曲面积分高斯公式问题这6道题中有哪两题是高斯补面类型题目,就2题是,请大神指教是哪两题,不用做了,请大神告诉我哪两题是用

2个回答

  • 只有第四第五题要补面,第六题可挖去奇点后用高斯公式.

    曲面积分的符号上有圈圈的是封闭区域,可以直接用高斯公式,不是封闭的就要补面.

    1.不用补面

    ∫∫Σ x²dydz + y²dzdx + z²dxdy

    = ∫∫∫Ω (2x + 2y + 2z) dV

    = ∫(0→a) dx ∫(0→a) dy ∫(0→a) 2(x + y + z) dz

    = 3a⁴

    2.不用补面

    ∫∫Σ xdydz + ydzdx + zdxdy

    = 3∫∫∫Ω dV

    = 3 * π * 9 * 3

    = 81π

    3.不用补面

    ∫∫Σ xzdydz + x²ydzdx + y²zdxdy

    = ∫∫∫Ω (z + x² + y²) dV

    = ∫(0→π/2) dθ ∫(0→1) r dr ∫(0→r²) (z + r²) dz

    = π/8

    4.补面Σ1:z = 0取下侧

    ∫∫(Σ+Σ1) (x³ + az²)dydz + (y³ + ax²)dzdx + (z³ + ay²)dxdy

    = ∫∫∫Ω (3x² + 3y² + 3z²) dV

    = 3∫(0→2π) dθ ∫(0→π/2) sinφ dφ ∫(0→a) r⁴ dr

    = 3 * 2π * 1 * a⁵/5

    = (6/5)πa⁵

    ∫∫Σ1 (x³ + az²)dydz + (y³ + ax²)dzdx + (z³ + ay²)dxdy

    = a∫∫Σ1 y² dxdy

    = (- a/2)∫∫D (x² + y²) dxdy

    = (- a/2)∫(0→2π) dθ ∫(0→a) r³ dr

    = (- a/2)(2π)(a⁴/4)

    = - πa⁵/4

    ∴I = (6/5)πa⁵ + πa⁵/4 = (29/20)πa⁵

    5.法向量与z轴正向夹角为锐角 ==> 曲面内测

    补面Σ1:z = 1取下测

    ∫∫(Σ+Σ1) (2x + z)dydz + zdxdy

    = - ∫∫∫Ω (2 + 1) dV

    = - 3∫(0→2π) dθ ∫(0→1) r dr ∫(r²→1) dz

    = - 3 * 2π * ∫(0→1) (r - r³) dr

    = - 6π * (r²/2 - r⁴/4):(0→1)

    = - 6π * (1/2 - 1/4)

    = (- 3/2)π

    ∫∫Σ1 (2x + z)dydz + zdxdy

    = ∫∫Σ1 dxdy

    = - ∫∫D dxdy

    = - π

    ∴I = - 3π/2 + π = - π/2

    或者直接用曲面积分的方法:

    ∫∫Σ (2x + z)dydz + zdxdy

    = ∫∫D [- P * ∂z/∂x - Q * ∂z/∂y + R] dxdy

    = ∫∫D [- (2x + x² + y²)(2x) + x² + y²] dxdy

    = ∫∫D (- 4x² - 2x³ - 2xy² + x² + y²) dxdy

    = ∫∫D (- 3x² + y²) dxdy

    = - ∫∫D (x² + y²) dxdy

    = - ∫(0→2π) dθ ∫(0→1) r³ dr

    = (- 2π)(1/4) = - π/2

    6.不用补面,但是要避开奇点(0,0,0)

    设Σ1:x² + y² + z² = r²,半径r趋向0,取内测

    ∫∫(Σ+Σ1) (xdydz + ydzdx + zdxdy)/(x² + y² + z²)^(3/2) = 0

    ∫∫Σ1 (xdydz + ydzdx + zdxdy)/(x² + y² + z²)^(3/2)

    = 1/(r²)^(3/2) * ∫∫Σ1(内测) xdydz + ydzdx + zdxdy

    = (1/r³)[∫∫Σ1 x dydz + ∫∫Σ1 y dzdx + ∫∫Σ1 z dxdy]

    ∫∫Σ1 x dydz

    = ∫∫[x = - √(r² - y² - z²)前侧] x dydz + ∫∫[x = √(r² - y² - z²)后侧] x dydz

    = ∫∫D - √(r² - y² - z²) dydz - ∫∫ √(r² - y² - z²) dydz

    = - 2∫(0→2π) dθ ∫(0→r) √(r² - ρ²)ρ dρ

    = - 4π * (- 1/2) * (2/3)(r² - ρ²)^(3/2):(0→r)

    = - 4π * (- 1/3)(- r³)

    = - 4π/3 * r³

    三个加起就是- 4πr³

    于是I = ∫∫(Σ+Σ1) - ∫∫Σ1 = 0 - (1/r³)(- 4πr³) = 4π

    PS:三组偏导数都相等,曲面积分的结果与曲面无关,因此过程中没用过曲面的方程Σ

    而选用了小圆的方程Σ1