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Calculus · real student question

求 yz 在区域 0 ≤ x ≤ 2π,0 ≤ y ≤ 2,0 ≤ z ≤ x² 上的三重积分。

Question

求

∫02π ⁣ ⁣∫02 ⁣ ⁣∫0x2yz dz dy dx\int_0^{2\pi} \!\! \int_0^{2} \!\! \int_0^{x^2} yz\,dz\,dy\,dx

Step-by-step solution

  1. 先看清里层积分限是由哪个变量控制的。 zz 的范围是从 00 到 x2x^2——它依赖的是 xx,也就是最外层那个变量,而不是 yy。这是允许的,同时也意味着里层积分算完之后,对 yy 的积分可以完全独立于 zz 来做。

  2. 把 y 当常数,先对 z 积分。

    ∫0x2yz dz=y[z22]0x2=y⋅(x2)22=x4y2\int_0^{x^2} yz\,dz = y\left[\frac{z^2}{2}\right]_0^{x^2} = y \cdot \frac{(x^2)^2}{2} = \frac{x^4 y}{2}

    上限平方之后得到的是 x4x^4,不是 x2x^2——最终 π\pi 的次数就是在这一步定下来的。

  3. 对 y 从 0 积到 2。 此时 x4/2x^4/2 是常数:

    ∫02x4y2 dy=x42[y22]02=x42⋅2=x4\int_0^2 \frac{x^4 y}{2}\,dy = \frac{x^4}{2}\left[\frac{y^2}{2}\right]_0^{2} = \frac{x^4}{2}\cdot 2 = x^4

  4. 对 x 从 0 积到 2π。

    ∫02πx4 dx=[x55]02π=(2π)55\int_0^{2\pi} x^4\,dx = \left[\frac{x^5}{5}\right]_0^{2\pi} = \frac{(2\pi)^5}{5}

  5. 把幂次化开。 由于 (2π)5=25π5=32π5(2\pi)^5 = 2^5\pi^5 = 32\pi^5:

    ∭yz dV=32π55≈1958.53\iiint yz\,dV = \frac{32\pi^5}{5} \approx 1958.53

    25=322^5 = 32 这一项必须乘开——写成 2π5/52\pi^5/5 就会差 3232 倍。另外要注意,这里的 π\pi 并不扮演任何三角函数的角色,它只是上限 2π≈6.28322\pi \approx 6.2832 这个数值而已。

Answer

32π55≈1958.53\frac{32\pi^5}{5} \approx 1958.53

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