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114 台聯大微積分 A3/A4/A6 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

114學年度 · 114微積分A3/A4/A6 · 第 9 題

題目

Problem

Evaluate the integral

2204y24x2y24x2y2y2x2+y2+z2dzdxdy.\int_{-2}^{2} \int_{0}^{\sqrt{4-y^2}} \int_{-\sqrt{4-x^2-y^2}}^{\sqrt{4-x^2-y^2}} y^2 \sqrt{x^2+y^2+z^2} \,\mathrm{d}z\mathrm{d}x\mathrm{d}y.

(9) (9)\underline{\quad(9)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算一個複雜的三重積分。
  2. 第一步:識別積分區域 VV 觀察積分上下限:
    • 2y2-2 \le y \le 2
    • 0x4y2    x2+y240 \le x \le \sqrt{4-y^2} \implies x^2+y^2 \le 4,且限制 x0x \ge 0
    • 4x2y2z4x2y2    x2+y2+z24-\sqrt{4-x^2-y^2} \le z \le \sqrt{4-x^2-y^2} \implies x^2+y^2+z^2 \le 4。 這說明積分區域 VV 是半徑為 22、中心在原點的實心球體中,滿足 x0x \ge 0 的那右半球體(半球)
  3. 第二步:球座標變換 因為被積分函數中包含 x2+y2+z2\sqrt{x^2+y^2+z^2} 且積分區域為球體的一部分,因此最合適的工具是球座標系統 (Spherical Coordinates)。 球座標轉換公式為: x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕx = \rho \sin\phi \cos\theta, \quad y = \rho \sin\phi \sin\theta, \quad z = \rho \cos\phi 體積元為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ\mathrm{d}V = \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta。 新變數範圍為:
    • ρ\rho(半徑):由 0022
    • ϕ\phi(天頂角):由 00π\pi(涵蓋全部 zz 軸)。
    • θ\theta(方位角):因為 x0x \ge 0,所以在第一與第四象限,範圍為 π2θπ2-\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}
  4. 第三步:代入化簡並求解 被積分函數 y2x2+y2+z2=(ρsinϕsinθ)2ρ=ρ3sin2ϕsin2θy^2 \sqrt{x^2+y^2+z^2} = (\rho \sin\phi \sin\theta)^2 \cdot \rho = \rho^3 \sin^2\phi \sin^2\theta。 代入後,利用富比尼定理拆成三個獨立的一重定積分計算。過程中可利用對稱性與華理士公式(Wallis’ Formula)簡化計算。

答題過程

展開

第一步:確定積分區域與變數範圍

由題目給定的直角座標積分邊界:

  • zz 的範圍:4x2y2z4x2y2-\sqrt{4-x^2-y^2} \le z \le \sqrt{4-x^2-y^2}
  • xx 的範圍:0x4y20 \le x \le \sqrt{4-y^2}
  • yy 的範圍:2y2-2 \le y \le 2

可知該立體區域為半徑 R=2R = 2 的實心球 x2+y2+z24x^2+y^2+z^2 \le 4 滿足 x0x \ge 0 的部分。

我們引入球座標變換:

x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕx = \rho \sin\phi \cos\theta, \quad y = \rho \sin\phi \sin\theta, \quad z = \rho \cos\phi

此時,變數範圍轉化為:

0ρ2,0ϕπ,π2θπ20 \le \rho \le 2, \quad 0 \le \phi \le \pi, \quad -\frac{\pi}{2} \le \theta \le \frac{\pi}{2}

體積元轉換為:

dzdxdy=ρ2sinϕdρdϕdθ\mathrm{d}z\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta

第二步:轉換被積分函數

原被積分函數為 f(x,y,z)=y2x2+y2+z2f(x, y, z) = y^2 \sqrt{x^2+y^2+z^2}。將球座標代入:

f(ρ,ϕ,θ)=(ρsinϕsinθ)2ρ2=ρ2sin2ϕsin2θρ=ρ3sin2ϕsin2θ\begin{align*} f(\rho, \phi, \theta) =&\, (\rho \sin\phi \sin\theta)^2 \sqrt{\rho^2} \\[4mm] =&\, \rho^2 \sin^2\phi \sin^2\theta \cdot \rho \\[4mm] =&\, \rho^3 \sin^2\phi \sin^2\theta \end{align*}

第三步:建立並計算三重積分

將所有元素代入三重積分中:

I=π2π20π02(ρ3sin2ϕsin2θ)(ρ2sinϕ)dρdϕdθ=π2π20π02ρ5sin3ϕsin2θdρdϕdθ\begin{align*} I =&\, \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{\pi} \int_{0}^{2} (\rho^3 \sin^2\phi \sin^2\theta) \cdot (\rho^2 \sin\phi) \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{\pi} \int_{0}^{2} \rho^5 \sin^3\phi \sin^2\theta \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta \end{align*}

由於各變數的積分上限皆為常數,且被積分函數可拆為獨立乘積,我們可以使用富比尼定理將其拆開:

I=(π2π2sin2θdθ)(0πsin3ϕdϕ)(02ρ5dρ)\begin{align*} I =&\, \left( \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2\theta \,\mathrm{d}\theta \right) \left( \int_{0}^{\pi} \sin^3\phi \,\mathrm{d}\phi \right) \left( \int_{0}^{2} \rho^5 \,\mathrm{d}\rho \right) \end{align*}

我們分別計算這三個一元積分:

  1. 計算關於 θ\theta 的積分(利用對稱性):

    π2π2sin2θdθ=20π2sin2θdθ=2(12π2)=π2\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2\theta \,\mathrm{d}\theta = 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^2\theta \,\mathrm{d}\theta = 2 \cdot \left( \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2} \right) = \frac{\pi}{2}
  2. 計算關於 ϕ\phi 的積分(利用對稱性):

    0πsin3ϕdϕ=20π2sin3ϕdϕ=2(231)=43\int_{0}^{\pi} \sin^3\phi \,\mathrm{d}\phi = 2 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\phi \,\mathrm{d}\phi = 2 \cdot \left( \frac{2}{3} \cdot 1 \right) = \frac{4}{3}
  3. 計算關於 ρ\rho 的積分

    02ρ5dρ=[16ρ6]02=646=323\int_{0}^{2} \rho^5 \,\mathrm{d}\rho = \left[ \frac{1}{6}\rho^6 \right]_{0}^{2} = \frac{64}{6} = \frac{32}{3}

將這三部分的計算結果相乘:

I=π243323=64π9\begin{align*} I =&\, \frac{\pi}{2} \cdot \frac{4}{3} \cdot \frac{32}{3} \\[4mm] =&\, \frac{64\pi}{9} \end{align*}

因此,第 (9) 格答案為 \frac{64\pi}{9}