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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 6 題

題目

Problem

甲、填充題:共8題,每題8分,共64分。請在答案卷上列出題號依序作答。

  1. Evaluate the triple integral:
∭Ex2 dV ,\iiint_{E} x^2 \,\mathrm{d}V \,,

where EE is the solid hemisphere x2+y2+z2≤4x^2 + y^2 + z^2 \le 4, y≥0y \ge 0.

解答

解法一:投影至 xzxz 平面搭配三角代換(推薦)

思路

展開
  1. 本題要求在半球體 E={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤4, y≥0}E = \{ (x,y,z) \mid x^2+y^2+z^2 \le 4, \ y \ge 0 \} 上計算三重積分 ∭Ex2 dV\iiint_E x^2 \,\mathrm{d}V。
  2. 由於半球體是相對於 y≥0y \ge 0 的,我們最容易將其沿 yy 軸進行積分:
    • 對於每個固定的 (x,z)(x, z), yy 的變化範圍為: 0≤y≤4−x2−z20 \le y \le \sqrt{4 - x^2 - z^2}。
    • 而 (x,z)(x, z) 投影在 xzxz 平面上的區域為一個圓盤 Dxz:x2+z2≤4D_{xz} : x^2 + z^2 \le 4。
  3. 第一步:寫出積分式: ∭Ex2 dV=∬x2+z2≤4(∫04−x2−z2x2 dy)dxdz\iiint_E x^2 \,\mathrm{d}V = \iint_{x^2+z^2 \le 4} \left( \int_0^{\sqrt{4-x^2-z^2}} x^2 \,\mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x\mathrm{d}z =∬x2+z2≤4x24−x2−z2 dxdz= \iint_{x^2+z^2 \le 4} x^2 \sqrt{4-x^2-z^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}z
  4. 第二步:使用極座標在 xzxz 平面上求解:
    • 令 x=rcos⁡θ,z=rsin⁡θ,dxdz=r drdθx = r\cos\theta, z = r\sin\theta, \mathrm{d}x\mathrm{d}z = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta。
    • 區域範圍為: 0≤θ≤2π0 \le \theta \le 2\pi, 0≤r≤20 \le r \le 2。
    • 積分化為: ∫02πcos⁡2θ dθ⋅∫02r34−r2 dr\int_0^{2\pi} \cos^2\theta \,\mathrm{d}\theta \cdot \int_0^2 r^3 \sqrt{4-r^2} \,\mathrm{d}r。
  5. 第三步:分別計算兩個單變數積分:
    • 第一部分: ∫02πcos⁡2θ dθ=π\int_0^{2\pi} \cos^2\theta \,\mathrm{d}\theta = \pi。
    • 第二部分:使用三角代換法 r=2sin⁡ϕ  ⟹  dr=2cos⁡ϕ dϕr = 2\sin\phi \implies \mathrm{d}r = 2\cos\phi \,\mathrm{d}\phi,可求得 6415\frac{64}{15}。
  6. 相乘即為所求。

答題過程

展開

我們將半球體 EE 投影到 xzxz 平面上,其投影區域為圓盤:

Dxz={(x,z)∣x2+z2≤4}D_{xz} = \{ (x, z) \mid x^2 + z^2 \le 4 \}

對於圓盤上的每一點 (x,z)(x, z), yy 軸的高度變化範圍為:

0≤y≤4−x2−z20 \le y \le \sqrt{4 - x^2 - z^2}

我們將三重積分改寫為累次積分:

I=∬Dxz(∫04−x2−z2x2 dy)dxdz=∬Dxzx24−x2−z2 dxdzI = \iint_{D_{xz}} \left( \int_0^{\sqrt{4-x^2-z^2}} x^2 \,\mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x\mathrm{d}z = \iint_{D_{xz}} x^2 \sqrt{4 - x^2 - z^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}z

在 xzxz 平面上引入極座標變換:

x=rcos⁡θ,z=rsin⁡θ,dxdz=r drdθx = r\cos\theta, \quad z = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}x\mathrm{d}z = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

