题目
利用高斯公式计算曲面积分 11(z+y)dxdy+(x^2 +z)dydz ,其中 11(z+y)dxdy+(x^2 +z)dydz 为平 面11(z+y)dxdy+(x^2 +z)dydz 和柱面11(z+y)dxdy+(x^2 +z)dydz 所围成的空间闭区域的整个边界曲面的外侧
利用高斯公式计算曲面积分 ,其中
为平 面
和柱面
所围成的空间闭区域的整个边界曲面的外侧
题目解答
答案
设
∴
设为平 面
和柱面
所围成的空间闭区域
根据格林公式,得
∵积分区域为平 面
和柱面
所围成的空间闭区域
∴积分区域关于
平面对称
对于
∵被积函数是关于
的奇函数
∴
∴
解析
步骤 1:确定被积函数和积分区域
设$P={x}^{2}+z$,$Q=0$,$R=z+y$,则积分区域为平面$z=0$,$z=2$和柱面${x}^{2}+{y}^{2}=1$所围成的空间闭区域$\Omega$的整个边界曲面的外侧。
步骤 2:计算偏导数
计算$\frac{\partial P}{\partial x}$,$\frac{\partial Q}{\partial y}$,$\frac{\partial R}{\partial z}$,得到$\frac{\partial P}{\partial x}=2x$,$\frac{\partial Q}{\partial y}=0$,$\frac{\partial R}{\partial z}=1$。
步骤 3:应用高斯公式
根据高斯公式,曲面积分$\iint (x+y)dxdy+({x}^{2}+z)dydz$可以转化为体积积分$\iiint_{\Omega} (\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z})dxdydz$,即$\iiint_{\Omega} (2x+0+1)dxdydz$。
步骤 4:计算体积积分
由于积分区域$\Omega$关于$y$-$z$平面对称,且被积函数$2x$是关于$x$的奇函数,因此$\iiint_{\Omega} 2xdxdydz=0$。所以,原曲面积分等于$\iiint_{\Omega} dxdydz$,即$\iiint_{\Omega} 1dxdydz$。
步骤 5:计算积分值
积分区域$\Omega$为平面$z=0$,$z=2$和柱面${x}^{2}+{y}^{2}=1$所围成的空间闭区域,因此可以使用柱坐标系进行积分。积分值为$\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \int_{0}^{2} r dz dr d\theta = 2\pi \int_{0}^{1} r dr \int_{0}^{2} dz = 2\pi \cdot \frac{1}{2} \cdot 2 = 2\pi$。
设$P={x}^{2}+z$,$Q=0$,$R=z+y$,则积分区域为平面$z=0$,$z=2$和柱面${x}^{2}+{y}^{2}=1$所围成的空间闭区域$\Omega$的整个边界曲面的外侧。
步骤 2:计算偏导数
计算$\frac{\partial P}{\partial x}$,$\frac{\partial Q}{\partial y}$,$\frac{\partial R}{\partial z}$,得到$\frac{\partial P}{\partial x}=2x$,$\frac{\partial Q}{\partial y}=0$,$\frac{\partial R}{\partial z}=1$。
步骤 3:应用高斯公式
根据高斯公式,曲面积分$\iint (x+y)dxdy+({x}^{2}+z)dydz$可以转化为体积积分$\iiint_{\Omega} (\frac{\partial P}{\partial x}+\frac{\partial Q}{\partial y}+\frac{\partial R}{\partial z})dxdydz$,即$\iiint_{\Omega} (2x+0+1)dxdydz$。
步骤 4:计算体积积分
由于积分区域$\Omega$关于$y$-$z$平面对称,且被积函数$2x$是关于$x$的奇函数,因此$\iiint_{\Omega} 2xdxdydz=0$。所以,原曲面积分等于$\iiint_{\Omega} dxdydz$,即$\iiint_{\Omega} 1dxdydz$。
步骤 5:计算积分值
积分区域$\Omega$为平面$z=0$,$z=2$和柱面${x}^{2}+{y}^{2}=1$所围成的空间闭区域,因此可以使用柱坐标系进行积分。积分值为$\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \int_{0}^{2} r dz dr d\theta = 2\pi \int_{0}^{1} r dr \int_{0}^{2} dz = 2\pi \cdot \frac{1}{2} \cdot 2 = 2\pi$。