题目
13.求由曲面z=8-x^2-y^2与z=2sqrt(x^2)+y^(2)所围成立体的体积.
13.求由曲面$z=8-x^{2}-y^{2}$与$z=2\sqrt{x^{2}+y^{2}}$所围成立体的体积.
题目解答
答案
为了求由曲面 $ z = 8 - x^2 - y^2 $ 与 $ z = 2\sqrt{x^2 + y^2} $ 所围成立体的体积,我们首先需要确定这两个曲面的交点。将两个方程设置为相等,我们得到:
\[ 8 - x^2 - y^2 = 2\sqrt{x^2 + y^2}. \]
设 $ r = \sqrt{x^2 + y^2} $。则方程变为:
\[ 8 - r^2 = 2r. \]
重新排列项,我们得到一个二次方程:
\[ r^2 + 2r - 8 = 0. \]
我们可以将这个二次方程分解为:
\[ (r + 4)(r - 2) = 0. \]
解为 $ r = -4 $ 和 $ r = 2 $。由于 $ r $ 代表半径,它必须是非负的,所以我们有 $ r = 2 $。这意味着交点发生在 $ x^2 + y^2 = 4 $。
接下来,我们需要在由 $ x^2 + y^2 = 4 $ 定义的区域上,找到两个曲面之间的体积。在极坐标中,体积 $ V $ 可以表示为:
\[ V = \iint_R \left( (8 - x^2 - y^2) - 2\sqrt{x^2 + y^2} \right) \, dA, \]
其中 $ R $ 是半径为2的圆盘。在极坐标中,$ x = r \cos \theta $,$ y = r \sin \theta $,且 $ dA = r \, dr \, d\theta $。因此,体积积分变为:
\[ V = \int_0^{2\pi} \int_0^2 \left( (8 - r^2) - 2r \right) r \, dr \, d\theta. \]
简化被积函数,我们得到:
\[ V = \int_0^{2\pi} \int_0^2 \left( 8r - r^3 - 2r^2 \right) \, dr \, d\theta. \]
我们首先对 $ r $ 进行积分:
\[ \int_0^2 \left( 8r - r^3 - 2r^2 \right) \, dr = \left[ 4r^2 - \frac{r^4}{4} - \frac{2r^3}{3} \right]_0^2. \]
代入积分的极限,我们得到:
\[ \left( 4(2)^2 - \frac{(2)^4}{4} - \frac{2(2)^3}{3} \right) - \left( 4(0)^2 - \frac{(0)^4}{4} - \frac{2(0)^3}{3} \right) = 16 - 4 - \frac{16}{3} = \frac{48}{3} - \frac{12}{3} - \frac{16}{3} = \frac{20}{3}. \]
现在,我们对 $ \theta $ 进行积分:
\[ V = \int_0^{2\pi} \frac{20}{3} \, d\theta = \frac{20}{3} \left[ \theta \right]_0^{2\pi} = \frac{20}{3} \cdot 2\pi = \frac{40\pi}{3}. \]
因此,由曲面所围成立体的体积为:
\[ \boxed{\frac{40\pi}{3}}. \]