第47题
计算 $\displaystyle\iint_\Sigma (x^2+y^2)\,\mathrm{d}S$,其中 $\Sigma$ 是:锥面 $z=\sqrt{x^2+y^2}$ 及平面 $z=1$ 所围成的区域的整个边界曲面。
答案
$\dfrac{(1+\sqrt{2})\pi}{2}$
第一类曲面积分 曲面积分的计算 锥面的面积元素

📋 解题步骤

1
分解曲面
将 $\Sigma$ 分为两部分:$\Sigma_1$ 为平面 $z=1$ 上 $x^2+y^2\leq 1$ 的部分;$\Sigma_2$ 为锥面 $z=\sqrt{x^2+y^2}$ 上 $0\leq z\leq 1$ 的部分。
2
计算 $\Sigma_1$ 上的积分
在 $\Sigma_1$ 上 $\mathrm{d}S=\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y$,投影区域 $D: x^2+y^2\leq 1$。$\iint_{\Sigma_1}(x^2+y^2)\,\mathrm{d}S=\iint_D(x^2+y^2)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\int_0^{2\pi}\mathrm{d}\theta\int_0^1 r^3\,\mathrm{d}r=\dfrac{\pi}{2}$。
3
计算 $\Sigma_2$ 上的积分
在 $\Sigma_2$ 上 $\dfrac{\partial z}{\partial x}=\dfrac{x}{\sqrt{x^2+y^2}}$,$\dfrac{\partial z}{\partial y}=\dfrac{y}{\sqrt{x^2+y^2}}$,故 $\mathrm{d}S=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\sqrt{2}\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y$。$\iint_{\Sigma_2}(x^2+y^2)\,\mathrm{d}S=\sqrt{2}\iint_D(x^2+y^2)\,\mathrm{d}x\,\mathrm{d}y=\dfrac{\sqrt{2}\pi}{2}$。
4
求和
$\displaystyle\iint_\Sigma=\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\sqrt{2}\pi}{2}=\dfrac{(1+\sqrt{2})\pi}{2}$。
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