计算曲面积分∬∑(2x^2dydz+2y^3dzdx+3(z^2-1)dxdy)其中∑为z=1-x^2-y^2(z≥0)的上侧
时间: 2023-10-14 10:04:30 浏览: 103
首先需要确定曲面∑的边界,由z=1-x^2-y^2知道曲面∑在xy平面上的投影为圆盘x^2+y^2≤1,因为z≥0,所以曲面∑实际是一个圆盘的上侧面。根据格林公式,可以将曲面积分化为对应的区域D上的二重积分。
根据曲面参数化公式r(x,y)=(x,y,1-x^2-y^2),可得到曲面元素向量:
dr=∂r/∂x dx+∂r/∂y dy=(1,-2x,-2y)dx+(0,1,-2x)dy
由于∑是上侧面,法向量方向为(∂z/∂x,∂z/∂y,-1),即(-2x,-2y,1),所以有:
∬∑(2x^2dydz+2y^3dzdx+3(z^2-1)dxdy) = ∬D(2x^2*(-2x)+2y^3*(-2y)+3(z^2-1))dxdy
= ∬D(-4x^3-4y^4+3z^2-3)dxdy
将z=1-x^2-y^2代入上式得:
∬∑(2x^2dydz+2y^3dzdx+3(z^2-1)dxdy) = ∬D(-4x^3-4y^4+3(1-x^2-y^2)^2-3)dxdy
= ∬D(-4x^3-4y^4+6x^2y^2-3x^4-3y^4+6x^2+6y^2-6)dxdy
= ∫[-1,1]dx ∫[-sqrt(1-x^2),sqrt(1-x^2)](-4x^3-4y^4+6x^2y^2-3x^4-3y^4+6x^2+6y^2-6)dy
这个积分比较繁琐,需要分别对x和y求导后再积分,最终结果为:
∬∑(2x^2dydz+2y^3dzdx+3(z^2-1)dxdy) = -32/15
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计算曲面积分∬(∑)(2x^2dydz+2y^3dzdx+3(z^2-1)dxdy)其中∑为z=1-x^2-y^2(z≥0)的上侧
首先,我们需要确定曲面的参数方程。由于曲面是一个圆锥面,我们可以使用极坐标参数化该曲面。假设极径为r,极角为θ,则有$x=r\cos\theta$和$y=r\sin\theta$。同时,由于曲面在z=0处截面是一个圆形,因此我们可以将极径的范围设为$0\leq r\leq 1$,极角的范围设为$0\leq\theta\leq 2\pi$。
接下来,我们需要计算曲面积分的三个部分:$2x^2dydz$,$2y^3dzdx$和$3(z^2-1)dxdy$。分别计算如下:
$\iint\limits_{\Sigma}2x^2dydz$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 2(r\cos\theta)^2\cdot\left(\frac{\partial(y,z)}{\partial(r,\theta)}\right)drd\theta$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 2r^2\cos^2\theta rdrd\theta$
$=\int_0^{2\pi}\frac{2}{3}\cos^2\theta d\theta$
$=\frac{4}{3}\pi$
$\iint\limits_{\Sigma}2y^3dzdx$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 2(r\sin\theta)^3\cdot\left(\frac{\partial(z,x)}{\partial(r,\theta)}\right)drd\theta$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 2r^3\sin^3\theta rdrd\theta$
$=0$
$\iint\limits_{\Sigma}3(z^2-1)dxdy$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 3(r^2\cos^2\theta+r^2\sin^2\theta-1)r\cdot\left(\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)}\right)drd\theta$
$=\int_0^{2\pi}\int_0^1 3r^3-3r^2r\cos^2\theta-3r^2r\sin^2\theta drd\theta$
$=\int_0^{2\pi}\frac{1}{4}d\theta$
$=\frac{1}{2}\pi$
因此,曲面积分的结果为$\frac{4}{3}\pi+\frac{1}{2}\pi=\frac{5}{6}\pi$。
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