题目
5 计算iiint(dxdydz)/((1+x+y+z)^3),其中Q为平面x=0,y=0,z=0,x+y+z=1所围成的四面体.
5 计算$\iiint\frac{dxdydz}{(1+x+y+z)^{3}}$,其中Q为平面x=0,y=0,z=0,x+y+z=1所围成的四面体.
题目解答
答案
将积分区域 $Q$ 表示为 $0 \leq z \leq 1-x-y$,$0 \leq y \leq 1-x$,$0 \leq x \leq 1$。
对 $z$ 积分得:
\[
\int_{0}^{1-x-y} \frac{dz}{(1+x+y+z)^3} = -\frac{1}{8} + \frac{1}{2(1+x+y)^2}.
\]
对 $y$ 积分得:
\[
\int_{0}^{1-x} \left[ -\frac{1}{8} + \frac{1}{2(1+x+y)^2} \right] dy = \frac{x}{8} + \frac{1}{2(1+x)} - \frac{3}{8}.
\]
对 $x$ 积分得:
\[
\int_{0}^{1} \left[ \frac{x}{8} + \frac{1}{2(1+x)} - \frac{3}{8} \right] dx = \frac{1}{2} \left( \ln 2 - \frac{5}{8} \right).
\]
**答案:**
\[
\boxed{\frac{1}{2} \left( \ln 2 - \frac{5}{8} \right)}
\]
解析
考查要点:本题主要考查三重积分的计算方法,特别是对积分顺序的合理选择以及分部积分的应用。关键在于正确描述积分区域,并通过逐次积分简化计算。
解题思路:
- 确定积分区域:四面体Q由x=0、y=0、z=0和x+y+z=1围成,可表示为$0 \leq x \leq 1$,$0 \leq y \leq 1-x$,$0 \leq z \leq 1-x-y$。
- 选择积分顺序:采用先对$z$积分,再对$y$,最后对$x$的顺序,简化分母表达式。
- 逐次积分:对每个变量积分时,注意代数运算的准确性,尤其是分式积分和对数积分的处理。
破题关键:通过变量替换简化积分表达式,如对$z$积分时令$u=1+x+y+z$,对$y$积分时令$u=1+x+y$,逐步降低积分复杂度。
积分区域描述
四面体$Q$的积分限为:
- $x$从$0$到$1$,
- 对固定的$x$,$y$从$0$到$1-x$,
- 对固定的$x,y$,$z$从$0$到$1-x-y$。
对$z$积分
积分式为:
$\int_{0}^{1-x-y} \frac{1}{(1+x+y+z)^3} \, dz$
令$u = 1+x+y+z$,则$du = dz$,积分变为:
$\int_{1+x+y}^{2} \frac{1}{u^3} \, du = \left[ -\frac{1}{2u^2} \right]_{1+x+y}^{2} = -\frac{1}{8} + \frac{1}{2(1+x+y)^2}$
对$y$积分
积分式为:
$\int_{0}^{1-x} \left( -\frac{1}{8} + \frac{1}{2(1+x+y)^2} \right) dy$
分项积分:
- 第一项:
$-\frac{1}{8} \int_{0}^{1-x} dy = -\frac{1}{8}(1-x)$ - 第二项:
令$u = 1+x+y$,则积分变为:
$\frac{1}{2} \int_{1+x}^{2} \frac{1}{u^2} \, du = \frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{u} \right]_{1+x}^{2} = \frac{1}{2} \left( -\frac{1}{2} + \frac{1}{1+x} \right) = \frac{1}{2(1+x)} - \frac{1}{4}$
合并结果:
$-\frac{1-x}{8} + \frac{1}{2(1+x)} - \frac{1}{4} = \frac{x}{8} + \frac{1}{2(1+x)} - \frac{3}{8}$
对$x$积分
积分式为:
$\int_{0}^{1} \left( \frac{x}{8} + \frac{1}{2(1+x)} - \frac{3}{8} \right) dx$
分项积分:
- 第一项:
$\frac{1}{8} \int_{0}^{1} x \, dx = \frac{1}{8} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{16}$ - 第二项:
$\frac{1}{2} \int_{0}^{1} \frac{1}{1+x} \, dx = \frac{1}{2} \ln(1+x) \Big|_{0}^{1} = \frac{1}{2} \ln 2$ - 第三项:
$-\frac{3}{8} \int_{0}^{1} dx = -\frac{3}{8}$
合并结果:
$\frac{1}{16} + \frac{1}{2} \ln 2 - \frac{3}{8} = \frac{1}{2} \ln 2 - \frac{5}{16} = \frac{1}{2} \left( \ln 2 - \frac{5}{8} \right)$