題目
Problem
10. Let F be the vector field defined by
F(x,y,z)=(9x2z)i+(8sin(x3)+e2z)j+(x5yln(x2+1))k,
and let S be the surface of the solid bounded by the planes x+3z=6, y=3, x=0, y=0, and z=0. Suppose S is given with positive (outward) orientation. Evaluate the flux of F across S. (10%)
解答
解法一:利用高斯散度定理(Divergence Theorem)
思路
展開
- 本題要求計算向量場 F 流經封閉曲面 S 的外向通量。由於 S 是一個由五個平面圍成的封閉立體 E 的表面,這提示我們應使用高斯散度定理 (Divergence Theorem)。
- 第一步:計算向量場的散度 divF:
divF=∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R
- ∂x∂P=∂x∂(9x2z)=18xz。
- ∂y∂Q=∂y∂(8sin(x3)+e2z)=0。
- ∂z∂R=∂z∂(x5yln(x2+1))=0。
- 散度為 divF=18xz。
- 第二步:確定積分立體 E 的邊界範圍:
- 立體被 x+3z=6, y=3, x=0, y=0, z=0 所圍。
- 這是一個在 xz 平面上呈三角形、沿 y 軸延伸長度為 3 的三稜柱。
- 投影在 xz 平面上的範圍:當 x=0⟹3z=6⟹z=2。
故 z 的範圍為 0≤z≤2,而對於固定的 z, x 從 0 到 6−3z。
- y 的範圍恆為 0≤y≤3。
- 區域表示: E={(x,y,z)∣0≤z≤2, 0≤x≤6−3z, 0≤y≤3}。
- 第三步:寫出三重積分並計算:
∭E18xzdV=18∫03dy⋅∫02z(∫06−3zxdx)dz
答題過程
展開
根據高斯散度定理(Divergence Theorem),流經封閉曲面 S 的外向通量等於其所圍成立體 E 內散度的三重積分:
∬SF⋅dS=∭EdivFdV
我們先計算向量場 F=⟨P,Q,R⟩ 的散度:
divF===∂x∂P+∂y∂Q+∂z∂R∂x∂(9x2z)+∂y∂(8sin(x3)+e2z)+∂z∂(x5yln(x2+1))18xz+0+0=18xz
接下來,我們分析立體區域 E 的邊界範圍:
- 由 y=0 與 y=3 可知, y 軸獨立,範圍為 0≤y≤3。
- 在 xz 平面上,立體被 x=0 (z 軸)、 z=0 (x 軸)以及斜線 x+3z=6 所圍。
- 斜線與 z 軸交於 (0,2),與 x 軸交於 (6,0)。
- 故我們可將 xz 平面的投影區域寫為:
0≤z≤2,0≤x≤6−3z
因此,立體 E 可表示為:
E={(x,y,z)∣0≤z≤2, 0≤x≤6−3z, 0≤y≤3}
代入三重積分進行計算:
∭E18xzdV====∫03∫02∫06−3z18xzdxdzdy18(∫03dy)∫02z(∫06−3zxdx)dz18⋅3⋅∫02z[21x2]06−3zdz27∫02z(6−3z)2dz
我們展開括號項: (6−3z)2=9(2−z)2=9(4−4z+z2)。
27∫02z(6−3z)2dz===27⋅9∫02z(4−4z+z2)dz243∫02(4z−4z2+z3)dz243[2z2−34z3+41z4]02
代入上限 2:
∬SF⋅dS=====243(2(4)−34(8)+41(16))243(8−332+4)243(12−332)243(336−32)243(34)=81⋅4=324
結論:
通量值為 324。