下册 9.1 第一型曲线积分与第一型曲面积分 第8题
📝 题目
8.计算下列第一型曲面积分.
(1) $\iint_{S}(x+y+z) \mathrm{d} S$ ,其中 $S$ 是球面 $x^{2}+y^{2}+z^{2}=a^{2}, z \geqslant 0$ 。
(2) $\iint_{S}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right) \mathrm{d} S$ ,其中 $S$ 为球面 $x^{2}+y^{2}+z^{2}=2 a x$ .
(3) $\iint_{S} x \mathrm{~d} S$ ,其中 $S$ 为圆锥面 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ 被圆柱 $x^{2}+y^{2}=a x(a>0)$ 截下的部分.
(4) $\iint_{S} z \mathrm{~d} S$ ,其中 $S$ 为锥面 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ 在柱体 $x^{2}+y^{2} \leqslant 2 x$ 的内部.
(5) $\iint_{S} z \mathrm{~d} S$ 或 $\iint_{S}(x+z) \mathrm{d} S$ ,其中 $S$ 为 $x^{2}+z^{2}=2 a z(a>0)$ 被曲面 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ 所截取的有限部分.
(6) $\iint_{S} z \mathrm{~d} S$ ,其中 $S$ 为锥面 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ 在柱体 $x^{2}+y^{2} \leqslant 4$ 的内部.
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
(1)如图 9.10 所示,$\displaystyle z=\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}, \sqrt{1+z_{x}{ }^{2}+z_{y}{ }^{2}}=\frac{a}{\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}}$ 。从而
$$
\begin{aligned}
\iint_{S}(x+y+z) \mathrm{d} S & =\int_{-a}^{a} \mathrm{~d} x \int_{-\sqrt{a^{2}-x^{2}}}^{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \frac{a}{\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}}\left(x+y+\sqrt{a^{2}-x^{2}-y^{2}}\right) \mathrm{d} y \\
& =\int_{-a}^{a}\left(\pi a x+2 a \sqrt{a^{2}-x^{2}}\right) \mathrm{d} x=\pi a^{3} .
\end{aligned}
$$
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-235.jpg?height=906&width=1037&top_left_y=6464&top_left_x=1243}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 9.10}
\end{figure}
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-235.jpg?height=885&width=1037&top_left_y=6485&top_left_x=3626}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图9.11}
\end{figure}
(2)曲面 $S$ 由两部分 $S_{1}, S_{2}$ 组成,其中 $S_{1}: x=a+\sqrt{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}, S_{2}: x=a-\sqrt{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}$ .它们在 $z O y$ 平面上的投影区域都是 $D_{z y}: z^{2}+y^{2} \leqslant a^{2}$ .
$$
1+x_{y}^{2}+x_{z}^{2}=1+\frac{y^{2}}{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}+\frac{z^{2}}{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}=\frac{a^{2}}{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)} .
$$
于是 $\iint_{S}\left(x^{2}+y^{2}+z^{2}\right) \mathrm{d} S$
$$
\begin{aligned}
& =\iint_{S} 2 a x \mathrm{~d} S=2 a \iint_{S_{1}} x \mathrm{~d} S+2 a \iint_{S_{2}} x \mathrm{~d} S \\
& =2 a \iint_{D_{n z}}\left(a+\sqrt{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}\right) \sqrt{\frac{a^{2}}{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}} \mathrm{d} y \mathrm{~d} z+2 a \iint_{D_{n z}}\left(a-\sqrt{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}\right) \sqrt{\frac{a^{2}}{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}} \mathrm{d} y \mathrm{~d} z \\
& =4 a^{3} \iint_{D_{n z}} \frac{1}{\sqrt{a^{2}-\left(y^{2}+z^{2}\right)}} \mathrm{d} y \mathrm{~d} z=4 a^{3} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{a} \frac{r}{\sqrt{a^{2}-r^{2}}} \mathrm{~d} r=-\left.8 \pi a^{3} \sqrt{a^{2}-r^{2}}\right|_{0} ^{a}=8 \pi a^{4} .
