题目
设 Sigma 为椭圆柱面 x^2 + 2y^2 = 4,平面 z=0 和 z=-1 所围立体的整个表面的外侧,则曲面积分 iint_(Sigma) 2xyz , dydz + (y^3 - 2y^2z), dzdx + yz^2 , dxdy = ____.A. 2sqrt(2)piB. sqrt(2)piC. 4sqrt(2)piD. 3sqrt(2)pi
设 $\Sigma$ 为椭圆柱面 $x^2 + 2y^2 = 4$,平面 $z=0$ 和 $z=-1$ 所围立体的整个表面的外侧,则曲面积分 $\iint_{\Sigma} 2xyz \, dydz + (y^3 - 2y^2z)\, dzdx + yz^2 \, dxdy = \_\_\_\_.$
A. $2\sqrt{2}\pi$
B. $\sqrt{2}\pi$
C. $4\sqrt{2}\pi$
D. $3\sqrt{2}\pi$
题目解答
答案
D. $3\sqrt{2}\pi$
解析
步骤 1:应用高斯公式
根据高斯公式,将曲面积分转换为三重积分。给定的曲面积分是:
\[ \iint_{\Sigma} 2xyz \, dydz + (y^3 - 2y^2z)\, dzdx + yz^2 \, dxdy \]
根据高斯公式,这个曲面积分可以转换为:
\[ \iiint_{\Omega} \left( \frac{\partial}{\partial x}(2xyz) + \frac{\partial}{\partial y}(y^3 - 2y^2z) + \frac{\partial}{\partial z}(yz^2) \right) dV \]
步骤 2:计算三重积分的被积函数
计算被积函数:
\[ \frac{\partial}{\partial x}(2xyz) = 2yz \]
\[ \frac{\partial}{\partial y}(y^3 - 2y^2z) = 3y^2 - 4yz \]
\[ \frac{\partial}{\partial z}(yz^2) = 2yz \]
所以,被积函数为:
\[ 2yz + 3y^2 - 4yz + 2yz = 3y^2 \]
步骤 3:计算三重积分
三重积分变为:
\[ \iiint_{\Omega} 3y^2 \, dV \]
其中,$\Omega$ 由椭圆柱面 $x^2 + 2y^2 \leq 4$ 和平面 $z = 0$,$z = -1$ 围成。使用广义极坐标 $x = 2r\cos\theta$,$y = \sqrt{2}r\sin\theta$,雅可比行列式为 $2\sqrt{2}r$。积分变为:
\[ \iiint_{\Omega} 3y^2 \, dV = \int_{-1}^{0} \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} 3(\sqrt{2}r\sin\theta)^2 \cdot 2\sqrt{2}r \, dr \, d\theta \, dz \]
步骤 4:计算积分
计算得:
\[ \int_{-1}^{0} \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} 12\sqrt{2}r^3\sin^2\theta \, dr \, d\theta \, dz = \int_{-1}^{0} 3\sqrt{2}\pi \, dz = 3\sqrt{2}\pi \]
根据高斯公式,将曲面积分转换为三重积分。给定的曲面积分是:
\[ \iint_{\Sigma} 2xyz \, dydz + (y^3 - 2y^2z)\, dzdx + yz^2 \, dxdy \]
根据高斯公式,这个曲面积分可以转换为:
\[ \iiint_{\Omega} \left( \frac{\partial}{\partial x}(2xyz) + \frac{\partial}{\partial y}(y^3 - 2y^2z) + \frac{\partial}{\partial z}(yz^2) \right) dV \]
步骤 2:计算三重积分的被积函数
计算被积函数:
\[ \frac{\partial}{\partial x}(2xyz) = 2yz \]
\[ \frac{\partial}{\partial y}(y^3 - 2y^2z) = 3y^2 - 4yz \]
\[ \frac{\partial}{\partial z}(yz^2) = 2yz \]
所以,被积函数为:
\[ 2yz + 3y^2 - 4yz + 2yz = 3y^2 \]
步骤 3:计算三重积分
三重积分变为:
\[ \iiint_{\Omega} 3y^2 \, dV \]
其中,$\Omega$ 由椭圆柱面 $x^2 + 2y^2 \leq 4$ 和平面 $z = 0$,$z = -1$ 围成。使用广义极坐标 $x = 2r\cos\theta$,$y = \sqrt{2}r\sin\theta$,雅可比行列式为 $2\sqrt{2}r$。积分变为:
\[ \iiint_{\Omega} 3y^2 \, dV = \int_{-1}^{0} \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} 3(\sqrt{2}r\sin\theta)^2 \cdot 2\sqrt{2}r \, dr \, d\theta \, dz \]
步骤 4:计算积分
计算得:
\[ \int_{-1}^{0} \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} 12\sqrt{2}r^3\sin^2\theta \, dr \, d\theta \, dz = \int_{-1}^{0} 3\sqrt{2}\pi \, dz = 3\sqrt{2}\pi \]