题目
设 Sigma 为锥面 z=1-sqrt(x^2+y^2) 被平面 z=0 所截得的有限部分的外侧,则曲面积分 iint_(Sigma) (x + e^y^2+z^2 ), dy , dz + (y + e^x^2+z^2 ), dz , dx + (z + e^x^2+y^2 ), dx , dy = ( ). A. epi - piB. epi - 2piC. epi + piD. epi
设 $\Sigma$ 为锥面 $z=1-\sqrt{x^2+y^2}$ 被平面 $z=0$ 所截得的有限部分的外侧,则曲面积分
$\iint_{\Sigma} \left(x + e^{y^2+z^2} \right)\, dy \, dz + \left(y + e^{x^2+z^2} \right)\, dz \, dx + \left(z + e^{x^2+y^2} \right)\, dx \, dy = (\quad).$
- A. $e\pi - \pi$
- B. $e\pi - 2\pi$
- C. $e\pi + \pi$
- D. $e\pi$
题目解答
答案
为了解决给定的曲面积分,我们将使用散度定理。散度定理指出,向量场通过闭合曲面的 outward 通量等于该向量场散度在曲面所围区域上的三重积分。曲面Σ是锥面 $ z = 1 - \sqrt{x^2 + y^2} $ 被平面 $ z = 0 $ 所截得的有限部分的外侧。
向量场 $\mathbf{F}$ 给定为:
\[
\mathbf{F} = (x + e^{y^2 + z^2}) \mathbf{i} + (y + e^{x^2 + z^2}) \mathbf{j} + (z + e^{x^2 + y^2}) \mathbf{k}
\]
首先,我们计算 $\mathbf{F}$ 的散度:
\[
\text{div} \mathbf{F} = \frac{\partial}{\partial x}(x + e^{y^2 + z^2}) + \frac{\partial}{\partial y}(y + e^{x^2 + z^2}) + \frac{\partial}{\partial z}(z + e^{x^2 + y^2})
\]
\[
= 1 + 0 + 1 + 0 + 1 + 0 = 3
\]
根据散度定理,曲面积分等于散度在曲面所围区域 $ V $ 上的三重积分:
\[
\iint_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot d\mathbf{S} = \iiint_{V} \text{div} \mathbf{F} \, dV = \iiint_{V} 3 \, dV = 3V
\]
区域 $ V $ 是一个圆锥,其高度为1,底面半径为1。圆锥的体积 $ V $ 由下式给出:
\[
V = \frac{1}{3} \pi r^2 h = \frac{1}{3} \pi (1)^2 (1) = \frac{\pi}{3}
\]
因此,三重积分的值为:
\[
3V = 3 \left( \frac{\pi}{3} \right) = \pi
\]
然而,我们需要考虑曲面Σ不包括圆锥的底面。圆锥的底面是一个半径为1的圆,位于 $ z = 0 $ 平面。我们需要从曲面积分中减去向量场通过这个底面的通量。
通过底面的通量为:
\[
\iint_{D} \mathbf{F} \cdot (-\mathbf{k}) \, dA = \iint_{D} -(z + e^{x^2 + y^2}) \, dA
\]
由于在底面上 $ z = 0 $,这变为:
\[
\iint_{D} -e^{x^2 + y^2} \, dA
\]
在极坐标中, $ x = r \cos \theta $ 和 $ y = r \sin \theta $, $ dA = r \, dr \, d\theta $。积分区域 $ D $ 是一个半径为1的圆,因此积分变为:
\[
\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} -e^{r^2} r \, dr \, d\theta
\]
设 $ u = r^2 $,则 $ du = 2r \, dr $ 和 $ r \, dr = \frac{1}{2} du $。积分变为:
\[
\int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} -e^u \frac{1}{2} \, du \, d\theta = -\frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} \left[ e^u \right]_{0}^{1} \, d\theta = -\frac{1}{2} \int_{0}^{2\pi} (e - 1) \, d\theta = -\frac{1}{2} (e - 1) \int_{0}^{2\pi} \, d\theta = -\frac{1}{2} (e - 1) (2\pi) = -\pi (e - 1) = -\pi e + \pi
\]
因此,通过曲面Σ的通量为:
\[
\pi - (-\pi e + \pi) = \pi + \pi e - \pi = \pi e
\]
正确答案是:
\[
\boxed{D}
\]