题目
设sum有向曲面z=sqrt(x^2)+y^(2)(0le zle 1),其法向量与z轴正向的夹角为锐角,则 iintlimits_(sum)(2x+z)dydz+zdxdy= ( ) A. 0 B. -π C. -2π D. 2π
设$\sum$有向曲面$z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}(0\le z\le 1)$,其法向量与z轴正向的夹角为锐角,则 $\iint\limits_{\sum}(2x+z)dydz+zdxdy=$ ( )
A. 0
B. -π
C. -2π
D. 2π
A. 0
B. -π
C. -2π
D. 2π
题目解答
答案
为了求解曲面积分 $\iint\limits_{\sum}(2x+z)dydz+zdxdy$,其中 $\sum$ 是有向曲面 $z=\sqrt{x^2+y^2}$($0 \le z \le 1$),其法向量与 $z$ 轴正向的夹角为锐角,我们可以使用高斯公式。高斯公式将曲面积分转换为体积积分,公式为:
\[
\iint\limits_{\sum} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iiint\limits_{V} \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV
\]
其中 $\mathbf{F} = (P, Q, R)$ 是一个向量场,$\mathbf{n}$ 是曲面的单位法向量,$\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}$ 是向量场的散度,$V$ 是曲面 $\sum$ 所围成的体积。
在给定的问题中,向量场 $\mathbf{F} = (2x+z, 0, z)$。计算 $\mathbf{F}$ 的散度:
\[
\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(2x+z) + \frac{\partial}{\partial y}(0) + \frac{\partial}{\partial z}(z) = 2 + 1 = 3
\]
根据高斯公式,曲面积分可以转换为体积积分:
\[
\iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \iiint\limits_{V} 3 \, dV
\]
体积 $V$ 是由曲面 $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 和 $z = 1$ 所围成的区域。这个区域是一个圆锥,其底面半径为 1,高为 1。圆锥的体积 $V$ 为:
\[
V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi \cdot 1^2 \cdot 1 = \frac{\pi}{3}
\]
因此,体积积分的值为:
\[
\iiint\limits_{V} 3 \, dV = 3 \cdot \frac{\pi}{3} = \pi
\]
然而,我们注意到曲面 $\sum$ 是圆锥的侧面积,不包括底面。为了得到正确的曲面积分,我们需要减去底面上的曲面积分。底面 $z = 1$ 的单位法向量为 $\mathbf{n} = (0, 0, -1)$(因为法向量与 $z$ 轴正向的夹角为锐角,所以曲面不包括底面,但底面的法向量 pointing 向下)。在底面上,向量场 $\mathbf{F} = (2x+1, 0, 1)$,所以:
\[
\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = (2x+1, 0, 1) \cdot (0, 0, -1) = -1
\]
底面的面积 $A$ 为 $\pi \cdot 1^2 = \pi$,所以底面上的曲面积分为:
\[
\iint\limits_{\text{底面}} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iint\limits_{\text{底面}} -1 \, dS = -\pi
\]
因此,原曲面积分为:
\[
\iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \pi - \pi = 0
\]
所以,正确答案是 $\boxed{A}$.
解析
步骤 1:确定向量场和散度
向量场 $\mathbf{F} = (2x+z, 0, z)$。计算 $\mathbf{F}$ 的散度: \[ \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(2x+z) + \frac{\partial}{\partial y}(0) + \frac{\partial}{\partial z}(z) = 2 + 1 = 3 \]
步骤 2:应用高斯公式
根据高斯公式,曲面积分可以转换为体积积分: \[ \iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \iiint\limits_{V} 3 \, dV \] 其中 $V$ 是由曲面 $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 和 $z = 1$ 所围成的区域,即一个圆锥。
步骤 3:计算体积积分
圆锥的体积 $V$ 为: \[ V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi \cdot 1^2 \cdot 1 = \frac{\pi}{3} \] 因此,体积积分的值为: \[ \iiint\limits_{V} 3 \, dV = 3 \cdot \frac{\pi}{3} = \pi \]
步骤 4:考虑底面的曲面积分
底面 $z = 1$ 的单位法向量为 $\mathbf{n} = (0, 0, -1)$。在底面上,向量场 $\mathbf{F} = (2x+1, 0, 1)$,所以: \[ \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = (2x+1, 0, 1) \cdot (0, 0, -1) = -1 \] 底面的面积 $A$ 为 $\pi \cdot 1^2 = \pi$,所以底面上的曲面积分为: \[ \iint\limits_{\text{底面}} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iint\limits_{\text{底面}} -1 \, dS = -\pi \]
步骤 5:计算原曲面积分
原曲面积分为: \[ \iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \pi - \pi = 0 \]
向量场 $\mathbf{F} = (2x+z, 0, z)$。计算 $\mathbf{F}$ 的散度: \[ \nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(2x+z) + \frac{\partial}{\partial y}(0) + \frac{\partial}{\partial z}(z) = 2 + 1 = 3 \]
步骤 2:应用高斯公式
根据高斯公式,曲面积分可以转换为体积积分: \[ \iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \iiint\limits_{V} 3 \, dV \] 其中 $V$ 是由曲面 $z = \sqrt{x^2 + y^2}$ 和 $z = 1$ 所围成的区域,即一个圆锥。
步骤 3:计算体积积分
圆锥的体积 $V$ 为: \[ V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi \cdot 1^2 \cdot 1 = \frac{\pi}{3} \] 因此,体积积分的值为: \[ \iiint\limits_{V} 3 \, dV = 3 \cdot \frac{\pi}{3} = \pi \]
步骤 4:考虑底面的曲面积分
底面 $z = 1$ 的单位法向量为 $\mathbf{n} = (0, 0, -1)$。在底面上,向量场 $\mathbf{F} = (2x+1, 0, 1)$,所以: \[ \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = (2x+1, 0, 1) \cdot (0, 0, -1) = -1 \] 底面的面积 $A$ 为 $\pi \cdot 1^2 = \pi$,所以底面上的曲面积分为: \[ \iint\limits_{\text{底面}} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iint\limits_{\text{底面}} -1 \, dS = -\pi \]
步骤 5:计算原曲面积分
原曲面积分为: \[ \iint\limits_{\sum} (2x+z) \, dydz + z \, dxdy = \pi - \pi = 0 \]