设Omega是由球面x^2+y^2+z^2=1及三个坐标面所围成的第一卦限内的闭区域,则三重积分iiint_(Omega)xyz,dx dy dz = ( )。 A. (1)/(12)B. (1)/(24)C. (1)/(48)D. (1)/(96)
设$\Omega$是由球面$x^{2}+y^{2}+z^{2}=1$及三个坐标面所围成的第一卦限内的闭区域,则三重积分$\iiint_{\Omega}xyz\,dx dy dz = (\quad)$。
- A. $\frac{1}{12}$
- B. $\frac{1}{24}$
- C. $\frac{1}{48}$
- D. $\frac{1}{96}$
题目解答
答案
解析
本题考察利用球坐标系计算三重积分,关键是将直角坐标转化为球坐标,并正确确定积分限和体积元素。
步骤1:球坐标变换与积分限确定
在球坐标系中:
- $x = \rho \sin\phi \cos\theta$,$y = \rho \sin\phi \sin\theta$,$z = \rho \cos\phi$
- 体积元素:$dxdy dz = \rho^2 \sin\phi \,d\rho d\phi d\theta$
- 第一卦限内,$\rho \in [0,1]$,$\phi \in [0,\frac{\pi}{2}]$,$\theta \in [0,\frac{\pi}{2}]$
步骤2:代入被积函数与分解积分
原积分转化为:
$\iiint_{\Omega} xyz \,dxdy dz = \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^1 (\rho \sin\phi \cos\theta)(\rho \sin\phi \sin\theta)(\rho \cos\phi) \cdot \rho^2 \sin\phi \,d\rho d\phi d\theta$
化简被积函数:
$= \left(\int_0^1 \rho^5 d\rho\right) \left(\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\phi \cos\phi d\phi\right) \left(\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \sin\theta d\theta\right)$
步骤3:计算各单积分
-
$\int_0^1 \rho^5 d\rho$:
$\int_0^1 \rho^5 d\rho = \left[\frac{\rho^6}{6}\right]_0^1 = \frac{1}{6}$ -
$\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\phi \cos\phi d\phi$(换元$u=\sin\phi$,$du=\cos\phi d\phi$):
$\int_0^1 u^3 du = \left[\frac{u^4}{4}\right]_0^1 = \frac{1}{4}$ -
$\int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos\theta \sin\theta d\theta$(换元$v=\sin\theta$,$dv=\cos\theta d\theta$):
$\int_0^1 v dv = \left[\frac{v^2}{2}\right]_0^1 = \frac{1}{2}$
步骤4:乘积得结果
$\frac{1}{6} \cdot \frac{1}{4} \cdot \frac{1}{2} = \frac{1}{48}$