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108 台灣大學微積分(C) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

108學年度 · 108台大微積分C · 第 8 題

題目

8. Find the area of the surface z=xy, x2+y2≤1z=xy,\ x^2+y^2\le 1.

解答

解法一

思路

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曲面 z=f(x,y)z=f(x,y) 的面積元素為 1+fx2+fy2 dA\sqrt{1+f_x^2+f_y^2}\,\mathrm{d}A。本題積分區域是單位圓盤,改用極座標即可直接積分。

答題過程

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令 f(x,y)=xyf(x,y)=xy,則

fx=y,fy=x.f_x=y,\qquad f_y=x.

所以曲面面積為

S= ∬x2+y2≤11+x2+y2 dA= ∫02π∫011+r2 r dr dθ= 2π[13(1+r2)3/2]01= 2π3(22−1).\begin{align*} S =&\,\iint_{x^2+y^2\le1}\sqrt{1+x^2+y^2}\,\mathrm{d}A\\[4mm] =&\,\int_0^{2\pi}\int_0^1\sqrt{1+r^2}\,r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\\[4mm] =&\,2\pi\Big[\frac13(1+r^2)^{3/2}\Big]_0^1\\[4mm] =&\,\frac{2\pi}{3}(2\sqrt2-1). \end{align*}

故所求面積為 2π3(22−1)\boxed{\frac{2\pi}{3}(2\sqrt2-1)}。