- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
例1 计算I zdxdydz,其中 是球面
x2 y2 z2 4与抛物面 x2 y2 3z
所围的立体.
x cos
解
由
y
sin
,
z z
知交线为
2 z2 4
2 3z
z 1, r 3,
把闭区域 投影到 xoy 面上,如图,
:
2
z
4 2,
3
0 3,
0 2 .
za r a , cos
x2 y2 z2 ,
4
: 0 r a , 0 , 0 2,
cos
4
I ( x2 y2 )dxdydz
2
d
4 d
a
cos r 4 sin 3dr
0
0
0
2
4 0
sin
3
1 5
(
a5 cos5
0)d
a5. 10
解 2 采用柱面坐标
1
其中1为在xy面上方的部分.
练习题
一、填空题: 1、若 由曲面z 2 3( x 2 y 2 )和 x 2 y 2 z 2 16 所
围,则三重积分 f ( x, y, z)dv 表示成直角坐标下
的三次积分是_________________;在柱面坐标下 的三次积分是_________________;在球面坐标下 的三次积分是__________________. 2、若 由 曲 面 z 2 x 2 y 2 及 z x 2 y 2 所 围,
0
0
3r
2
2
3r
d rdr
f (r cos , r sin , z)dz,
0
0
16r2
2
4
d 6 d f (r sin cos ,
0
0
0
r sin sin , r cos )r 2 sindr
2
4
0 d 5 d 0 f (r sin cos ,
6
r sin sin , r cos )r 2 sin dr ;
同理 zx 是关于x 的奇函数,
且 关于yoz 面对称, xzdv 0,
由对称性知 x2dv y2dv ,
则I ( x y z)2dxdydz
(2x2 z2 )dxdydz,
在柱面坐标下:
0 2, 0 r 1, r2 z 2 r2 ,
投影区域 Dxy :x2 y2 1,
2
1
I d dr
2r2 r(2r2 cos2 z2 )dz
0
0
r2
(90 2 89). 60
三、小结
三重积分换元法
柱面坐标 球面坐标
(1) 柱面坐标的体积元素
dxdydz rdrddz
(2) 球面坐标的体积元素
dxdydz r2 sindrdd
(3) 对称性简化运算
思考题
4、若由不等式 x2 y2 (z a)2 a2,x2 y2 z2
所确定,将 zdv 表为球面坐标下的三次积分为
_______________________;其值为__________.
二、计算下列三重积分:
1、 ( x 2 y 2 )dv,其中 是由曲面4z 2 25( x 2 y 2 ) 及平面z 5 所围成的闭区域.
将 zdv 表为柱面坐标下的三次积分_________,
其值为_______.
3、若空间区域 为二曲面x 2 y 2 az 及 z 2a x 2 y 2 所围,则其体积可表为三重积分 _______________; 或二重积分______________; 或柱面坐标下的三次积分___________________.
2
1
2、 d rdr
2r2 zdz ,7 ;
0
0
r2
12
3、 dv , (2a x 2 y 2 x 2 y 2 )dxdy,
D
a
2
a
2ar
0
d
rdr
0
r2
dz ;
a
4、
2
d
4 sin cos d
2acos r 3dr, 7 a4.
0
0
0
6
二、1、8 ;
2、4 ( A5 a5 ); 15
为常数 为常数
圆柱面; 半平面;
z 为常数
平 面.
柱面坐标与直角坐 标的关系为
x cos ,
y
sin
,
x
z z.
z
• M (x, y, z)
z
o
• P(, )
y
如图,柱面坐标系 中的体积元素为
dv d ddz,
z
d
d
dz
o
f ( x, y, z)dxdydz
y
d
x
f ( cos , sin , z)d ddz.
若为R3中关于xy面对称的有界闭区域,f ( x, y, z)为 上的连续函数,则
z 当f ( x, y, z)关于____为奇函数时, f ( x, y, z)dv 0; z
当f ( x, y, z)关于____为偶函数时,
2 f ( x, y, z)dv ___ f ( x, y, z)dv
例5 利用对称性简化计算
z ln( x2 y2 z2 1)
x2 y2 z2 1 dxdydz 其中积分区域 {( x, y, z) | x2 y2 z2 1}.
解 积分域关于三个坐标面都对称,
被积函数是 z 的奇函数,
z
ln( x2 x2
y
y2 2
z2 z2
1
1)
r • M(x, y,z)
点 P 在 x 轴上的投影为 A,
z
o
则 OA x, AP y, PM z.
x
A
xy
•
P
y
球面坐标与直角坐标的关系为
x r sin cos ,
y
r
sin
sin
,
z r cos
如图,
z
球面坐标系中的体积元素为
dv r2 sindrdd ,
f ( x, y, z)dxdydz
3、4 abc . 5
三、2 (5 5 4) . 3
四、V1
37 a3 6
37 .
V2 27 a3 27
6
五、(2 a, 2 a, 7 a 2 ).
5 5 30
六、 M (a2 h2 ) (其中M a2h为圆柱体的质量).
4
3
所围成立体的投影区域如图,
D1 : x2 y2 16,
0 2
1 :
0 4
,
2
2
z
8
D2 : x2 y2 4, 2 :
D1 D2
0 2
0 2
.
2
2
z
2
I I1 I2
( x2 y2 )dxdydz ( x2 y2 )dxdydz,
1
I1 d d
I
2
d
0
3
d
0
4 2
2 zdz
3
13 . 4
例2 计算 I ( x2 y2 )dxdydz, 其中
是曲线 y2 2z ,x 0 绕oz 轴旋转一周而成
的曲面与两平面z 2,z 8 所围的立体.
解
由
y
2
2z
绕 oz
轴旋转得,
x0
旋转面方程为 x2 y2 2z,
所围成的立体如图,
练习题答案
一、1、
2
dx
4 x2
dy
16 x2 y2
f ( x, y, z)dz
2 4 x2
3( x2 y2 )
2
dx
4 x2 dy 3( x2 y2 ) f ( x, y, z)dz ,
2 4 x2
16 x2 y2
2
2
16 r 2
d rdr
f (r cos , r sin , z)dz
D1
8
2 fdz
2
2
d
0
2
4
d
0
8
2 2
2dz
45 3
,
I2 dd
D2
2
2 fdz
2
2
d
0
2
d
0
2
r2
2dz
2
25 , 6
原式I 45 25 336 . 36
二、利用球面坐标计算三重积分
设 M(x, y, z) 为空间内一点,则点M 可用
三个有次序的数r,, 来确定,其中r 为原 点 O 与点 M 间的距离, 为有向线段 OM与 z 轴正向所夹的角, 为从正 z 轴来看自 x 轴按
dr
d r sin
r
o
d
x
r sin d rd
d
y
f (r sin cos ,r sin sin ,r cos )r 2 sin drd d .
例 3 计算 I ( x2 y2 )dxdydz,其中 是锥面
x2 y2 z2, 与平面z a (a 0) 所围的立体.
解 1 采用球面坐标
2、( x 2 y 2 )dv,其中 由不等式
0 a x 2 y 2 z 2 A, z 0所确定.
3、
x2 (
y2
z 2 )dxdydz,
a2 b2 c2
其中
(
x,
y, z)
x2 a2
y2 b2
z2 c2
1
.
三、求曲面z 5 x 2 y 2 及x 2 y 2 4z 所围成的立
4 (