设Ω是由平面x+y+z=K,x=1,y=1以及坐标面所围成的闭区域,且iiintlimits_(Omega)xmathrm(d)xmathrm(d)ymathrm(d)z=(1)/(2),则K=()A. 5.B. (13)/(6).C. (7)/(3).D. (5)/(3).
A. 5.
B. $\frac{13}{6}$.
C. $\frac{7}{3}$.
D. $\frac{5}{3}$.
题目解答
答案
解析
本题考查三重积分的计算,解题思路是先根据已知条件确定积分区域$\Omega$的范围,然后将三重积分化为三次积分进行计算,最后根据给定的积分值求解$K$。
步骤一:确定积分区域$\Omega$的范围
已知$\Omega$是由平面$x + y + z = K$,$x = 1$,$y = 1$以及坐标面所围成的闭区域。
在$xOy$平面上,$z = 0$,由$x + y + z = K$可得$x + y = K$。
因为$x\geq0$,$y\geq0$,$x\leq1$,$y\leq1$,所以积分区域$\Omega$在$xOy$平面上的投影区域$D_{xy}$为:$0\leq x\leq1$,$0\leq y\leq1$,且$z$的范围是从$0$到$K - x - y$。
步骤二:将三重积分化为三次积分
根据上述分析,$\iiint\limits_{\Omega}x\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z$可化为三次积分:
$\iiint\limits_{\Omega}x\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\int_{0}^{1}x\mathrm{d}x\int_{0}^{1}\mathrm{d}y\int_{0}^{K - x - y}\mathrm{d}z$
步骤三:计算三次积分
- 先计算最内层关于$z$的积分:
$\int_{0}^{K - x - y}\mathrm{d}z=z\big|_{0}^{K - x - y}=K - x - y$
此时积分变为$\int_{0}^{1}x\mathrm{d}x\int_{0}^{1}(K - x - y)\mathrm{d}y$。 - 再计算中间层关于$y$的积分:
$\int_{0}^{1}(K - x - y)\mathrm{d}y=(K - x)y-\frac{1}{2}y^2\big|_{0}^{1}=(K - x)-\frac{1}{2}=K - x - \frac{1}{2}$
此时积分变为$\int_{0}^{1}x(K - x - \frac{1}{2})\mathrm{d}x$。 - 最后计算最外层关于$x$的积分:
$\begin{align*}\int_{0}^{1}x(K - x - \frac{1}{2})\mathrm{d}x&=\int_{0}^{1}(Kx - x^2 - \frac{1}{2}x)\mathrm{d}x\\&=(\frac{1}{2}Kx^2 - \frac{1}{3}x^3 - \frac{1}{4}x^2)\big|_{0}^{1}\\&=\frac{1}{2}K - \frac{1}{3} - \frac{1}{4}\\&=\frac{1}{2}K - \frac{4}{12} - \frac{3}{12}\\&=\frac{1}{2}K - \frac{7}{12}\end{align*}$
步骤四:求解$K$
已知$\iiint\limits_{\Omega}x\mathrm{d}x\mathrm{d}y\mathrm{d}z=\frac{1}{2}$,即$\frac{1}{2}K - \frac{7}{12}=\frac{1}{2}$。
移项可得$\frac{1}{2}K=\frac{1}{2}+\frac{7}{12}$,即$\frac{1}{2}K=\frac{6}{12}+\frac{7}{12}=\frac{13}{12}$。
两边同时乘以$2$,解得$K = \frac{13}{6}$。