题目
积分曲面为圆柱面夹在之间的外侧,则曲面积分=( )A 20πB 12πC 8πD16π
积分曲面为圆柱面
夹在
之间的外侧,则曲面积分
=( )
A 20π
B 12π
C 8π
D16π
题目解答
答案
本题的答案选D。本题满足高斯公式的条件,则有
。
令
则,
;区域D:
故原式
。
解析
步骤 1:确定积分曲面和被积函数
题目中给出的积分曲面为圆柱面${x}^{2}+{y}^{2}=4$夹在z=1和z=2之间的外侧,被积函数为$({x}^{3}-x)dxdx+({y}^{3}-2y)dzdx+(z+2)dxdy$。
步骤 2:应用高斯公式
由于积分曲面满足高斯公式的条件,我们可以应用高斯公式,将曲面积分转化为体积积分。高斯公式为:
\[ \iint_{S} Pdydz + Qdzdx + Rdxdy = \iiint_{V} \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right) dV \]
其中,$P = x^3 - x$,$Q = y^3 - 2y$,$R = z + 2$。
步骤 3:计算偏导数
计算被积函数的偏导数:
\[ \frac{\partial P}{\partial x} = 3x^2 - 1 \]
\[ \frac{\partial Q}{\partial y} = 3y^2 - 2 \]
\[ \frac{\partial R}{\partial z} = 1 \]
因此,被积函数变为:
\[ 3x^2 - 1 + 3y^2 - 2 + 1 = 3x^2 + 3y^2 - 2 \]
步骤 4:计算体积积分
将被积函数代入体积积分中,积分区域为圆柱体,其底面半径为2,高为1,因此体积积分为:
\[ \iiint_{V} (3x^2 + 3y^2 - 2) dV = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} \int_{1}^{2} (3\rho^2 - 2) \rho dz d\rho d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} (3\rho^3 - 2\rho) d\rho d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \left[ \frac{3}{4}\rho^4 - \rho^2 \right]_{0}^{2} d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \left( \frac{3}{4} \cdot 16 - 4 \right) d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} 8 d\theta \]
\[ = 16\pi \]
题目中给出的积分曲面为圆柱面${x}^{2}+{y}^{2}=4$夹在z=1和z=2之间的外侧,被积函数为$({x}^{3}-x)dxdx+({y}^{3}-2y)dzdx+(z+2)dxdy$。
步骤 2:应用高斯公式
由于积分曲面满足高斯公式的条件,我们可以应用高斯公式,将曲面积分转化为体积积分。高斯公式为:
\[ \iint_{S} Pdydz + Qdzdx + Rdxdy = \iiint_{V} \left( \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \right) dV \]
其中,$P = x^3 - x$,$Q = y^3 - 2y$,$R = z + 2$。
步骤 3:计算偏导数
计算被积函数的偏导数:
\[ \frac{\partial P}{\partial x} = 3x^2 - 1 \]
\[ \frac{\partial Q}{\partial y} = 3y^2 - 2 \]
\[ \frac{\partial R}{\partial z} = 1 \]
因此,被积函数变为:
\[ 3x^2 - 1 + 3y^2 - 2 + 1 = 3x^2 + 3y^2 - 2 \]
步骤 4:计算体积积分
将被积函数代入体积积分中,积分区域为圆柱体,其底面半径为2,高为1,因此体积积分为:
\[ \iiint_{V} (3x^2 + 3y^2 - 2) dV = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} \int_{1}^{2} (3\rho^2 - 2) \rho dz d\rho d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} (3\rho^3 - 2\rho) d\rho d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \left[ \frac{3}{4}\rho^4 - \rho^2 \right]_{0}^{2} d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} \left( \frac{3}{4} \cdot 16 - 4 \right) d\theta \]
\[ = \int_{0}^{2\pi} 8 d\theta \]
\[ = 16\pi \]