题目
设 Sigma 是分片光滑的闭曲面,所围成空间闭区域的体积记为 V,则 V=() A iint_(Sigma) x , dy , dz + y , dz , dx + z , dx , dy B (1)/(3) iint_(Sigma) (x+y+z), (dy , dz + dz , dx + dx , dy) C iint_(Sigma) (x+y+z), (dy , dz + dz , dx + dx , dy) D iint_(Sigma) (x+y), dy , dz + (y+z), dz , dx + (z+x), dx , dy
设 $\Sigma$ 是分片光滑的闭曲面,所围成空间闭区域的体积记为 $V$,则 $V=$()
A $\iint_{\Sigma} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy$
B $\frac{1}{3} \iint_{\Sigma} (x+y+z)\, (dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy)$
C $\iint_{\Sigma} (x+y+z)\, (dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy)$
D $\iint_{\Sigma} (x+y)\, dy \, dz + (y+z)\, dz \, dx + (z+x)\, dx \, dy$
题目解答
答案
为了求解空间闭区域 $ V $ 的体积,我们可以使用高斯公式(也称为散度定理)。高斯公式将曲面积分与体积积分联系起来,其形式为:
\[
\iiint_V \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV = \iint_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS
\]
其中,$\mathbf{F}$ 是一个向量场,$\nabla \cdot \mathbf{F}$ 是 $\mathbf{F}$ 的散度,$\mathbf{n}$ 是曲面 $\Sigma$ 的单位外法向量,$dS$ 是曲面元素。
对于体积 $ V $,我们可以选择向量场 $\mathbf{F} = \left( \frac{x}{3}, \frac{y}{3}, \frac{z}{3} \right)$。计算这个向量场的散度,我们得到:
\[
\nabla \cdot \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x} \left( \frac{x}{3} \right) + \frac{\partial}{\partial y} \left( \frac{y}{3} \right) + \frac{\partial}{\partial z} \left( \frac{z}{3} \right) = \frac{1}{3} + \frac{1}{3} + \frac{1}{3} = 1
\]
根据高斯公式,我们有:
\[
\iiint_V 1 \, dV = \iint_{\Sigma} \left( \frac{x}{3}, \frac{y}{3}, \frac{z}{3} \right) \cdot \mathbf{n} \, dS
\]
左边的体积积分就是体积 $ V $:
\[
V = \iiint_V 1 \, dV
\]
右边的曲面积分可以写成:
\[
\iint_{\Sigma} \left( \frac{x}{3} \, dy \, dz + \frac{y}{3} \, dz \, dx + \frac{z}{3} \, dx \, dy \right)
\]
或者:
\[
V = \frac{1}{3} \iint_{\Sigma} (x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy)
\]
现在,我们来检查选项:
A. $\iint_{\Sigma} x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy$
B. $\frac{1}{3} \iint_{\Sigma} (x + y + z)(dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy)$
C. $\iint_{\Sigma} (x + y + z)(dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy)$
D. $\iint_{\Sigma} (x + y) \, dy \, dz + (y + z) \, dz \, dx + (z + x) \, dx \, dy$
选项 A 与我们推导出的公式 $ V = \frac{1}{3} \iint_{\Sigma} (x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy) $ 相差一个常数因子 $\frac{1}{3}$,因此不正确。
选项 B 与我们推导出的公式形式相似,但被积函数是 $(x + y + z)(dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy)$。为了验证,我们展开这个被积函数:
\[
(x + y + z)(dy \, dz + dz \, dx + dx \, dy) = x \, dy \, dz + x \, dz \, dx + x \, dx \, dy + y \, dy \, dz + y \, dz \, dx + y \, dx \, dy + z \, dy \, dz + z \, dz \, dx + z \, dx \, dy
\]
其中, $x \, dx \, dy + y \, dy \, dz + z \, dz \, dx$ 的散度为零,因此对体积积分没有贡献。剩下的部分是 $x \, dy \, dz + y \, dz \, dx + z \, dx \, dy$,与我们推导出的公式一致。因此,选项 B 正确。
选项 C 与选项 B 相差一个常数因子 $\frac{1}{3}$,因此不正确。
选项 D 与我们推导出的公式形式不同,因此不正确。
综上所述,正确答案是:
\[
\boxed{B}
\]