題目
Problem
5. Find the area of the portion of the plane y+2z=2 inside the cylinder x2+y2=4.
解答
解法一:常規曲面積分法
思路
展開
- 平面方程式為 z=1−2y,其在 xy 平面的投影區域為圓板 D={(x,y):x2+y2≤4}。
- 使用第一型曲面積分公式求面積 A:
A=∬D1+zx2+zy2dA
- 求出偏導數 zx=0,zy=−21,代入公式。
- 積出常數倍的投影圓面積。
答題過程
展開
將平面方程式改寫為以 z 為因變數的函數:
z=f(x,y)=1−2y
計算對 x 與 y 的偏導數:
zx=0,zy=−21
曲面積的微元 dS 為:
dS=1+zx2+zy2dA=1+02+(−21)2dA=45dA=25dA
曲面投影在 xy 平面上的區域 D 為圓柱內部的圓板:
D={(x,y)∈R2:x2+y2≤4}
此圓板半徑為 r=2,其面積為:
Area(D)=πr2=4π
因此,平面在此圓柱內部的曲面積 A 為:
A=∬DdS=25∬D1dA=25⋅Area(D)=25⋅4π=25π
解法二:投影幾何法(法向量夾角法)
思路
展開
- 平面 y+2z=2 截圓柱所形成的傾斜橢圓面,其在 xy 平面的正投影為圓板 D。
- 根據投影幾何關係,倾斜面面積 A 與正投影面積 AD 的關係為:
A=cosγAD
其中 γ 為該平面與 xy 平面(即 z=0)的夾角。
- 利用平面法向量與 z 軸方向向量的內積求出 cosγ,進而直接算出面積。
答題過程
展開
平面 y+2z=2 在 xy 平面的投影區域 D 為 x2+y2≤4,其面積為:
AD=π(2)2=4π
平面 y+2z=2 的法向量為:
n=⟨0,1,2⟩
xy 平面(即 z=0)的單位法向量為:
k=⟨0,0,1⟩
兩平面的夾角 γ 滿足其法向量夾角的餘弦值:
cosγ=∥n∥∥k∥∣n⋅k∣=02+12+22⋅1∣0⋅0+1⋅0+2⋅1∣=52
因此,傾斜平面在圓柱內部的面積 A 為:
A=cosγAD=524π=4π⋅25=25π