题目
设Sigma为半球面z=sqrt(R^2-x^2-y^2)的上侧,则 iint_(Sigma) xdydz + ydzdx + zdxdy = ( )A. pi R^3B. 2pi R^3C. 3pi R^3D. 4pi R^3
设$\Sigma$为半球面$z=\sqrt{R^2-x^2-y^2}$的上侧,则 $\iint_{\Sigma} xdydz + ydzdx + zdxdy = (\quad)$
A. $\pi R^3$
B. $2\pi R^3$
C. $3\pi R^3$
D. $4\pi R^3$
题目解答
答案
B. $2\pi R^3$
解析
步骤 1:应用高斯公式
考虑半球面 $\Sigma$ 和平面 $\Sigma_1: z=0$(下侧)构成的闭合曲面。根据高斯公式,闭合曲面的通量等于其内部体积的散度积分。对于向量场 $\mathbf{F} = (x, y, z)$,其散度为 $\nabla \cdot \mathbf{F} = 1 + 1 + 1 = 3$。因此,闭合曲面的通量为 \[ \iint_{\Sigma + \Sigma_1} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = \iiint_{\Omega} 3 \, dV. \] 其中 $\Omega$ 是半球体的体积,其体积为 $\frac{2}{3} \pi R^3$。因此,闭合曲面的通量为 $3 \cdot \frac{2}{3} \pi R^3 = 2 \pi R^3$。
步骤 2:计算平面 $\Sigma_1$ 上的积分
平面 $\Sigma_1: z=0$(下侧)上的积分 \[ \iint_{\Sigma_1} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = 0. \] 因为在 $z=0$ 平面上,$z=0$,所以 $z \, dx \, dy = 0$,而 $x \, dy \, dz$ 和 $y \, dz \, dx$ 在 $z=0$ 平面上的积分也为零。
步骤 3:计算原积分
原积分 \[ \iint_{\Sigma} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = 2 \pi R^3. \] 因为闭合曲面的通量等于半球面 $\Sigma$ 和平面 $\Sigma_1$ 上的积分之和,而平面 $\Sigma_1$ 上的积分为零,所以原积分等于闭合曲面的通量。
考虑半球面 $\Sigma$ 和平面 $\Sigma_1: z=0$(下侧)构成的闭合曲面。根据高斯公式,闭合曲面的通量等于其内部体积的散度积分。对于向量场 $\mathbf{F} = (x, y, z)$,其散度为 $\nabla \cdot \mathbf{F} = 1 + 1 + 1 = 3$。因此,闭合曲面的通量为 \[ \iint_{\Sigma + \Sigma_1} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = \iiint_{\Omega} 3 \, dV. \] 其中 $\Omega$ 是半球体的体积,其体积为 $\frac{2}{3} \pi R^3$。因此,闭合曲面的通量为 $3 \cdot \frac{2}{3} \pi R^3 = 2 \pi R^3$。
步骤 2:计算平面 $\Sigma_1$ 上的积分
平面 $\Sigma_1: z=0$(下侧)上的积分 \[ \iint_{\Sigma_1} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = 0. \] 因为在 $z=0$ 平面上,$z=0$,所以 $z \, dx \, dy = 0$,而 $x \, dy \, dz$ 和 $y \, dz \, dx$ 在 $z=0$ 平面上的积分也为零。
步骤 3:计算原积分
原积分 \[ \iint_{\Sigma} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy = 2 \pi R^3. \] 因为闭合曲面的通量等于半球面 $\Sigma$ 和平面 $\Sigma_1$ 上的积分之和,而平面 $\Sigma_1$ 上的积分为零,所以原积分等于闭合曲面的通量。