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25.1 第一型曲面积分

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)
例25.1.125.1.1

设 S 为 z = sqrtx² + y² 被 x² + y² = 2ax 割下的部分,求

I = iint_(S) (x² y² + y² z² + z² x²) d S.
解11

见图 25.1,在直角坐标系中计算

c zₓ = x/z, z_(y) = y/z, sqrt1 + zₓ² + z_(y)² = √(2), I = iintₓ² + y² ≤slant 2 a x [ x² y² + (x² + y²)² ] √(2) d x d y.
图25.125.1

用极坐标变换求上述二重积分,则

r l I & = √(2) ∫_(- π / 2)^(π / 2) d θ ∫₀² a cos θ (r⁴ cos² θ sin² θ + r⁴) r d r & = √(2) ∫_(- π / 2)^(π / 2) (cos² θ sin² θ + 1) · (1/6 r⁶ |₀² a cos θ) d θ & = (√(2))/(6) (2 a)⁶ ∫_(- π / 2)^(π / 2) cos⁶ θ (cos² θ sin² θ + 1) d θ = (29)/(8) √(2) π a⁶.
解22

用参数式计算。 z = sqrtx² + y² 在球坐标系中的方程为 φ = (π)/(4),因此 S 的参数方程为

x = (1)/(√(2)) r cos θ , y = (1)/(√(2)) r sin θ , z = (1)/(√(2)) r, (r, θ) ∈ D.

又 S 的边界线

z = sqrtx² + y², x² + y² = 2 a x

的球坐标表示为

φ = (π)/(4), r² sin² φ = 2 a r sin φ cos θ .

于是

D = {(r, θ) | - (π)/(2) ≤slant θ ≤slant (π)/(2), 0 ≤slant r ≤slant 2 √(2) a cos θ }.

计算得

E = fracr²2, F = 0, G = 1,

最后得到

l I = ∫_(- π / 2)^(π / 2) d θ ∫₀² √(2) a cos θ (1/4 r⁴ cos² θ sin² θ + 1/4 r⁴) (r)/(√(2)) d r = (29)/(8) √(2) π a⁶.
例25.1.225.1.2

求上半球面 z = sqrta² - x² - y² 被 x² + y² = a x 截取部分的面积与质心坐标,其中 a > 0.

解

见图 22.11,这就是 Viviani 体的上表面。 由于

zₓ = frac- xsqrta² - x² - y², z_(y) = frac- ysqrta² - x² - y²,

故所求面积

r l S & = iintₓ² + y² ≤slant a x fracasqrta² - x² - y² d x d y & = ∫_(- π / 2)^(π / 2) d θ ∫₀^(a cos θ) fraca rsqrta² - r² d r & = (π - 2) a².

下面求质心坐标,由对称性知 y₀=0,且

x₀ & = frac1(π - 2)a²iint limits_(S)xdS & = frac2(π - 2)a²iint limits_(substackx² + y²≤slant ax y≥slant 0)fracaxsqrta² - x² - y²dxdy & = (2)/((π - 2)a)∫₀^(π /2)cos θ dθ ∫₀^(acos θ)fracrsqrta² - r² rdr (r = acos t) & = (2)/((π - 2)a)∫₀^(π /2)cos θ dθ ∫_(π /2)^(θ)fraca²cos²tasin t (-asin t)dt & = (a)/(π - 2)∫₀^(π /2)cos θ ((π)/(2) -θ -sin θ cos θ)dθ & = (2a)/(3(π - 2)); z₀ & = frac1(π - 2)a²iint limits_(S)zdS & = frac1(π - 2)a²iint limitsₓ² + y²≤slant axfracasqrta² - x² - y²sqrta² - x² - y²dxdy & = (π a)/(4(π - 2)).
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