Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 政大微積分(應數大二二) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大二二)

113學年度 · 113微積分(應數大二二) · 第 8 題

題目

Problem

(10%) Evaluate 224x24x2x2+y22(x2+y2)dzdydx\displaystyle \int_{-2}^{2} \int_{-\sqrt{4 - x^2}}^{\sqrt{4 - x^2}} \int_{\sqrt{x^2 + y^2}}^{2} (x^2 + y^2) \,\mathrm{d}z\mathrm{d}y\mathrm{d}x.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個直角座標系下的三重積分。被積函數為 x2+y2x^2+y^2,且積分邊界中含有圓弧邊界(±4x2\pm\sqrt{4-x^2})與圓錐邊界(x2+y2\sqrt{x^2+y^2})。這強烈暗示我們使用柱座標變換 (Cylindrical Coordinates)
  2. 第一步:分析積分區域 VV
    • xx 的範圍: 2x2-2 \le x \le 2
    • yy 的範圍: 4x2y4x2-\sqrt{4-x^2} \le y \le \sqrt{4-x^2}。 這兩個區間在 xyxy 平面上的投影區域 DD 剛好是一個半徑為 R=2R=2 的完整圓盤 x2+y24x^2+y^2 \le 4
    • zz 的範圍:自下方圓錐面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 到上方平面 z=2z = 2
  3. 第二步:轉換至柱座標
    • 柱座標轉換公式: x=rcosθ,y=rsinθ,z=zx = r\cos\theta, y = r\sin\theta, z = z
    • 雅可比行列式微元: dzdydx=rdzdrdθ\mathrm{d}z\mathrm{d}y\mathrm{d}x = r\,\mathrm{d}z\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta
    • 投影圓盤 DD 的範圍: θ[0,2π]\theta \in [0, 2\pi]r[0,2]r \in [0, 2]
    • zz 的範圍:自下方 z=rz = r 到上方 z=2z = 2
    • 被積函數: x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2
  4. 第三步:進行累次積分計算I=02π02r2r2rdzdrdθ=02π02r3(2r)drdθI = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} \int_{r}^{2} r^2 \cdot r \,\mathrm{d}z\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} r^3 (2 - r) \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta 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:

  • 2x2-2 \le x \le 2
  • 4x2y4x2-\sqrt{4-x^2} \le y \le \sqrt{4-x^2}
  • x2+y2z2\sqrt{x^2+y^2} \le z \le 2

我們對其在 xyxy 平面上的投影區域進行觀察,可知其為一個完整的圓:

x2+y24x^2 + y^2 \le 4

這在極座標中可表示為半徑為 22 的圓盤。

我們引入柱座標變換:

x=rcosθ,y=rsinθ,z=z,dzdydx=rdzdrdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad z = z, \quad \mathrm{d}z\mathrm{d}y\mathrm{d}x = r\,\mathrm{d}z\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

在新座標系中,積分區域的範圍定義為:

  • θ\theta 範圍:自 00 變化到 2π2\pi
  • rr 範圍:自 00 變化到 22
  • zz 範圍:由下方圓錐面 z=x2+y2=rz = \sqrt{x^2+y^2} = r 至平面 z=2z = 2

即有:

0θ2π,0r2,rz20 \le \theta \le 2\pi, \quad 0 \le r \le 2, \quad r \le z \le 2

第二步:將積分式代入並求解

將被積函數 x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2 以及柱座標微元代入三重積分式:

I=02π02r2r2(rdzdrdθ)=02π02r2r3dzdrdθ\begin{align*} I =&\, \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} \int_{r}^{2} r^2 \cdot \left( r \,\mathrm{d}z\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \right) \\[4mm] =&\, \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{2} \int_{r}^{2} r^3 \,\mathrm{d}z\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \end{align*}

首先對最內層關於 zz 進行積分:

r2r3dz=r3[z]r2=r3(2r)=2r3r4\int_{r}^{2} r^3 \,\mathrm{d}z = r^3 \Big[ z \Big]_{r}^{2} = r^3 (2 - r) = 2r^3 - r^4

代回積分式中,由於被積式與極角 θ\theta 無關,我們可以直接將其與 θ\theta 的積分拆開:

I=(02π1dθ)(02(2r3r4)dr)=2π[24r415r5]02=2π[12r415r5]02=2π(12(2)415(2)5)=2π(162325)=2π(8325)=2π(40325)=2π(85)=16π5\begin{align*} I =&\, \left( \int_{0}^{2\pi} 1 \,\mathrm{d}\theta \right) \left( \int_{0}^{2} (2r^3 - r^4) \,\mathrm{d}r \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left[ \frac{2}{4}r^4 - \frac{1}{5}r^5 \right]_{0}^{2} \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left[ \frac{1}{2}r^4 - \frac{1}{5}r^5 \right]_{0}^{2} \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left( \frac{1}{2}(2)^4 - \frac{1}{5}(2)^5 \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left( \frac{16}{2} - \frac{32}{5} \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left( 8 - \frac{32}{5} \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left( \frac{40 - 32}{5} \right) \\[4mm] =&\, 2\pi \cdot \left( \frac{8}{5} \right) = \frac{16\pi}{5} \end{align*}

結論: 三重積分值為 16π5\displaystyle \frac{16\pi}{5}