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111 學年度台綜大微積分 C 第 10 題

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111學年度 · 111台綜大微積分C · 第 10 題

題目

Problem

10. Let F(x,y,z)=xx2+y2+z2i+yx2+y2+z2j+zx2+y2+z2k\mathbf{F}(x, y, z) = \frac{x}{x^2 + y^2 + z^2}\mathbf{i} + \frac{y}{x^2 + y^2 + z^2}\mathbf{j} + \frac{z}{x^2 + y^2 + z^2}\mathbf{k}. Compute the surface integral ∬SF⋅dS\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} (using the outward pointing normal), when SS is the surface x2+y2+z2=225x^2 + y^2 + z^2 = 225. (10%)

解答

思路

展開
  1. 令位置向量 r=⟨x,y,z⟩\mathbf{r} = \langle x, y, z \rangle,極半徑 r=∣r∣=x2+y2+z2r = |\mathbf{r}| = \sqrt{x^2+y^2+z^2}。
  2. 向量場可寫成: F=rr2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{r^2}
  3. 積分曲面 SS 是一個以原點為中心、半徑為 R=225=15R = \sqrt{225} = 15 的球面。
  4. 球面上的單位外法向量為: n=rr\mathbf{n} = \frac{\mathbf{r}}{r}
  5. 計算 F⋅n\mathbf{F} \cdot \mathbf{n}: F⋅n=rr2⋅rr=r2r3=1r\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = \frac{\mathbf{r}}{r^2} \cdot \frac{\mathbf{r}}{r} = \frac{r^2}{r^3} = \frac{1}{r}
  6. 由於在球面 SS 上, r=15r = 15 恆成立,故 F⋅n=115\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = \frac{1}{15} 是一個常數,直接提取出積分,即可透過球面面積公式求得結果。

答題過程

展開

令位置向量 r=xi+yj+zk\mathbf{r} = x\mathbf{i} + y\mathbf{j} + z\mathbf{k},其長度為 r=x2+y2+z2r = \sqrt{x^2+y^2+z^2}。 原向量場 F\mathbf{F} 可以改寫為:

F=rr2\mathbf{F} = \frac{\mathbf{r}}{r^2}

曲面 SS 是一個球心在原點、半徑 R=15R = 15 的球面。 該球面 SS 的單位外法向量為:

n=rr\mathbf{n} = \frac{\mathbf{r}}{r}

計算向量場在法向上的投影:

F⋅n=(rr2)⋅(rr)=r⋅rr3=r2r3=1r\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = \left( \frac{\mathbf{r}}{r^2} \right) \cdot \left( \frac{\mathbf{r}}{r} \right) = \frac{\mathbf{r} \cdot \mathbf{r}}{r^3} = \frac{r^2}{r^3} = \frac{1}{r}

因為在球面 SS 上,極半徑為常數 r=R=15r = R = 15,因此在整個曲面上:

F⋅n=115\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = \frac{1}{15}

計算曲面積分:

∬SF⋅dS=∬S(F⋅n) dS=∬S115 dS=115∬S1 dS\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} = \iint_S (\mathbf{F} \cdot \mathbf{n}) \,\mathrm{d}S = \iint_S \frac{1}{15}\,\mathrm{d}S = \frac{1}{15} \iint_S 1\,\mathrm{d}S =115⋅Area(S)= \frac{1}{15} \cdot \text{Area}(S)

球面的表面積公式為 Area(S)=4πR2\text{Area}(S) = 4\pi R^2:

∬SF⋅dS=115⋅4π(15)2=4π⋅15=60π\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} = \frac{1}{15} \cdot 4\pi (15)^2 = 4\pi \cdot 15 = 60\pi

結論: 曲面積分值為 60π60\pi。