^2 \, dudvdw = \frac{1}{3} \cdot \frac{4\pi}{5} = \frac{4\pi}{15}$。
步骤4:代入计算最终结果
$1500 \times \frac{4\pi}{15} = 400\pi.$