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112 政治大學微積分(應數大二二) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

112學年度 · 112微積分應數大二二 · 第 4 題

題目

Problem

4. Find the volume of the solid in the first octant bounded above by x2+y2+z2=12x^2 + y^2 + z^2 = 12 and bounded below by z=x2+y2z = \sqrt{x^2 + y^2}. (10%)

解答

解法一:利用球面坐標系(最速法)

思路

展開
  1. 本題要求第一卦限(First octant, x,y,z0x,y,z \ge 0)中,由上半球面 x2+y2+z2=12x^2+y^2+z^2=12 與下半圓錐面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 圍成區域的體積。
  2. 這類具有球面與圓錐面特徵的區域,非常適合使用球面座標系 (Spherical Coordinates)
    • x=ρsinϕcosθx = \rho \sin\phi \cos\theta
    • y=sinϕsinθy = \sin\phi \sin\theta
    • z=ρcosϕz = \rho \cos\phi
    • 微元體積為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ\mathrm{d}V = \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta
  3. 第一步:寫出積分範圍的球面座標邊界
    • 半徑 ρ\rho:由原點到球面, ρ\rho 範圍為 [0,12]=[0,23][0, \sqrt{12}] = [0, 2\sqrt{3}]
    • 方位角 θ\theta:在第一卦限, x0,y0    θ[0,π/2]x \ge 0, y \ge 0 \implies \theta \in [0, \pi/2]
    • 天頂角 ϕ\phi:下限由圓錐 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 決定。 將座標代入: ρcosϕ=ρsinϕ    tanϕ=1    ϕ=π/4\rho \cos\phi = \rho \sin\phi \implies \tan\phi = 1 \implies \phi = \pi/4。 由於區域在圓錐上方(bounded below by the cone),天頂角 ϕ\phi 應從 00(正 zz 軸)變化到 π/4\pi/4
  4. 第二步:列出三重積分並求值

答題過程

展開

我們引入標準的球面座標系:

x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕx = \rho \sin\phi \cos\theta, \quad y = \rho \sin\phi \sin\theta, \quad z = \rho \cos\phi

此時體積微元為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ\mathrm{d}V = \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho \mathrm{d}\phi \mathrm{d}\theta

我們將邊界面轉換為球面座標的限制條件:

  1. 上邊界球面: x2+y2+z2=12    ρ2=12    ρ=23x^2 + y^2 + z^2 = 12 \implies \rho^2 = 12 \implies \rho = 2\sqrt{3}
  2. 下邊界圓錐面: z=x2+y2    ρcosϕ=ρsinϕ    tanϕ=1    ϕ=π4z = \sqrt{x^2 + y^2} \implies \rho \cos\phi = \rho \sin\phi \implies \tan\phi = 1 \implies \phi = \frac{\pi}{4}
  3. 第一卦限限制: x0, y0, z0    0θπ2x \ge 0, \ y \ge 0, \ z \ge 0 \implies 0 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

因此,立體區域 EE 在球面座標系下的積分範圍為:

E={(ρ,θ,ϕ)  |  0ρ23, 0θπ2, 0ϕπ4}E = \left\{ (\rho, \theta, \phi) \;\middle|\; 0 \le \rho \le 2\sqrt{3}, \ 0 \le \theta \le \frac{\pi}{2}, \ 0 \le \phi \le \frac{\pi}{4} \right\}

立體體積 VV 可表示為以下三重積分:

V=EdV=0π2dθ0π4sinϕdϕ023ρ2dρ=[θ]0π2[cosϕ]0π4[ρ33]023=(π2)(122)(2433)=(π2)(222)(83)=23π(22)=2π(236)\begin{align*} V =&\, \iiint_E \mathrm{d}V \\[2mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \mathrm{d}\theta \cdot \int_0^{\frac{\pi}{4}} \sin\phi \,\mathrm{d}\phi \cdot \int_0^{2\sqrt{3}} \rho^2 \,\mathrm{d}\rho \\[2mm] =&\, \Big[ \theta \Big]_0^{\frac{\pi}{2}} \cdot \Big[ -\cos\phi \Big]_0^{\frac{\pi}{4}} \cdot \left[ \frac{\rho^3}{3} \right]_0^{2\sqrt{3}} \\[2mm] =&\, \left( \frac{\pi}{2} \right) \cdot \left( 1 - \frac{\sqrt{2}}{2} \right) \cdot \left( \frac{24\sqrt{3}}{3} \right) \\[2mm] =&\, \left( \frac{\pi}{2} \right) \cdot \left( \frac{2 - \sqrt{2}}{2} \right) \cdot \left( 8\sqrt{3} \right) \\[2mm] =&\, 2\sqrt{3}\pi \left( 2 - \sqrt{2} \right) = 2\pi\left( 2\sqrt{3} - \sqrt{6} \right) \end{align*}

結論: 體積為 2π(236)\displaystyle 2\pi\left( 2\sqrt{3} - \sqrt{6} \right)