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111 政治大學微積分(應數三年級)第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數三年級)

111學年度 · 111微積分(應數三年級) · 第 4 題

題目

Problem

4. (10%) Let R={(x,y,z)R3:z=x2+y2,z9}R = \{(x,y,z) \in \mathbb{R}^3 : z = x^2 + y^2,\, z \le 9\}. Find the area of RR.

解答

解法一

思路

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  1. RR 是拋物面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 被平面 z=9z = 9 截斷的部分(只保留 z9z \le 9 的部分),也就是以 r2=x2+y29r^2 = x^2 + y^2 \le 9(即 r3r \le 3)為投影域的拋物面。
  2. 曲面面積公式:若曲面 z=h(x,y)z = h(x,y),則其面積為 D1+hx2+hy2dA\displaystyle\iint_D\sqrt{1 + h_x^2 + h_y^2}\,\mathrm{d}A,其中 DD 是投影到 xyxy-平面的區域。
  3. 這裡 hx=2xh_x = 2xhy=2yh_y = 2y,故 1+4x2+4y2=1+4r2\sqrt{1 + 4x^2 + 4y^2} = \sqrt{1 + 4r^2}(用極座標)。積分域 DD 是以原點為圓心、半徑為 33 的圓盤,換成極座標計算非常方便。

答題過程

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建立曲面面積積分。 z=h(x,y)=x2+y2z = h(x,y) = x^2 + y^2,偏導數 hx=2xh_x = 2xhy=2yh_y = 2y

Area=D1+(2x)2+(2y)2dA=D1+4(x2+y2)dA\text{Area} = \iint_D\sqrt{1 + (2x)^2 + (2y)^2}\,\mathrm{d}A = \iint_D\sqrt{1+4(x^2+y^2)}\,\mathrm{d}A

投影域 D={(x,y):x2+y29}D = \{(x,y): x^2+y^2 \le 9\}(圓盤,半徑 33)。

換極座標。 x=rcosθx = r\cos\thetay=rsinθy = r\sin\thetadA=rdrdθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\thetar[0,3]r \in [0,3]θ[0,2π]\theta \in [0,2\pi]

Area=02π ⁣031+4r2rdrdθ=2π03r1+4r2dr\begin{align*} \text{Area} =&\, \int_0^{2\pi}\!\int_0^3\sqrt{1+4r^2}\cdot r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, 2\pi\int_0^3 r\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r \end{align*}

計算徑向積分。t=1+4r2t = 1+4r^2dt=8rdr\mathrm{d}t = 8r\,\mathrm{d}r,即 rdr=dt8r\,\mathrm{d}r = \dfrac{\mathrm{d}t}{8}r=0r = 0t=1t = 1r=3r = 3t=37t = 37

2π03r1+4r2dr=2π137tdt8=π4[23t3/2]137=π6(373/21)\begin{align*} 2\pi\int_0^3 r\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r =&\, 2\pi\int_1^{37}\sqrt{t}\cdot\frac{\mathrm{d}t}{8} \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{4}\left[\frac{2}{3}t^{3/2}\right]_1^{37} \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{6}\big(37^{3/2} - 1\big) \end{align*}

結論: 拋物面的面積為

Area=π6 ⁣(373/21)\boxed{\text{Area} = \frac{\pi}{6}\!\left(37^{3/2} - 1\right)}