题目
设空间区域Omega由z=x^2+y^2及z=1所围成,则iiint_(Omega)zdx dy dz=A. (pi)/(2)B. (4)/(5)piC. (pi)/(3)D. pi
设空间区域$\Omega$由$z=x^{2}+y^{2}$及$z=1$所围成,则$\iiint_{\Omega}zdx dy dz=$
A. $\frac{\pi}{2}$
B. $\frac{4}{5}\pi$
C. $\frac{\pi}{3}$
D. $\pi$
题目解答
答案
C. $\frac{\pi}{3}$
解析
考查要点:本题主要考查三重积分在柱坐标系下的计算,以及空间区域的确定。
解题核心思路:
- 确定积分区域:由抛物面$z = x^2 + y^2$和平面$z = 1$围成的区域,需转换为柱坐标系,利用对称性简化计算。
- 坐标系选择:柱坐标系下,$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$z = z$,体积元素为$r \, dz \, dr \, d\theta$。
- 积分限分析:$\theta$遍历$0$到$2\pi$,$r$从$0$到$1$(由$z=1$确定),$z$从抛物面$r^2$到平面$1$。
破题关键点:
- 正确转换积分区域到柱坐标系,明确各变量的积分限。
- 分步积分:先对$z$积分,再对$r$,最后对$\theta$,逐步简化计算。
步骤1:转换坐标系与确定积分限
将积分区域$\Omega$转换为柱坐标系:
- $\theta$的范围:$0 \leq \theta \leq 2\pi$(全角度对称)。
- $r$的范围:抛物面$z = r^2$与平面$z = 1$相交于$r = 1$,故$0 \leq r \leq 1$。
- $z$的范围:从抛物面$z = r^2$到平面$z = 1$,即$r^2 \leq z \leq 1$。
步骤2:写出柱坐标下的积分表达式
三重积分转换为:
$\iiint_{\Omega} z \, dx \, dy \, dz = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \int_{r^2}^{1} z \cdot r \, dz \, dr \, d\theta$
步骤3:逐层积分
-
对$z$积分:
$\int_{r^2}^{1} z \, dz = \frac{1}{2} \left[ z^2 \right]_{r^2}^{1} = \frac{1}{2} \left( 1 - r^4 \right)$ -
对$r$积分:
$\int_{0}^{1} \frac{1 - r^4}{2} \cdot r \, dr = \frac{1}{2} \int_{0}^{1} (r - r^5) \, dr = \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2} - \frac{1}{6} \right) = \frac{1}{6}$ -
对$\theta$积分:
$\int_{0}^{2\pi} \frac{1}{6} \, d\theta = \frac{1}{6} \cdot 2\pi = \frac{\pi}{3}$