題目
Problem
(10%) Evaluate ∫−22∫−4−x24−x2∫x2+y22(x2+y2)dzdydx.
解答
解法一
思路
展開
- 本題給出一個直角座標系下的三重積分。被積函數為 x2+y2,且積分邊界中含有圓弧邊界(±4−x2)與圓錐邊界(x2+y2)。這強烈暗示我們使用柱座標變換 (Cylindrical Coordinates)。
- 第一步:分析積分區域 V:
- x 的範圍: −2≤x≤2。
- y 的範圍: −4−x2≤y≤4−x2。
這兩個區間在 xy 平面上的投影區域 D 剛好是一個半徑為 R=2 的完整圓盤 x2+y2≤4。
- z 的範圍:自下方圓錐面 z=x2+y2 到上方平面 z=2。
- 第二步:轉換至柱座標:
- 柱座標轉換公式: x=rcosθ,y=rsinθ,z=z。
- 雅可比行列式微元: dzdydx=rdzdrdθ。
- 投影圓盤 D 的範圍: θ∈[0,2π], r∈[0,2]。
- z 的範圍:自下方 z=r 到上方 z=2。
- 被積函數: x2+y2=r2。
- 第三步:進行累次積分計算:
I=∫02π∫02∫r2r2⋅rdzdrdθ=∫02π∫02r3(2−r)drdθ
對其展開後直接進行簡單的單變數積分求解。
答題過程
展開
第一步:分析積分區域並進行柱座標轉換
直角座標的三重積分上限為:
- −2≤x≤2
- −4−x2≤y≤4−x2
- x2+y2≤z≤2
我們對其在 xy 平面上的投影區域進行觀察,可知其為一個完整的圓:
x2+y2≤4
這在極座標中可表示為半徑為 2 的圓盤。
我們引入柱座標變換:
x=rcosθ,y=rsinθ,z=z,dzdydx=rdzdrdθ
在新座標系中,積分區域的範圍定義為:
- θ 範圍:自 0 變化到 2π。
- r 範圍:自 0 變化到 2。
- z 範圍:由下方圓錐面 z=x2+y2=r 至平面 z=2。
即有:
0≤θ≤2π,0≤r≤2,r≤z≤2
第二步:將積分式代入並求解
將被積函數 x2+y2=r2 以及柱座標微元代入三重積分式:
I==∫02π∫02∫r2r2⋅(rdzdrdθ)∫02π∫02∫r2r3dzdrdθ
首先對最內層關於 z 進行積分:
∫r2r3dz=r3[z]r2=r3(2−r)=2r3−r4
代回積分式中,由於被積式與極角 θ 無關,我們可以直接將其與 θ 的積分拆開:
I========(∫02π1dθ)(∫02(2r3−r4)dr)2π⋅[42r4−51r5]022π⋅[21r4−51r5]022π⋅(21(2)4−51(2)5)2π⋅(216−532)2π⋅(8−532)2π⋅(540−32)2π⋅(58)=516π
結論:
三重積分值為 516π。