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Calculus · real student question

计算 2x − 4yz 在区域 E 上的三重积分,其中 2 ≤ x ≤ 3,0 ≤ y ≤ 2x−4,0 ≤ z ≤ 5x+5y−3。

Question

计算

∭E(2x−4yz) dV\iiint_E (2x-4yz)\,dV

其中区域

E={(x,y,z)∣2≤x≤3,  0≤y≤2x−4,  0≤z≤5x+5y−3}E=\{(x,y,z)\mid 2\le x\le 3,\;0\le y\le 2x-4,\;0\le z\le 5x+5y-3\}

Step-by-step solution

  1. 从区域的描述里读出积分次序。 每个上限都只依赖排在它左边的变量,所以这个区域天然就是按 dz dy dxdz\,dy\,dx 排好的:

    ∫23∫02x−4∫05x+5y−3(2x−4yz) dz dy dx\int_{2}^{3}\int_{0}^{2x-4}\int_{0}^{5x+5y-3}(2x-4yz)\,dz\,dy\,dx

  2. 先对 zz 积分。 把 xx 和 yy 当作常数。一个原函数是 2xz−2yz22xz - 2yz^2,从 00 代到 5x+5y−35x+5y-3 得

    2x(5x+5y−3)−2y(5x+5y−3)22x(5x+5y-3)-2y(5x+5y-3)^2

  3. 把被积式展开。 由 (5x+5y−3)2=25x2+25y2+9+50xy−30x−30y(5x+5y-3)^2 = 25x^2+25y^2+9+50xy-30x-30y,整个式子化为

    10x2+70xy−6x−50x2y−100xy2+60y2−50y3−18y10x^2+70xy-6x-50x^2y-100xy^2+60y^2-50y^3-18y

  4. 对 yy 从 00 积到 a=2x−4a = 2x-4。 一个原函数是

    (10x2−6x)y+35xy2−25x2y2−100x3y3+20y3−252y4−9y2(10x^2-6x)y+35xy^2-25x^2y^2-\tfrac{100x}{3}y^3+20y^3-\tfrac{25}{2}y^4-9y^2

    代入 y=ay=a 后只剩下一个关于 xx 的多项式(y=0y=0 那一端贡献为零)。

  5. 收尾之前先记下一个好用的检验。 因为 a=2x−4a = 2x-4 在 x=2x=2 处为零,整个被积式在下限处也应当为零——要是你的式子不为零,那说明上面某一步的代数出错了。

  6. 把得到的 xx 的多项式从 22 积到 33。 每一项都是 xx 的幂,所以最后这步纯属例行公事。一路用精确的有理数运算算下来,得到

    ∭E(2x−4yz) dV=−268\iiint_E (2x-4yz)\,dV = -268

  7. 要点小结。 这道题真正的难处只在于「记账」:按不等式规定的次序积分,一次只代一个上限,进入下一个变量之前先把式子彻底展开。全程保持精确分数——三重积分中途一四舍五入,符号错、量级错就都跟着来了。

Answer

−268-268

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