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Calculus · real student question

求 x 在由圓錐 x 平方等於 y 平方加 z 平方、與拋物面 x 等於 y 平方加 z 平方所圍成的立體上的三重積分。

Question

求

∭Ex dV\iiint_E x\,dV

其中 EE 是由圓錐 x2=y2+z2x^2=y^2+z^2 與拋物面 x=y2+z2x=y^2+z^2 所圍成的立體區域。

Step-by-step solution

  1. 善用對稱性:兩個曲面對 yy 與 zz 的依賴都只透過 y2+z2y^2+z^2。 令

    r2=y2+z2r^2=y^2+z^2

    則圓錐變成 x2=r2x^2=r^2、拋物面變成 x=r2x=r^2。這個立體是繞 xx 軸的旋轉體,所以自然的座標是繞著那條軸(而不是平常的 zz 軸)包起來的圓柱座標。

  2. 設定旋轉後的圓柱座標。 取

    y=rcos⁡θ,z=rsin⁡θ,x=xy=r\cos\theta,\qquad z=r\sin\theta,\qquad x=x

    其中 r≥0r\ge 0、0≤θ≤2π0\le\theta\le 2\pi。Jacobian 與平常一樣,所以

    dV=r dx dr dθdV=r\,dx\,dr\,d\theta

    忘了那個多出來的 rr 因子,是這裡的經典錯誤。

  3. 找出兩個曲面的交會處。 所圍區域位於 x≥0x\ge 0,那裡圓錐是 x=rx=r。把兩者相等:

    r=r2⟹r(r−1)=0⟹r=0  或  r=1r=r^2\qquad\Longrightarrow\qquad r(r-1)=0\qquad\Longrightarrow\qquad r=0\ \text{ 或 }\ r=1

    所以這個立體落在 yzyz 平面上 0≤r≤10\le r\le 1 的圓盤之上,兩條曲線在原點與 x=1x=1 處交會。

  4. 判斷哪個曲面是下邊界。 對 0<r<10<r<1 有 r2<rr^2<r,所以拋物面 x=r2x=r^2 位於圓錐 x=rx=r 的左側。因此對固定的 (r,θ)(r,\theta),變數 xx 從 r2r^2 跑到 rr:

    ∭Ex dV=∫02π ⁣ ⁣∫01 ⁣ ⁣∫r2rx r dx dr dθ\iiint_E x\,dV=\int_0^{2\pi}\!\!\int_0^1\!\!\int_{r^2}^{r} x\,r\,dx\,dr\,d\theta

  5. 先對 xx 積分,再對 rr 積分。 內層積分是

    ∫r2rx r dx=r[x22]r2r=r3−r52\int_{r^2}^{r}x\,r\,dx=r\left[\frac{x^2}{2}\right]_{r^2}^{r}=\frac{r^3-r^5}{2}

    接著

    ∫01r3−r52 dr=12[r44−r66]01=12⋅112=124\int_0^1\frac{r^3-r^5}{2}\,dr=\frac{1}{2}\left[\frac{r^4}{4}-\frac{r^6}{6}\right]_0^1=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{12}=\frac{1}{24}

  6. 用角度積分收尾。 被積函數不含 θ\theta,所以最後一次積分只是乘上一整圈:

    ∫02π124 dθ=2π24=π12\int_0^{2\pi}\frac{1}{24}\,d\theta=\frac{2\pi}{24}=\frac{\pi}{12}

    ∭Ex dV=π12≈0.2618\boxed{\iiint_E x\,dV=\frac{\pi}{12}\approx 0.2618}

    在同一個區域上做數值黎曼和得到 0.261800.26180,印證了結果。因為整個立體上都有 x≥0x\ge 0,答案為正也在意料之中。

Answer

π12≈0.2618\frac{\pi}{12}\approx 0.2618

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