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107 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

107學年度 · 107台大微積分B · 第 14 題

題目

Problem

Part II Fill in the blanks

  1. Let EE be a tetrahedron(四面體)in R3\mathbb{R}^3 bounded by the planes x+y+z=3x+y+z=3, x=2zx=2z, y=0y=0 and z=0z=0. Let also F:=(x−y)i+(y2+z2)j+ex3k\mathbf{F}:=(x-y)\mathbf{i}+(y^2+z^2)\mathbf{j}+e^{x^3}\mathbf{k}.

(a) curl⁡F=(18)‾\operatorname{curl}\mathbf{F}=\underline{\quad(18)\quad}.

(b) If S1S_1 is the boundary surface of EE (including all faces) endowed with the outward orientation, one has ∬S1curl⁡F⋅dS=(19)‾\iint_{S_1}\operatorname{curl}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{S}=\underline{\quad(19)\quad}.

(c) If S2S_2 is the surface obtained from S1S_1 by removing the face in the xyxy-plane while keeping the orientation from S1S_1 on all other faces, one then has ∬S2curl⁡F⋅dS=(20)‾\iint_{S_2}\operatorname{curl}\mathbf{F}\cdot d\mathbf{S}=\underline{\quad(20)\quad}.

解答

解法一

思路

展開

先直接計算旋度。封閉曲面的旋度通量由散度定理為零;移除一面後,便以「其餘面的通量 = 封閉曲面通量減被移除面的通量」求值。

答題過程

展開

寫成分量 F=(P,Q,R)\mathbf F=(P,Q,R),其中

P=x−y,Q=y2+z2,R=ex3.P=x-y,\qquad Q=y^2+z^2,\qquad R=e^{x^3}.

因此

curl⁡F= (Ry−Qz, Pz−Rx, Qx−Py)= (−2z, −3x2ex3, 1).\begin{align*} \operatorname{curl}\mathbf F =&\,\left(R_y-Q_z,\,P_z-R_x,\,Q_x-P_y\right)\\[4mm] =&\,\left(-2z,\,-3x^2e^{x^3},\,1\right). \end{align*}

故第 (18) 空為 (−2z,−3x2ex3,1)\boxed{(-2z,-3x^2e^{x^3},1)}。

因為 S1S_1 是四面體的封閉邊界,且

∇⋅(curl⁡F)=0,\nabla\cdot(\operatorname{curl}\mathbf F)=0,

由散度定理得

∬S1curl⁡F⋅dS=0.\iint_{S_1}\operatorname{curl}\mathbf F\cdot\mathrm{d}\mathbf S=\boxed{0}.

現在移除 xyxy 平面(即 z=0z=0)上的面。此面在 xyxy 平面的投影是三角形

x≥0,y≥0,x+y≤3,x\ge0,\qquad y\ge0,\qquad x+y\le3,

面積為 92\frac92;該面的外法向量為 −k-\mathbf k。故被移除面的通量為

∬z=0curl⁡F⋅(−k) dA=∫ ⁣ ⁣∫(−1) dA=−92.\iint_{z=0}\operatorname{curl}\mathbf F\cdot(-\mathbf k)\,\mathrm{d}A =\int\!\!\int(-1)\,\mathrm{d}A=-\frac92.

所以保留的 S2S_2 通量為

∬S2curl⁡F⋅dS=0−(−92)=92.\iint_{S_2}\operatorname{curl}\mathbf F\cdot\mathrm{d}\mathbf S =0-\left(-\frac92\right)=\boxed{\frac92}.

故第 (19)、(20) 空依序為 0\boxed{0}、92\boxed{\frac92}。