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102 台灣大學微積分(B) 第 14 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

102學年度 · 102台大微積分B · 第 14 題

題目

Problem

二、多選題

  1. Let SS denote the solid enclosed by x2+y2+z2=2zx^2+y^2+z^2=2z and z2=x2+y2z^2=x^2+y^2.

(A) The length of of the curve determined by {(x,y,z):x2+y2+z2=2z and z2=x2+y2}\{(x,y,z):x^2+y^2+z^2=2z \text{ and } z^2=x^2+y^2\} is 2π2\pi.

(B) The volume of SS is less than less than 2π/32\pi/3.

(C) The volume of SS is equal to π\pi.

(D) 當使用球面坐標係 (r,θ,ϕ)(r,\theta,\phi),即 x=rsin⁡θcos⁡ϕ, y=rsin⁡θsin⁡ϕ, z=rcos⁡θx=r\sin\theta\cos\phi,\ y=r\sin\theta\sin\phi,\ z=r\cos\theta 時,SS 的體積等於

∫02π∫0π/4∫02cos⁡ϕρ2sin⁡(ϕ) dρdθdϕ\int_0^{2\pi}\int_0^{\pi/4}\int_0^{2\cos\phi}\rho^2\sin(\phi)\,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\theta\mathrm{d}\phi

。

(E) SS 的表面積大於 4π4\pi。

題目勘誤

官方原題:選項 (D) 把球座標定義寫為 x=rsin⁡θcos⁡ϕ, y=rsin⁡θsin⁡ϕ, z=rcos⁡θx=r\sin\theta\cos\phi,\ y=r\sin\theta\sin\phi,\ z=r\cos\theta,但後面的積分卻採用 θ∈[0,2π]\theta\in[0,2\pi]、ϕ∈[0,π/4]\phi\in[0,\pi/4] 與 Jacobian ρ2sin⁡ϕ\rho^2\sin\phi。

實際上應為:後面的積分對應標準慣例 x=ρsin⁡ϕcos⁡θ, y=ρsin⁡ϕsin⁡θ, z=ρcos⁡ϕx=\rho\sin\phi\cos\theta,\ y=\rho\sin\phi\sin\theta,\ z=\rho\cos\phi;和選項內印出的座標定義不一致。照字面不能把 (D) 視為正確,無法唯一判定原作者意圖。

本頁保留官方原題,未替換原題條件。

解答

解法一

思路

展開
  • 先用圓柱座標 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2} 找球面與圓錐的交線,再判斷 (A)。
  • 體積用標準球座標計算,並注意題目選項 (D) 的座標符號誤植。

答題過程

展開

令 r=x2+y2r=\sqrt{x^2+y^2}。圓錐給 z=rz=r,代入球面 r2+z2=2zr^2+z^2=2z 得 r=z=1r=z=1,交線是半徑 11 的圓,故 (A) 正確。

若採用標準球座標

x=ρsin⁡ϕcos⁡θ,y=ρsin⁡ϕsin⁡θ,z=ρcos⁡ϕ,x=\rho\sin\phi\cos\theta,\quad y=\rho\sin\phi\sin\theta,\quad z=\rho\cos\phi,

實際立體的範圍為

0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π4,0≤ρ≤2cos⁡ϕ,0\le\theta\le2\pi,\quad0\le\phi\le\frac\pi4, \quad0\le\rho\le2\cos\phi,

所以其體積為

2π∫0π/4∫02cos⁡ϕρ2sin⁡ϕ dρ dϕ=π.2\pi\int_0^{\pi/4}\int_0^{2\cos\phi}\rho^2\sin\phi\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\phi=\pi.

故 (C) 正確。可是選項 (D) 印出的座標定義與這個積分使用的慣例不同;按官方原文的字面,(D) 不成立。因此可由無爭議部分確認的選項只有 (A)、(C)\boxed{\text{(A)、(C)}}。