下册 8.2 三重积分 第6题

数学分析早年真题

📝 题目

6.计算下列三重积分. (1) $\iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z$ ,其中 $V$ 是由 $x^{2}+y^{2}=z$ 与平面 $z=4$ 所围成的区域. (2) $\iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right) \mathrm{d} V$ ,其中 $V$ 由 $\displaystyle z=\frac{1}{2}\left(x^{2}+y^{2}\right)$ 与 $z=4$ 围成。 (3) $\iiint_{V} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \mathrm{~d} V$ ,其中 $V: \sqrt{x^{2}+y^{2}} \leqslant z \leqslant 1$ . (4) $\iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}+2 z\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z$ ,其中 $V$ 由 $\sqrt{x^{2}+y^{2}} \leqslant z \leqslant 1$ 表示。 (5) $\iiint_{V}\left[(z-y)^{2}+(y-x)^{2}+(x-z)^{2}\right] \mathrm{d} V$ ,其中 $V$ 由 $\sqrt{x^{2}+y^{2}} \leqslant z \leqslant 1$ 表示.

💡 答案解析

\section*{解题过程:} (1)如图8.139所示,作柱面坐标变换 $x=r \cos \theta, y=r \sin \theta, z=z$ ,则 $V$ 可表示为 $0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi, 0 \leqslant r \leqslant 2, r^{2} \leqslant z \leqslant 4$ 。于是 $$ \iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z=\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{2} r^{3} \mathrm{~d} r \int_{r^{2}}^{4} \mathrm{~d} z=\frac{32 \pi}{3} . $$ (2)如图8.139所示,作柱面坐标变换 $x=r \cos \theta, y=r \sin \theta, z=z$ ,则 $V$ 可表示为 $\displaystyle 0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi, 0 \leqslant r \leqslant 2 \sqrt{2}, \frac{r^{2}}{2} \leqslant z \leqslant 4$ .于是 \begin{figure} \includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-197.jpg?height=1182&width=982&top_left_y=5373&top_left_x=4641} \captionsetup{labelformat=empty} \caption{图8.139} \end{figure} $\displaystyle \iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right) \mathrm{d} V=\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{2 \sqrt{2}} r \mathrm{~d} r \int_{\frac{r^{2}}{2}}^{4}\left(r^{2}+z^{2}\right) \mathrm{d} z=2 \pi\left(\frac{320}{3}-\frac{128 \sqrt{2}}{21}\right)$. (3)方法1: $\displaystyle \iint_{V} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \mathrm{~d} V=\int_{0}^{1} \mathrm{~d} z \iint_{x^{2}+y^{2}<1} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\int_{0}^{1} \mathrm{~d} z \int_{0}^{1} r 2 \pi r=\frac{\pi}{6}$ . 方法 2:如图 8.140,在柱面坐标下,积分区域 $V$ 可表示为 $0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi, 0 \leqslant r \leqslant 1, r \leqslant z \leqslant 1$ .于是 $$ \iiint_{V} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z=\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} r \cdot r \mathrm{~d} r \int_{r}^{1} \mathrm{~d} z=2 \pi \int_{0}^{1}\left(r^{2}-r^{3}\right) \mathrm{d} r=\frac{\pi}{6} . $$ (4)如图8.140所示,在柱面坐标下,积分区域 $V$ 可表示为 $$ 0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi, 0 \leqslant r \leqslant 1, r \leqslant z \leqslant 1 . $$ 于是 $$ \begin{gathered} \iiint_{V}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z=\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} r^{2} \cdot r \mathrm{~d} r \int_{r}^{1} \mathrm{~d} z=2 \pi \int_{0}^{1}\left(r^{3}-r^{4}\right) \mathrm{d} r=\frac{\pi}{10} \\ \iiint_{V} z \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y \mathrm{~d} z=\int_{0}^{1} z \mathrm{~d} z \iint_{x^{2}+y^{2}

📋 详细解题步骤

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