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第40题
设 $F(t)=\iiint_{x^{2}+y^{2}+z^{2}\leq t^{2}} f(x^{2}+y^{2}+z^{2}) \, \mathrm{d}V$,其中 $f$ 是连续函数,且 $f(0)=6$,求 $\lim_{t \rightarrow 0^{+}} \frac{F(t)}{t^{3}}$。
答案
$8\pi$
洛必达法则 三重积分 球坐标系 积分上限函数求导

📋 解题步骤

1
将三重积分转换为球坐标系
▼
将三重积分 $F(t)=\iiint_{x^{2}+y^{2}+z^{2}\leq t^{2}} f(x^{2}+y^{2}+z^{2}) \, \mathrm{d}V$ 转换为球坐标系下的累次积分:$F(t)=\int_{0}^{2\pi} d\theta \cdot \int_{0}^{\pi} \sin\varphi \, d\varphi \cdot \int_{0}^{t} f(r^{2}) \cdot r^{2} \, dr$。
2
计算累次积分
▼
计算累次积分:$F(t)=2\pi \cdot 2 \cdot \int_{0}^{t} f(r^{2}) \cdot r^{2} \, dr = 4\pi \int_{0}^{t} f(r^{2}) \cdot r^{2} \, dr$。
3
应用洛必达法则
▼
计算极限 $\lim_{t \rightarrow 0^{+}} \frac{F(t)}{t^{3}} = \lim_{t \rightarrow 0^{+}} \frac{4\pi \cdot \int_{0}^{t} f(r^{2}) \cdot r^{2} \, dr}{t^{3}}$,这是 $\frac{0}{0}$ 型未定式,应用洛必达法则:$\lim_{t \rightarrow 0^{+}} \frac{4\pi \cdot f(t^{2}) \cdot t^{2}}{3t^{2}}$。
4
化简并求值
▼
化简表达式:$\lim_{t \rightarrow 0^{+}} \frac{4\pi}{3} \cdot f(t^{2}) = \frac{4}{3}\pi \cdot f(0) = \frac{4}{3}\pi \times 6 = 8\pi$。
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