題目
Problem
4. Find the volume of the solid in the first octant bounded above by x2+y2+z2=12 and bounded below by z=x2+y2. (10%)
解答
解法一:利用球面坐標系(最速法)
思路
展開
- 本題要求第一卦限(First octant, x,y,z≥0)中,由上半球面 x2+y2+z2=12 與下半圓錐面 z=x2+y2 圍成區域的體積。
- 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=ρsinϕcosθ
- y=sinϕsinθ
- z=ρcosϕ
- 微元體積為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ。
- 第一步:寫出積分範圍的球面座標邊界:
- 半徑 ρ:由原點到球面, ρ 範圍為 [0,12]=[0,23]。
- 方位角 θ:在第一卦限, x≥0,y≥0⟹θ∈[0,π/2]。
- 天頂角 ϕ:下限由圓錐 z=x2+y2 決定。
將座標代入: ρcosϕ=ρsinϕ⟹tanϕ=1⟹ϕ=π/4。
由於區域在圓錐上方(bounded below by the cone),天頂角 ϕ 應從 0(正 z 軸)變化到 π/4。
- 第二步:列出三重積分並求值。
答題過程
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我們引入標準的球面座標系:
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
此時體積微元為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ。
我們將邊界面轉換為球面座標的限制條件:
- 上邊界球面:
x2+y2+z2=12⟹ρ2=12⟹ρ=23
- 下邊界圓錐面:
z=x2+y2⟹ρcosϕ=ρsinϕ⟹tanϕ=1⟹ϕ=4π
- 第一卦限限制:
x≥0, y≥0, z≥0⟹0≤θ≤2π
因此,立體區域 E 在球面座標系下的積分範圍為:
E={(ρ,θ,ϕ)0≤ρ≤23, 0≤θ≤2π, 0≤ϕ≤4π}
立體體積 V 可表示為以下三重積分:
V======∭EdV∫02πdθ⋅∫04πsinϕdϕ⋅∫023ρ2dρ[θ]02π⋅[−cosϕ]04π⋅[3ρ3]023(2π)⋅(1−22)⋅(3243)(2π)⋅(22−2)⋅(83)23π(2−2)=2π(23−6)
結論:
體積為 2π(23−6)。