题目
2.[判断题](4)设E是球面x^2+y^2+z^2=a^2,则iint_(partial E)(x+y+z)ds=0.A.对B.错
2.[判断题]
(4)设E是球面$x^{2}+y^{2}+z^{2}=a^{2}$,则$\iint_{\partial E}(x+y+z)ds=0$.
A.对
B.错
题目解答
答案
为了判断 $\iint_{\partial E}(x+y+z)ds=0$ 是否正确,其中 $E$ 是球面 $x^2 + y^2 + z^2 = a^2$,我们需要计算球面上的曲面积分 $(x+y+z)ds$。
首先,让我们理解球面的对称性。球面 $x^2 + y^2 + z^2 = a^2$ 关于x轴、y轴和z轴都是对称的。这意味着球面上任何点 $(x, y, z)$ 都有一个对应的点 $(-x, -y, -z)$ 也在球面上。
现在,考虑被积函数 $x + y + z$。在点 $(x, y, z)$ 处的被积函数值是 $x + y + z$,而在对应点 $(-x, -y, -z)$ 处的被积函数值是 $-x - y - z$。由于球面是对称的,球面上 $x + y + z$ 的积分将被球面上 $-x - y - z$ 的积分抵消。
为了形式化这一点,我们可以使用球面的参数化。球面可以使用球坐标参数化如下:
\[ x = a \sin \theta \cos \phi, \quad y = a \sin \theta \sin \phi, \quad z = a \cos \theta, \]
其中 $0 \leq \theta \leq \pi$ 和 $0 \leq \phi < 2\pi$。
球面上的曲面积分 $ds$ 的公式为:
\[ ds = a^2 \sin \theta \, d\theta \, d\phi. \]
因此,曲面积分 $\iint_{\partial E} (x + y + z) \, ds$ 变为:
\[ \iint_{\partial E} (x + y + z) \, ds = \int_0^{2\pi} \int_0^\pi (a \sin \theta \cos \phi + a \sin \theta \sin \phi + a \cos \theta) a^2 \sin \theta \, d\theta \, d\phi. \]
我们可以将 $a^3$ 从积分中提取出来:
\[ a^3 \int_0^{2\pi} \int_0^\pi (\sin \theta \cos \phi + \sin \theta \sin \phi + \cos \theta) \sin \theta \, d\theta \, d\phi. \]
我们可以将这个积分分为三个独立的积分:
\[ a^3 \left( \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \sin^2 \theta \cos \phi \, d\theta \, d\phi + \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \sin^2 \theta \sin \phi \, d\theta \, d\phi + \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \cos \theta \sin \theta \, d\theta \, d\phi \right). \]
让我们分别计算每个积分。第一个积分是:
\[ \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \sin^2 \theta \cos \phi \, d\theta \, d\phi = \int_0^{2\pi} \cos \phi \, d\phi \int_0^\pi \sin^2 \theta \, d\theta. \]
$\cos \phi$ 从 $0$ 到 $2\pi$ 的积分是零,所以整个积分是零。
第二个积分是:
\[ \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \sin^2 \theta \sin \phi \, d\theta \, d\phi = \int_0^{2\pi} \sin \phi \, d\phi \int_0^\pi \sin^2 \theta \, d\theta. \]
$\sin \phi$ 从 $0$ 到 $2\pi$ 的积分是零,所以整个积分是零。
第三个积分是:
\[ \int_0^{2\pi} \int_0^\pi \cos \theta \sin \theta \, d\theta \, d\phi = \int_0^{2\pi} d\phi \int_0^\pi \cos \theta \sin \theta \, d\theta. \]
$\cos \theta \sin \theta$ 从 $0$ 到 $\pi$ 的积分是零,所以整个积分是零。
由于所有三个积分都是零,原始曲面积分是零。因此,答案是:
\[ \boxed{A} \]
解析
考查要点:本题主要考查曲面积分的对称性应用,特别是利用球面对称性简化积分计算的能力。
解题核心思路:
球面$x^2 + y^2 + z^2 = a^2$关于坐标原点具有奇偶对称性。被积函数$x + y + z$在球面上的每个分量(如$x$、$y$、$z$)均为奇函数,而积分区域(球面)对称,因此每个分量的积分结果相互抵消,总和为零。
破题关键点:
- 识别对称性:球面关于$x$、$y$、$z$轴对称,任意点$(x, y, z)$的对称点$(-x, -y, -z)$也在球面上。
- 分析被积函数性质:$x + y + z$在对称点处取相反数,导致积分结果为零。
对称性分析:
球面上任意一点$(x, y, z)$,其对称点$(-x, -y, -z)$也属于球面。被积函数在对称点处的值为$-(x + y + z)$,因此正负部分相互抵消,积分结果为零。
参数化验证(辅助步骤):
- 球坐标参数化:
$x = a \sin\theta \cos\phi, \quad y = a \sin\theta \sin\phi, \quad z = a \cos\theta$
面积元素为:
$ds = a^2 \sin\theta \, d\theta \, d\phi$ - 积分展开:
$\iint_{\partial E} (x + y + z) \, ds = a^3 \int_0^{2\pi} \int_0^\pi (\sin\theta \cos\phi + \sin\theta \sin\phi + \cos\theta) \sin\theta \, d\theta \, d\phi$ - 分项计算:
- $\int_0^{2\pi} \cos\phi \, d\phi = 0$,第一项为零。
- $\int_0^{2\pi} \sin\phi \, d\phi = 0$,第二项为零。
- $\int_0^\pi \cos\theta \sin\theta \, d\theta = 0$,第三项为零。
所有分项均为零,总和为零。