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113 台綜大微積分(C) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 10 題

題目

Problem

10. Let F\mathbf{F} be the vector field defined by

F(x,y,z)=(9x2z)i+(8sin(x3)+e2z)j+(x5yln(x2+1))k,\mathbf{F}(x, y, z) = (9x^2 z)\mathbf{i} + (8\sin(x^3) + e^{2z})\mathbf{j} + (x^5 y \ln(x^2 + 1))\mathbf{k} \,,

and let SS be the surface of the solid bounded by the planes x+3z=6x + 3z = 6, y=3y = 3, x=0x = 0, y=0y = 0, and z=0z = 0. Suppose SS is given with positive (outward) orientation. Evaluate the flux of F\mathbf{F} across SS. (10%)

解答

解法一:利用高斯散度定理(Divergence Theorem)

思路

展開
  1. 本題要求計算向量場 F\mathbf{F} 流經封閉曲面 SS 的外向通量。由於 SS 是一個由五個平面圍成的封閉立體 EE 的表面,這提示我們應使用高斯散度定理 (Divergence Theorem)
  2. 第一步:計算向量場的散度 divF\text{div} \mathbf{F}divF=Px+Qy+Rz\text{div} \mathbf{F} = \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z}
    • Px=x(9x2z)=18xz\frac{\partial P}{\partial x} = \frac{\partial}{\partial x} (9x^2z) = 18xz
    • Qy=y(8sin(x3)+e2z)=0\frac{\partial Q}{\partial y} = \frac{\partial}{\partial y} (8\sin(x^3)+e^{2z}) = 0
    • Rz=z(x5yln(x2+1))=0\frac{\partial R}{\partial z} = \frac{\partial}{\partial z} (x^5y\ln(x^2+1)) = 0
    • 散度為 divF=18xz\text{div} \mathbf{F} = 18xz
  3. 第二步:確定積分立體 EE 的邊界範圍
    • 立體被 x+3z=6x+3z=6, y=3y=3, x=0x=0, y=0y=0, z=0z=0 所圍。
    • 這是一個在 xzxz 平面上呈三角形、沿 yy 軸延伸長度為 3 的三稜柱。
    • 投影在 xzxz 平面上的範圍:當 x=0    3z=6    z=2x=0 \implies 3z=6 \implies z=2。 故 zz 的範圍為 0z20 \le z \le 2,而對於固定的 zzxx0063z6-3z
    • yy 的範圍恆為 0y30 \le y \le 3
    • 區域表示: E={(x,y,z)0z2, 0x63z, 0y3}E = \{ (x,y,z) \mid 0 \le z \le 2, \ 0 \le x \le 6-3z, \ 0 \le y \le 3 \}
  4. 第三步:寫出三重積分並計算E18xzdV=1803dy02z(063zxdx)dz\iiint_E 18xz \,\mathrm{d}V = 18 \int_0^3 \mathrm{d}y \cdot \int_0^2 z \left( \int_0^{6-3z} x\,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}z

答題過程

展開

根據高斯散度定理(Divergence Theorem),流經封閉曲面 SS 的外向通量等於其所圍成立體 EE 內散度的三重積分:

SFdS=EdivFdV\iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} = \iiint_E \text{div} \mathbf{F} \,\mathrm{d}V

我們先計算向量場 F=P,Q,R\mathbf{F} = \langle P,\, Q,\, R \rangle 的散度:

divF=Px+Qy+Rz=x(9x2z)+y(8sin(x3)+e2z)+z(x5yln(x2+1))=18xz+0+0=18xz\begin{align*} \text{div} \mathbf{F} =&\, \frac{\partial P}{\partial x} + \frac{\partial Q}{\partial y} + \frac{\partial R}{\partial z} \\[2mm] =&\, \frac{\partial}{\partial x}(9x^2z) + \frac{\partial}{\partial y}\left(8\sin(x^3) + e^{2z}\right) + \frac{\partial}{\partial z}\left(x^5 y \ln(x^2 + 1)\right) \\[2mm] =&\, 18xz + 0 + 0 = 18xz \end{align*}

接下來,我們分析立體區域 EE 的邊界範圍:

  • y=0y = 0y=3y = 3 可知, yy 軸獨立,範圍為 0y30 \le y \le 3
  • xzxz 平面上,立體被 x=0x = 0zz 軸)、 z=0z = 0xx 軸)以及斜線 x+3z=6x + 3z = 6 所圍。
    • 斜線與 zz 軸交於 (0,2)(0, 2),與 xx 軸交於 (6,0)(6, 0)
    • 故我們可將 xzxz 平面的投影區域寫為: 0z2,0x63z0 \le z \le 2, \quad 0 \le x \le 6 - 3z

因此,立體 EE 可表示為:

E={(x,y,z)0z2, 0x63z, 0y3}E = \{ (x, y, z) \mid 0 \le z \le 2, \ 0 \le x \le 6 - 3z, \ 0 \le y \le 3 \}

代入三重積分進行計算:

E18xzdV=0302063z18xzdxdzdy=18(03dy)02z(063zxdx)dz=18302z[12x2]063zdz=2702z(63z)2dz\begin{align*} \iiint_E 18xz \,\mathrm{d}V =&\, \int_0^3 \int_0^2 \int_0^{6-3z} 18xz \,\mathrm{d}x\mathrm{d}z\mathrm{d}y \\[4mm] =&\, 18 \left( \int_0^3 \mathrm{d}y \right) \int_0^2 z \left( \int_0^{6-3z} x \,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}z \\[4mm] =&\, 18 \cdot 3 \cdot \int_0^2 z \left[ \frac{1}{2}x^2 \right]_0^{6-3z} \mathrm{d}z \\[4mm] =&\, 27 \int_0^2 z (6 - 3z)^2 \,\mathrm{d}z \end{align*}

我們展開括號項: (63z)2=9(2z)2=9(44z+z2)(6-3z)^2 = 9(2-z)^2 = 9(4 - 4z + z^2)

2702z(63z)2dz=27902z(44z+z2)dz=24302(4z4z2+z3)dz=243[2z243z3+14z4]02\begin{align*} 27 \int_0^2 z (6 - 3z)^2 \,\mathrm{d}z =&\, 27 \cdot 9 \int_0^2 z(4 - 4z + z^2) \,\mathrm{d}z \\[4mm] =&\, 243 \int_0^2 \left( 4z - 4z^2 + z^3 \right) \mathrm{d}z \\[4mm] =&\, 243 \left[ 2z^2 - \frac{4}{3}z^3 + \frac{1}{4}z^4 \right]_0^2 \end{align*}

代入上限 22

SFdS=243(2(4)43(8)+14(16))=243(8323+4)=243(12323)=243(36323)=243(43)=814=324\begin{align*} \iint_S \mathbf{F} \cdot \mathrm{d}\mathbf{S} =&\, 243 \left( 2(4) - \frac{4}{3}(8) + \frac{1}{4}(16) \right) \\[4mm] =&\, 243 \left( 8 - \frac{32}{3} + 4 \right) \\[4mm] =&\, 243 \left( 12 - \frac{32}{3} \right) \\[4mm] =&\, 243 \left( \frac{36 - 32}{3} \right) \\[4mm] =&\, 243 \left( \frac{4}{3} \right) = 81 \cdot 4 = 324 \end{align*}

結論: 通量值為 324324