题目
设S为曲面z=2-x^2-y^2(zgeq0),D为x^2+y^2leq2,则积分iint_S dS=().A. int_(0)^2pi dtheta int_(0)^sqrt(2) sqrt(1+4r^2) r drB. int_(0)^2pi dtheta int_(0)^1 sqrt(1+4r^2) r drC. iint_(D) sqrt(4x^2+4y^2) dx dyD. int_(0)^2pi dtheta int_(0)^2 sqrt(1+4r^2) r dr
设$S$为曲面$z=2-x^2-y^2$($z\geq0$),$D$为$x^2+y^2\leq2$,则积分$\iint_S dS=$().
A. $\int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{\sqrt{2}} \sqrt{1+4r^2} r dr$
B. $\int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{1} \sqrt{1+4r^2} r dr$
C. $\iint_{D} \sqrt{4x^2+4y^2} dx dy$
D. $\int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{2} \sqrt{1+4r^2} r dr$
题目解答
答案
A. $\int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{\sqrt{2}} \sqrt{1+4r^2} r dr$
解析
本题考查第一类曲面积分的计算,解题思路是先根据曲面方程求出$dS$的表达式,再将曲面积分转化为二重积分,最后利用极坐标计算二重积分。
- 求$dS$的表达式:
已知曲面$S$的方程为$z = 2 - x^2 - y^2$($z\geq0$),对$z$分别求关于$x$和$y$的偏导数:- 对$x$求偏导数:$z_{x}=\frac{\partial z}{\partial x}=-2x$。
- 对$y$求偏导数:$z_{y}=\frac{\partial z}{\partial y}=-2y$。
根据第一类曲面积分中$dS$的计算公式$dS = \sqrt{1 + z_{x}^{2} + z_{y}^{2}}dxdy$,可得:
$dS = \sqrt{1 + (-2x)^{2} + (-2y)^{2}}dxdy=\sqrt{1 + 4x^{2} + 4y^{2}}dxdy$。
- 将曲面积分转化为二重积分:
已知$\iint_S dS$,将$dS = \sqrt{1 + 4x^{2} + 4y^{2}}dxdy$代入可得:
$\iint_S dS=\iint_{D} \sqrt{1 + 4x^{2} + 4y^{2}}dxdy$,其中$D$为$x^2 + y^2\leq 2$。 - 利用极坐标计算二重积分:
在极坐标下,$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$dxdy = rdr d\theta$。
积分区域$D$:$x^2 + y^2\leq 2$在极坐标下表示为$0\leq r\leq\sqrt{2}$,$0\leq\theta\leq 2\pi$。
将$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$dxdy = rdr d\theta$代入$\iint_{D} \sqrt{1 + 4x^{2} + 4y^{2}}dxdy$可得:
$\iint_{D} \sqrt{1 + 4x^{2} + 4y^{2}}dxdy=\int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{\sqrt{2}} \sqrt{1 + 4r^{2}} r dr$。