題目
Problem
4. (10%) Let R={(x,y,z)∈R3:z=x2+y2,z≤9}. Find the area of R.
解答
解法一
思路
展開
- R 是拋物面 z=x2+y2 被平面 z=9 截斷的部分(只保留 z≤9 的部分),也就是以 r2=x2+y2≤9(即 r≤3)為投影域的拋物面。
- 曲面面積公式:若曲面 z=h(x,y),則其面積為 ∬D1+hx2+hy2dA,其中 D 是投影到 xy-平面的區域。
- 這裡 hx=2x,hy=2y,故 1+4x2+4y2=1+4r2(用極座標)。積分域 D 是以原點為圓心、半徑為 3 的圓盤,換成極座標計算非常方便。
答題過程
展開
建立曲面面積積分。 z=h(x,y)=x2+y2,偏導數 hx=2x,hy=2y:
Area=∬D1+(2x)2+(2y)2dA=∬D1+4(x2+y2)dA
投影域 D={(x,y):x2+y2≤9}(圓盤,半徑 3)。
換極座標。 x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθ,r∈[0,3],θ∈[0,2π]:
Area==∫02π∫031+4r2⋅rdrdθ2π∫03r1+4r2dr
計算徑向積分。 令 t=1+4r2,dt=8rdr,即 rdr=8dt;r=0 時 t=1,r=3 時 t=37:
2π∫03r1+4r2dr===2π∫137t⋅8dt4π[32t3/2]1376π(373/2−1)
結論: 拋物面的面積為
Area=6π(373/2−1)