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数学
题目

设Sigma为抛物面z=(x^2+y^2)/(2)(0leq zleq 2),取下侧,则曲面积分iint_(Sigma)4zxdydz-2zdzdx+(1-z^2)dxdy=().A. (68)/(3)piB. (32)/(3)piC. 12piD. -12pi

设$\Sigma$为抛物面$z=\frac{x^2+y^2}{2}(0\leq z\leq 2)$,取下侧,则曲面积分$\iint_{\Sigma}4zxdydz-2zdzdx+(1-z^2)dxdy=$().

A. $\frac{68}{3}\pi$

B. $\frac{32}{3}\pi$

C. $12\pi$

D. $-12\pi$

题目解答

答案

A. $\frac{68}{3}\pi$

解析

步骤 1:确定曲面和补全曲面
给定曲面 $\Sigma$ 为抛物面 $z=\frac{x^2+y^2}{2}$,$0\leq z\leq 2$,取下侧。为了应用高斯公式,我们需要将 $\Sigma$ 补充为一个闭合曲面,因此添加平面 $\Sigma_1: z=2$(取上侧)。

步骤 2:应用高斯公式
高斯公式(散度定理)表明,对于一个闭合曲面 $\Sigma + \Sigma_1$,有
\[ \iint\limits_{\Sigma + \Sigma_1} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iiint\limits_{\Omega} \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV \]
其中,$\mathbf{F} = (4zx, -2z, 1-z^2)$,散度 $\nabla \cdot \mathbf{F} = 2z$。计算三重积分:
\[ \iiint\limits_{\Omega} 2z \, dV = \int_0^{2\pi} \int_0^2 \int_0^{\sqrt{2z}} 2zr \, dr \, dz \, d\theta = \frac{32\pi}{3} \]

步骤 3:计算平面 $\Sigma_1$ 上的积分
平面 $\Sigma_1: z=2$ 上的积分为:
\[ \iint\limits_{\Sigma_1} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = -12\pi \]
因为 $\mathbf{n} = (0,0,1)$,所以 $\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = 1-z^2 = 1-4 = -3$,积分区域为圆 $x^2+y^2\leq 4$,面积为 $4\pi$,所以积分值为 $-3 \times 4\pi = -12\pi$。

步骤 4:计算原曲面积分
原曲面积分为:
\[ \frac{32\pi}{3} - (-12\pi) = \frac{68\pi}{3} \]

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