題目
Problem
Evaluate the integral
∫−22∫04−y2∫−4−x2−y24−x2−y2y2x2+y2+z2dzdxdy.
(9) (9).
解答
解法一
思路
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- 本題要求計算一個複雜的三重積分。
- 第一步:識別積分區域 V
觀察積分上下限:
- −2≤y≤2
- 0≤x≤4−y2⟹x2+y2≤4,且限制 x≥0。
- −4−x2−y2≤z≤4−x2−y2⟹x2+y2+z2≤4。
這說明積分區域 V 是半徑為 2、中心在原點的實心球體中,滿足 x≥0 的那右半球體(半球)。
- 第二步:球座標變換
因為被積分函數中包含 x2+y2+z2 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=ρcosϕ
體積元為 dV=ρ2sinϕdρdϕdθ。
新變數範圍為:
- ρ(半徑):由 0 到 2。
- ϕ(天頂角):由 0 到 π(涵蓋全部 z 軸)。
- θ(方位角):因為 x≥0,所以在第一與第四象限,範圍為 −2π≤θ≤2π。
- 第三步:代入化簡並求解
被積分函數 y2x2+y2+z2=(ρsinϕsinθ)2⋅ρ=ρ3sin2ϕsin2θ。
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
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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:
- z 的範圍:−4−x2−y2≤z≤4−x2−y2
- x 的範圍:0≤x≤4−y2
- y 的範圍:−2≤y≤2
可知該立體區域為半徑 R=2 的實心球 x2+y2+z2≤4 滿足 x≥0 的部分。
我們引入球座標變換:
x=ρsinϕcosθ,y=ρsinϕsinθ,z=ρcosϕ
此時,變數範圍轉化為:
0≤ρ≤2,0≤ϕ≤π,−2π≤θ≤2π
體積元轉換為:
dzdxdy=ρ2sinϕdρdϕdθ
第二步:轉換被積分函數
原被積分函數為 f(x,y,z)=y2x2+y2+z2。將球座標代入:
f(ρ,ϕ,θ)===(ρsinϕsinθ)2ρ2ρ2sin2ϕsin2θ⋅ρρ3sin2ϕsin2θ
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==∫−2π2π∫0π∫02(ρ3sin2ϕsin2θ)⋅(ρ2sinϕ)dρdϕdθ∫−2π2π∫0π∫02ρ5sin3ϕsin2θdρdϕdθ
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=(∫−2π2πsin2θdθ)(∫0πsin3ϕdϕ)(∫02ρ5dρ)
我們分別計算這三個一元積分:
-
計算關於 θ 的積分(利用對稱性):
∫−2π2πsin2θdθ=2∫02πsin2θdθ=2⋅(21⋅2π)=2π
-
計算關於 ϕ 的積分(利用對稱性):
∫0πsin3ϕdϕ=2∫02πsin3ϕdϕ=2⋅(32⋅1)=34
-
計算關於 ρ 的積分:
∫02ρ5dρ=[61ρ6]02=664=332
將這三部分的計算結果相乘:
I==2π⋅34⋅332964π
因此,第 (9) 格答案為 \frac{64\pi}{9}。