题目
设 Sigma 为锥面 z=1-sqrt(x^2+y^2) 被平面 z=0 所截得的有限部分的外侧,则曲面积分 iint_(Sigma) (x + e^y^2+z^2 ), dydz + (y + e^x^2+z^2 ), dzdx + (z + e^x^2+y^2 ), dxdy = ( ). A. epi - 2piB. epi - piC. epi + piD. epi
设 $\Sigma$ 为锥面 $z=1-\sqrt{x^2+y^2}$ 被平面 $z=0$ 所截得的有限部分的外侧,则曲面积分
$\iint_{\Sigma} \left(x + e^{y^2+z^2} \right)\, dydz + \left(y + e^{x^2+z^2} \right)\, dzdx + \left(z + e^{x^2+y^2} \right)\, dxdy = (\quad)$.
- A. $e\pi - 2\pi$
- B. $e\pi - \pi$
- C. $e\pi + \pi$
- D. $e\pi$
题目解答
答案
为了求解曲面积分 $\iint\limits_{\Sigma}(x+e^{y^{2}+z^{2}})dydz+(y+e^{x^{2}+z^{2}})dzdx+(z+e^{x^{2}+y^{2}})dxdy$,我们首先使用高斯公式。高斯公式将曲面积分转换为体积积分,公式为:
\[
\iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint\limits_{V} \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV
\]
其中,$\mathbf{F} = (x+e^{y^2+z^2}, y+e^{x^2+z^2}, z+e^{x^2+y^2})$,$\nabla \cdot \mathbf{F}$ 是 $\mathbf{F}$ 的散度。计算散度,我们得到:
\[
\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(x+e^{y^2+z^2}) + \frac{\partial}{\partial y}(y+e^{x^2+z^2}) + \frac{\partial}{\partial z}(z+e^{x^2+y^2}) = 1 + 1 + 1 = 3
\]
因此,曲面积分变为:
\[
\iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint\limits_{V} 3 \, dV = 3V
\]
其中 $V$ 是由锥面 $z = 1 - \sqrt{x^2 + y^2}$ 和平面 $z = 0$ 所围成的体积。这个体积是一个圆锥,其底面半径为 1,高为 1。圆锥的体积公式为:
\[
V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi \cdot 1^2 \cdot 1 = \frac{\pi}{3}
\]
所以,曲面积分的值为:
\[
3V = 3 \cdot \frac{\pi}{3} = \pi
\]
但是,我们需要注意,高斯公式中的曲面 $\Sigma$ 是闭合曲面,而题目中的 $\Sigma$ 只是锥面的外侧,不包括底面。因此,我们需要减去底面上的曲面积分。底面 $z = 0$ 上,$\mathbf{F} = (x+e^{y^2}, y+e^{x^2}, e^{x^2+y^2})$,底面的法向量 $\mathbf{n} = (0, 0, -1)$,所以:
\[
\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = (x+e^{y^2}, y+e^{x^2}, e^{x^2+y^2}) \cdot (0, 0, -1) = -e^{x^2+y^2}
\]
底面上的曲面积分是:
\[
\iint\limits_{D} -e^{x^2+y^2} \, d\sigma
\]
其中 $D$ 是半径为 1 的圆盘。使用极坐标 $x = r \cos \theta$,$y = r \sin \theta$,$d\sigma = r \, dr \, d\theta$,积分变为:
\[
\iint\limits_{D} -e^{x^2+y^2} \, d\sigma = -\int_0^{2\pi} \int_0^1 e^{r^2} r \, dr \, d\theta = -2\pi \int_0^1 e^{r^2} r \, dr
\]
令 $u = r^2$,则 $du = 2r \, dr$,积分变为:
\[
-2\pi \int_0^1 e^{r^2} r \, dr = -\pi \int_0^1 e^u \, du = -\pi (e^1 - e^0) = -\pi (e - 1) = -\pi e + \pi
\]
因此,底面上的曲面积分是 $-\pi e + \pi$。所以,原曲面积分的值为:
\[
\pi - (-\pi e + \pi) = \pi + \pi e - \pi = \pi e
\]
答案是 $\boxed{D}$。