求下列曲面围成立体的体积 z=x^2/a^2+y^2/b^2,xy=a^2,xy=2a^2,y=b^2*x,y=2b^2*x,z=0
时间: 2023-11-13 18:32:46 浏览: 231
首先,我们可以用 xy=a^2 和 xy=2a^2 两个平面将曲面分为两部分。由于问题的对称性,我们只需要考虑其中一个部分的体积,然后将其乘以 2 即可得到整个立体的体积。
接下来,我们需要找到两个相邻的曲面 z1 和 z2,使得它们之间的体积可以用标准公式 V = ∫A(z)dz 来计算。其中 A(z) 是曲面在 z 轴高度为 z 时的投影面积。注意到这个曲面是一个旋转抛物面,因此它在任意一条垂直于 z 轴的直线上的投影都是一个椭圆。而且由于 xy=a^2 和 y=b^2*x 的限制,这些椭圆的长轴和短轴都是定值,因此我们可以直接计算出任意高度下的投影面积。
具体来说,我们可以将 xy=a^2 和 y=b^2*x 分别解出 y 和 x 的表达式,得到两个函数 y=f1(x) 和 y=f2(x)。然后我们可以用椭圆的标准公式 A(z) = πab 来计算每个高度下的投影面积,其中 a 和 b 分别是椭圆的长轴和短轴。注意到这里的 a 和 b 实际上就是 f1(z/a) 和 f2(z/a)。因此我们可以得到:
A(z) = πf1(z/a)f2(z/a)
接下来,我们需要找到 z=x^2/a^2+y^2/b^2 和 z=0 这两个曲面的交线方程。注意到这两个曲面分别是一个椭圆柱面和一个平面,它们的交线是一个椭圆。我们可以将它们代入 xy=a^2 和 y=b^2*x 两个限制条件中,得到:
x^2/a^2 + (a^4/x^2)/b^2 = 1
x^2/a^2 + (a^2/(2x))^2/b^2 = 1
解出 x 后,我们可以得到两个高度,分别是 z1 = x^2/a^2+(a^4/x^2)/b^2 和 z2 = x^2/a^2+(a^2/(2x))^2/b^2。注意到这里要求 x>0,因为我们只考虑了 xy=a^2 和 y=b^2*x 这两个限制条件的一个象限。
现在我们可以计算体积了:
V = 2∫[0,a√2] A(z) dz
= 2π∫[0,a√2] f1(z/a)f2(z/a) dz
= 2π∫[a,b] f1(x)f2(x)x/√(x^2-a^2) dx
其中最后一个积分是将 z1 和 z2 的 x 表达式合并后得到的。注意到这里的积分区间是从 a 到 b,其中 b 是交线的横坐标的最大值,即 b=√(2)a。
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