積分範圍為:

0≤θ≤2π,0≤r≤20 \le \theta \le 2\pi, \quad 0 \le r \le 2

代入極座標:

I= ∫02π∫02(rcos⁡θ)24−r2⋅r drdθ= (∫02πcos⁡2θ dθ)(∫02r34−r2 dr)— (1)\begin{align*} I =&\, \int_0^{2\pi} \int_0^2 (r\cos\theta)^2 \sqrt{4 - r^2} \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \left( \int_0^{2\pi} \cos^2\theta \,\mathrm{d}\theta \right) \left( \int_0^2 r^3 \sqrt{4 - r^2} \,\mathrm{d}r \right) \quad \text{--- (1)} \end{align*}

我們分別計算這兩部分積分:

  1. 第一部分:關於 θ\theta 的積分:

    ∫02πcos⁡2θ dθ=∫02π1+cos⁡2θ2 dθ=[θ2+sin⁡2θ4]02π=π\int_0^{2\pi} \cos^2\theta \,\mathrm{d}\theta = \int_0^{2\pi} \frac{1 + \cos 2\theta}{2} \,\mathrm{d}\theta = \left[ \frac{\theta}{2} + \frac{\sin 2\theta}{4} \right]_0^{2\pi} = \pi
  2. 第二部分:關於 rr 的積分: 我們使用三角代換法。令:

    r=2sin⁡ϕ  ⟹  dr=2cos⁡ϕ dϕr = 2\sin\phi \implies \mathrm{d}r = 2\cos\phi \,\mathrm{d}\phi

    變更界限:當 r=0  ⟹  ϕ=0r = 0 \implies \phi = 0;當 r=2  ⟹  ϕ=π2r = 2 \implies \phi = \frac{\pi}{2}。

    ∫02r34−r2 dr= ∫0π2(2sin⁡ϕ)34−4sin⁡2ϕ⋅(2cos⁡ϕ) dϕ= ∫0π28sin⁡3ϕ⋅(2cos⁡ϕ)⋅(2cos⁡ϕ) dϕ= 32∫0π2sin⁡3ϕcos⁡2ϕ dϕ= 32∫0π2sin⁡ϕ(1−cos⁡2ϕ)cos⁡2ϕ dϕ= 32∫0π2(sin⁡ϕcos⁡2ϕ−sin⁡ϕcos⁡4ϕ)dϕ= 32[−13cos⁡3ϕ+15cos⁡5ϕ]0π2= 32(0−(−13+15))=32(215)=6415\begin{align*} \int_0^2 r^3 \sqrt{4 - r^2} \,\mathrm{d}r =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} (2\sin\phi)^3 \sqrt{4 - 4\sin^2\phi} \cdot (2\cos\phi) \,\mathrm{d}\phi \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} 8\sin^3\phi \cdot (2\cos\phi) \cdot (2\cos\phi) \,\mathrm{d}\phi \\[4mm] =&\, 32 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\phi \cos^2\phi \,\mathrm{d}\phi \\[4mm] =&\, 32 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin\phi (1 - \cos^2\phi) \cos^2\phi \,\mathrm{d}\phi \\[4mm] =&\, 32 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left( \sin\phi\cos^2\phi - \sin\phi\cos^4\phi \right) \mathrm{d}\phi \\[4mm] =&\, 32 \left[ -\frac{1}{3}\cos^3\phi + \frac{1}{5}\cos^5\phi \right]_0^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, 32 \left( 0 - \left( -\frac{1}{3} + \frac{1}{5} \right) \right) = 32 \left( \frac{2}{15} \right) = \frac{64}{15} \end{align*}

將兩部分結果代回式 (1):

I=π⋅6415=64π15I = \pi \cdot \frac{64}{15} = \frac{64\pi}{15}

結論: 6. 填入 64π15\displaystyle \frac{64\pi}{15}。