第39题
计算三重积分 $I = \iiint_{\Omega} (ax + by + cz^2) \, dV$,其中 $\Omega = \{(x,y,z) \mid x^2 + y^2 + z^2 \leq R^2\}$,$a,b,c$ 为常数。
答案
$\frac{4}{15}c\pi R^5$
📋 解题步骤
1
利用对称性消去奇函数项
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$\Omega$ 为球体,关于 $yOz$ 面对称。$ax$ 关于 $x$ 为奇函数($f(-x,y,z) = -ax = -f(x,y,z)$),故 $\iiint_{\Omega} ax \, dV = 0$。同理,$by$ 关于 $zOx$ 面对称且关于 $y$ 为奇函数,故 $\iiint_{\Omega} by \, dV = 0$。因此 $I = c \cdot \iiint_{\Omega} z^2 \, dV$。
2
利用轮换对称性转换
▼
球体 $x^2+y^2+z^2 \leq R^2$ 具有轮换对称性,故 $\iiint_{\Omega} x^2 \, dV = \iiint_{\Omega} y^2 \, dV = \iiint_{\Omega} z^2 \, dV = \frac{1}{3} \iiint_{\Omega} (x^2+y^2+z^2) \, dV$。于是 $I = c \cdot \frac{1}{3} \iiint_{\Omega} (x^2+y^2+z^2) \, dV$。
3
转换为球坐标计算
▼
采用球坐标系:$x = r\sin\varphi\cos\theta$, $y = r\sin\varphi\sin\theta$, $z = r\cos\varphi$,$x^2+y^2+z^2 = r^2$,$dV = r^2\sin\varphi \, dr d\varphi d\theta$。积分区域:$0 \leq \theta \leq 2\pi$, $0 \leq \varphi \leq \pi$, $0 \leq r \leq R$。
4
计算积分
▼
$I = \frac{c}{3} \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\pi} \sin\varphi \, d\varphi \int_0^R r^2 \cdot r^2 \, dr = \frac{c}{3} \cdot 2\pi \cdot 2 \cdot \int_0^R r^4 \, dr = \frac{4\pi c}{3} \cdot \frac{R^5}{5} = \frac{4}{15}c\pi R^5$。
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