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111 學年度台聯大微積分 A3/A4/A6 第 5 題

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111學年度 · 111台聯大微積分A3/A4/A6 · 第 5 題

題目

Problem

5. Find the area of the portion of the plane y+2z=2y + 2z = 2 inside the cylinder x2+y2=4x^2 + y^2 = 4.

解答

解法一:常規曲面積分法

思路

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  1. 平面方程式為 z=1y2z = 1 - \frac{y}{2},其在 xyxy 平面的投影區域為圓板 D={(x,y):x2+y24}D = \{ (x, y) : x^2 + y^2 \le 4 \}
  2. 使用第一型曲面積分公式求面積 AAA=D1+zx2+zy2dAA = \iint_D \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}\,\mathrm{d}A
  3. 求出偏導數 zx=0z_x = 0zy=12z_y = -\frac{1}{2},代入公式。
  4. 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 zz 為因變數的函數:

z=f(x,y)=1y2z = f(x, y) = 1 - \frac{y}{2}

計算對 xxyy 的偏導數:

zx=0,zy=12z_x = 0, \quad z_y = -\frac{1}{2}

曲面積的微元 dS\mathrm{d}S 為:

dS=1+zx2+zy2dA=1+02+(12)2dA=54dA=52dA\mathrm{d}S = \sqrt{1 + z_x^2 + z_y^2}\,\mathrm{d}A = \sqrt{1 + 0^2 + \left(-\frac{1}{2}\right)^2}\,\mathrm{d}A = \sqrt{\frac{5}{4}}\,\mathrm{d}A = \frac{\sqrt{5}}{2}\,\mathrm{d}A

曲面投影在 xyxy 平面上的區域 DD 為圓柱內部的圓板:

D={(x,y)R2:x2+y24}D = \{ (x,y) \in \mathbb{R}^2 : x^2 + y^2 \le 4 \}

此圓板半徑為 r=2r = 2,其面積為:

Area(D)=πr2=4π\text{Area}(D) = \pi r^2 = 4\pi

因此,平面在此圓柱內部的曲面積 AA 為:

A=DdS=52D1dA=52Area(D)=524π=25πA = \iint_D \mathrm{d}S = \frac{\sqrt{5}}{2} \iint_D 1\,\mathrm{d}A = \frac{\sqrt{5}}{2} \cdot \text{Area}(D) = \frac{\sqrt{5}}{2} \cdot 4\pi = \boxed{2\sqrt{5}\pi}

解法二:投影幾何法(法向量夾角法)

思路

展開
  1. 平面 y+2z=2y+2z=2 截圓柱所形成的傾斜橢圓面,其在 xyxy 平面的正投影為圓板 DD
  2. 根據投影幾何關係,倾斜面面積 AA 與正投影面積 ADA_D 的關係為: A=ADcosγA = \frac{A_D}{\cos\gamma} 其中 γ\gamma 為該平面與 xyxy 平面(即 z=0z=0)的夾角。
  3. 利用平面法向量與 zz 軸方向向量的內積求出 cosγ\cos\gamma,進而直接算出面積。

答題過程

展開

平面 y+2z=2y + 2z = 2xyxy 平面的投影區域 DDx2+y24x^2 + y^2 \le 4,其面積為:

AD=π(2)2=4πA_D = \pi (2)^2 = 4\pi

平面 y+2z=2y+2z=2 的法向量為:

n=0,1,2\mathbf{n} = \langle 0, 1, 2 \rangle

xyxy 平面(即 z=0z=0)的單位法向量為:

k=0,0,1\mathbf{k} = \langle 0, 0, 1 \rangle

兩平面的夾角 γ\gamma 滿足其法向量夾角的餘弦值:

cosγ=nknk=00+10+2102+12+221=25\cos\gamma = \frac{|\mathbf{n} \cdot \mathbf{k}|}{\|\mathbf{n}\| \|\mathbf{k}\|} = \frac{|0\cdot 0 + 1\cdot 0 + 2\cdot 1|}{\sqrt{0^2+1^2+2^2} \cdot 1} = \frac{2}{\sqrt{5}}

因此,傾斜平面在圓柱內部的面積 AA 為:

A=ADcosγ=4π25=4π52=25πA = \frac{A_D}{\cos\gamma} = \frac{4\pi}{\frac{2}{\sqrt{5}}} = 4\pi \cdot \frac{\sqrt{5}}{2} = \boxed{2\sqrt{5}\pi}