题目
画出由曲面 z = sqrt(x^2 + y^2) 和 z = x^2 + y^2 所围成的空间立体图形.
画出由曲面 $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 和 $z = x^2 + y^2$ 所围成的空间立体图形.
题目解答
答案
解题过程:
- 曲面方程转换为极坐标:
- $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 变为 $z = r$。
- $z = x^2 + y^2$ 变为 $z = r^2$。
- 求交线:
- 联立 $r = r^2$,解得 $r = 0$ 或 $r = 1$,对应圆 $x^2 + y^2 = 1$,$z = 1$。
- 确定积分区域:
- $0 \leq \theta \leq 2\pi$,$0 \leq r \leq 1$,$r^2 \leq z \leq r$。
- 计算体积:
- $V = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \int_{r^2}^{r} r \, dz \, dr \, d\theta = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} (r^2 - r^3) \, dr \, d\theta = \frac{\pi}{6}$。
答案: $\boxed{\frac{\pi}{6}}$
图形描述:
- 圆锥面 $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 和抛物面 $z = x^2 + y^2$ 围成一个“帽子”形立体,底面为半径为 1 的圆,位于平面 $z = 1$ 上。
解析
本题主要考查空间曲面的极坐标转换、交线求解、积分区域确定以及利用三重积分计算空间立体体积,同时需要对所围成的空间立体图形有直观的认识。
- 曲面方程转换为极坐标:
- 在极坐标中,$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,且$x^{2}+y^{2}=r^{2}$。
- 对于曲面$z = \sqrt{x^{2}+y^{2}}$,将$x^{2}+y^{2}=r^{2}$代入可得$z = \sqrt{r^{2}}=r$(因为$r\geq0$)。
- 对于曲面$z = x^{2}+y^{2}$,把$x^{2}+y^{2}=r^{2}$代入,得到$z = r^{2}$。
- 求交线:
- 联立两个曲面方程$\begin{cases}z = r\\z = r^{2}\end{cases}$,即$r = r^{2}$。
- 移项可得$r^{2}-r = 0$,提取公因式$r$得到$r(r - 1)=0$。
- 解得$r = 0$或$r = 1$。
- 当$r = 1$时,$x^{2}+y^{2}=r^{2}=1$,且$z = r = 1$,所以交线是位于平面$z = 1$上的圆$x^{2}+y^{2}=1$。
- 确定积分区域:
- 由于是绕$z$轴旋转的立体,$\theta$的取值范围是$0\leq\theta\leq2\pi$。
- $r$的取值范围是从原点到交线,即$0\leq r\leq1$。
- $z$的取值范围是从下方的抛物面$z = r^{2}$到上方的圆锥面$z = r$,即$r^{2}\leq z\leq r$。
- 计算体积:
- 根据三重积分的体积公式$V=\iiint_{V}dV$,在柱坐标下$dV = r\ dz\ dr\ d\theta$,则体积$V=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}\int_{r^{2}}^{r}r\ dz\ dr\ d\theta$。
- 先对$z$积分:
- $\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}\left[rz\right]_{z = r^{2}}^{z = r}dr\ d\theta=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}(r\cdot r - r\cdot r^{2})dr\ d\theta=\int_{0}^{2\pi}\int_{0}^{1}(r^{2}-r^{3})dr\ d\theta$。
- 再对$r$积分:
- $\int_{0}^{2\pi}\left[\frac{1}{3}r^{3}-\frac{1}{4}r^{4}\right]_{0}^{1}d\theta=\int_{0}^{2\pi}\left(\frac{1}{3}-\frac{1}{4}\right)d\theta$。
- 计算$\frac{1}{3}-\frac{1}{4}=\frac{4 - 3}{12}=\frac{1}{12}$,则$\int_{0}^{2\pi}\frac{1}{12}d\theta$。
- 最后对$\theta$积分:
- $\frac{1}{12}\int_{0}^{2\pi}d\theta=\frac{1}{12}[\theta]_{0}^{2\pi}=\frac{1}{12}\times(2\pi-0)=\frac{\pi}{6}$。
- 图形描述:
- 曲面$z = \sqrt{x^{2}+y^{2}}$是圆锥面,$z = x^{2}+y^{2}$是抛物面。
- 它们所围成的空间立体图形是一个“帽子”形立体,底面为半径为$1$的圆,位于平面$z = 1$上。