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数学趣味(关于数学的知识)

时间:2023-05-03 08:06:33 阅读:92582 作者:4381

计算线、面、体积分是微积分学科中的重要难点之一,也是理工科大学生必须掌握的核心知识点之一。 本文小乐通过一个具体的案例,提供了一个典型的求解重积分的方法过程,并在其每一步中提供了相应的原理解解释和相关的扩展知识点,供大家系统学习和复习时参考。

首先,给你原题:

使用三重积分计算曲面包围的下一个立体的体积。

求出被曲面包围的立体的体积

得到这个问题后,首先需要分析问题中用方程式表示的这两个曲面分别是什么形状。

根据最初的曲面方程式:

半球面

该方程式通过适当变形,很容易看出表示球体的上半球面(球的中心正好在直角坐标系的原点,球的半径为根编号5 )。

半球面

根据第二个曲面方程:

旋转抛物面

如果忽略y或忽略x,则可以看到抛物线方程(顶点位于原点,开口在上,即z轴为正方向)。 而且,由于x、y的对称性,这个方程式表示旋转抛物面,可以看作顶点正好在原点,开口在上(z轴为正方向)的抛物线绕z轴一圈后得到的曲面。

旋转抛物面

这两个面相交的话,很明显会得出联立方程式。

联立方程式,求解

适当变形方程求解

求解一下,z=1。 也就是说,这两个曲面在z=1的高度相交,相交的形状为圆。

曲面在z=1处相交

那么,把这两个曲面包围的立体沿着z=1,分成两部分得到上下两部分,可以分成块计算体积。

被包围的立体分为两部分

计算三重积分

在上述步骤2中,将ttdmb直角坐标系中的积分转换为圆柱坐标系的积分。 请注意,被积函数必须乘以雅可比行列式(r )。 也就是说,下表中的第三个。

变量的雅可比行列式

然后在第三步,我们马上将重积分变为累积分。 (请注意确定各变量的上下限。

当然,如果这个问题不局限于使用圆柱坐标系计算体积,我们实际上可以使用对面积微小要素进行积分(z是从0到1,然后是从1到根号5 )来求体积的思想。 也就是说,通过累积一层薄片的面积来求出体积。 具体地说,可以将立体切成圆形薄片(与z轴垂直),按照薄片的面积使用圆面积的公式S=r。 这里,r是根据z而变化的与z相关的函数

面积元片

然后对面积元进行一维积分,这与上述步骤4中得到的公式完全一致,但是计算速度很快,理解也并不复杂。 是验证原答案正确与否的方法。 谢谢您的阅读。

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