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109 學年度台綜大微積分 A 第 10 題

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109學年度 · 109台綜大微積分A · 第 10 題

題目

10. (10 pts) Find the flux of the vector field F\mathbf{F} on R3\mathbb{R}^3 defined by

F=3xi+2yj+5zk\mathbf{F}=3x\mathbf{i}+2y\mathbf{j}+5z\mathbf{k}

through the surface S={(x,y,1−x2−y2)∈R3:x2+y2≤1}S=\left\{ \left(x,y,\sqrt{1-x^2-y^2}\right)\in\mathbb{R}^3 : x^2+y^2 \le 1 \right\} oriented with upward pointing normal vector field.

備註:i=(1,0,0), j=(0,1,0), k=(0,0,1)\mathbf{i}=(1,0,0),\ \mathbf{j}=(0,1,0),\ \mathbf{k}=(0,0,1).

解答

解法一

思路

展開
  • 上半球面加上底面的圓盤才是封閉曲面,適合使用散度定理。
  • 底面在 z=0z=0,而向量場的 zz 分量為 5z5z,底面通量為零;所以封閉曲面的通量就是所求通量。

答題過程

令 DD 為 z=0z=0 的單位圓盤。S∪DS\cup D 是上半個單位球的封閉邊界,且 DD 的外法向量為 −k-\mathbf k。

∇⋅F=∂(3x)∂x+∂(2y)∂y+∂(5z)∂z=10.\nabla\cdot\mathbf F =\frac{\partial(3x)}{\partial x} +\frac{\partial(2y)}{\partial y} +\frac{\partial(5z)}{\partial z} =10.

上半個單位球的體積是 2π3\frac{2\pi}{3},故散度定理給出

∬S∪DF⋅n dS=10⋅2π3=20π3.\iint_{S\cup D}\mathbf F\cdot\mathbf n\,\mathrm{d}S =10\cdot\frac{2\pi}{3} =\frac{20\pi}{3}.

在 DD 上有 z=0z=0,所以 F⋅(−k)=−5z=0\mathbf F\cdot(-\mathbf k)=-5z=0。因此底面不貢獻通量,所求上半球面通量為

20π3.\boxed{\frac{20\pi}{3}}.