题目
(8)设Ω是由z²=x²+y²及z=1所围成的闭区域,下列不正确的解法为( ).A. iiintlimits_(Omega)zdv=int_(0)^2pidthetaint_(0)^1rdrint_(r)^1zdzB. iiintlimits_(Omega)zdv=int_(0)^2pidthetaint_(0)^1rdrint_(0)^rzdz;C. iiintlimits_(Omega)zdv=int_(0)^2pidthetaint_(0)^(pi)/(4)dvarphiint_(0)^secvarphir^3cosvarphisinvarphi drD. iiintlimits_(Omega)zdv=int_(0)^1dzint_(0)^2pidthetaint_(0)^zzrdr.
(8)设Ω是由z²=x²+y²及z=1所围成的闭区域,下列不正确的解法为( ).
A. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{1}rdr\int_{r}^{1}zdz$
B. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{1}rdr\int_{0}^{r}zdz;$
C. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}d\varphi\int_{0}^{\sec\varphi}r^{3}\cos\varphi\sin\varphi dr$
D. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{1}dz\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{z}zrdr.$
题目解答
答案
BD
B. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{1}rdr\int_{0}^{r}zdz;$
D. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{1}dz\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{z}zrdr.$
B. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{1}rdr\int_{0}^{r}zdz;$
D. $\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{1}dz\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{z}zrdr.$
解析
本题考查利用柱坐标和球坐标计算三重积分,以及对积分区域的理解和积分限的确定。解题的关键在于准确分析积分区域$\Omega$的形状,然后根据不同坐标系下的积分公式来判断各个选项的正确性。
选项A
- 确定积分区域:在柱坐标系下,$z^{2}=x^{2}+y^{2}$可化为$z = r$(因为$z\geq0$,在该区域内),$z = 1$不变。积分区域$\Omega$在$xOy$平面上的投影是$x^{2}+y^{2}\leq1$,即$0\leq r\leq1$,$0\leq\theta\leq2\pi$,$z$的范围是从$z = r$到$z = 1$。
- 计算积分:根据柱坐标下三重积分公式$\iiint\limits_{\Omega}f(x,y,z)dv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{R}rdr\int_{z_1(r)}^{z_2(r)}f(r\cos\theta,r\sin\theta,z)dz$,这里$f(x,y,z)=z$,$R = 1$,$z_1(r)=r$,$z_2(r)=1$,则$\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{1}rdr\int_{r}^{1}zdz$,所以选项A正确。
选项B
- 分析积分限:在该选项中,$z$的积分下限为$0$,上限为$r$,这与积分区域$\Omega$中$z$的实际范围不符,在$\Omega$中$z$是从$r$到$1$,所以该选项错误。
选项C
- 确定积分区域:在球坐标系下,$x = r\sin\varphi\cos\theta$,$y = r\sin\varphi\sin\theta$,$z = r\cos\varphi$,$dv = r^{2}\sin\varphi drd\varphi d\theta$。$z^{2}=x^{2}+y^{2}$可化为$\tan\varphi = 1$,即$\varphi=\frac{\pi}{4}$,$z = 1$可化为$r\cos\varphi = 1$,即$r=\sec\varphi$。$\theta$的范围是$0\leq\theta\leq2\pi$,$\varphi$的范围是$0\leq\varphi\leq\frac{\pi}{4}$,$r$的范围是$0\leq r\leq\sec\varphi$。
- 计算积分:$\iiint\limits_{\Omega}zdv=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}d\varphi\int_{0}^{\sec\varphi}(r\cos\varphi)r^{2}\sin\varphi dr=\int_{0}^{2\pi}d\theta\int_{0}^{\frac{\pi}{4}}d\varphi\int_{0}^{\sec\varphi}r^{3}\cos\varphi\sin\varphi dr$,所以选项C正确。
选项D
- 分析积分限:在该选项中,$r$的积分上限为$z$,这与积分区域$\Omega$在$xOy$平面上的投影$x^{2}+y^{2}\leq z^{2}$(即$r\leq z$)不符,在$\Omega$中$r$的范围应该是$0\leq r\leq z$,但这里积分顺序和积分限的设置导致积分区域错误,所以该选项错误。