\end{aligned}
$$
(3)如图 9.12 所示,所截得的曲面 $S$ 为 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ ,
$$
\begin{gathered}
D=\left\{(x, y): x^{2}+y^{2} \leqslant a x\right\}=\left\{(x, y):\left(x-\frac{a}{2}\right)^{2}+y^{2} \leqslant\left(\frac{a}{2}\right)^{2}\right\} \\
\mathrm{d} S=\sqrt{1+z_{x}^{2}+z_{y}^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y
\end{gathered}
$$
于是
$$
\iint_{S} x \mathrm{~d} S=\iint_{D} x \sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y
$$
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-236.jpg?height=1092&width=1141&top_left_y=2935&top_left_x=4323}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 9.12}
\end{figure}
作极坐标变换 $\displaystyle x=\frac{a}{2}+r \cos \theta, y=r \sin \theta$ ,则 $\displaystyle 0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi, 0 \leqslant r \leqslant \frac{1}{2} a, \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=r \mathrm{~d} r \mathrm{~d} \theta$ 。于是
$$
\iint_{S} x \mathrm{~d} S=\iint_{D} x \sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\sqrt{2} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{\frac{1}{2} a}\left(\frac{a}{2}+r \cos \theta\right) \cdot r \mathrm{~d} r=\frac{\sqrt{2}}{2} 2 \pi \cdot a \cdot \frac{1}{2} \cdot\left(\frac{1}{2} a\right)^{2}=\frac{\sqrt{2}}{8} \pi a^{3}
$$
(4)如图 9.12 所示,曲面 $S$ 的方程为 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}} . S$ 在 $x O y$ 平面上的投影区域为 $D$ : $x^{2}+y^{2} \leqslant 2 x . \mathrm{d} S=\sqrt{1+z_{x}^{2}+z_{y}^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y$ 。于是
$$
\iint_{S} z \mathrm{~d} s=\iint_{D} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\sqrt{2} \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{2 \cos \theta} r^{2} \mathrm{~d} r=\frac{16}{3} \sqrt{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos ^{3} \theta \mathrm{~d} \theta=\frac{32}{9} \sqrt{2}
$$
(5)如图 9.13 所示,曲面 $S$ 关于 $y O z, z O x$ 两坐标平面对称.由对称性
$$
\iint_{S} x \mathrm{~d} S=\iint_{D} x \frac{a}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=0
$$
在对称点上被积函数 $f(x, y, z)=z$ 大小相等,符号相同.因此积分 $\iint_{S} z \mathrm{~d} S$ 等于 $S$ 在第一卦限内的部分 $S_{1}$ 上积分的 4 倍。
由 $x^{2}+z^{2}=2 a z, z=\sqrt{x^{2}+y^{2}}$ ,消去 $z$ ,可知 $S_{1}$ 在 $x O y$ 平面上的投影区域为第一象限内 $x, y$ 轴与曲线 $2 x^{2}+y^{2}=2 a \sqrt{x^{2}+y^{2}}$
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-236.jpg?height=1134&width=1652&top_left_y=6340&top_left_x=3867}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图 9.13}
\end{figure}所围的区域 $D$ .所截得的曲面 $S$ 为 $z=a+\sqrt{a^{2}-x^{2}}$ .
$$
\mathrm{d} S=\sqrt{1+z_{x}^{2}+z_{y}^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\frac{a}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y
$$
于是
$$
\begin{aligned}
& \iint_{S}(x+z) \mathrm{d} S=\iint_{S_{1}} z \mathrm{~d} S \\
& \iint_{S_{1}} z \mathrm{~d} S=\iint_{D}\left(a+\sqrt{a^{2}-x^{2}}\right) \frac{a}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=a^{2} \iint_{D} \frac{1}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y+a \iint_{D} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y
\end{aligned}
$$
作极坐标变换 $x=\operatorname{arcos} \theta, y=\operatorname{ar} \sin \theta$ ,则 $\displaystyle 0 \leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{2}, 0 \leqslant r \leqslant \frac{2}{1+\cos ^{2} \theta}, J=a^{2} r$ .
$$
\begin{gathered}
\iint_{D} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=a^{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{\frac{2}{1+\cos ^{2} \theta}} r \mathrm{~d} r=\frac{1}{2} \cdot 4 a^{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\left(1+\cos ^{2} \theta\right)^{2}} \mathrm{~d} \theta=2 a^{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\left(1+\cos ^{2} \theta\right)^{2}} \mathrm{~d} \theta \\
\iint_{D} \frac{1}{\sqrt{a^{2}-x^{2}}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=a \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{\frac{2}{1+\cos ^{2} \theta}} \frac{1}{\sqrt{1-r^{2} \cos ^{2} \theta} r \mathrm{~d} r=\left.a \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\left(-\frac{1}{\cos ^{2} \theta} \sqrt{1-r^{2} \cos ^{2} \theta}\right)\right|_{0} ^{\frac{2}{1+\cos ^{2} \theta}} \mathrm{~d} \theta} \\
=a \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\cos ^{2} \theta}\left(1-\frac{1-\cos ^{2} \theta}{1+\cos ^{2} \theta}\right) \mathrm{d} \theta=2 a \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{1+\cos ^{2} \theta} \mathrm{~d} \theta
\end{gathered}
$$
令 $t=\tan \theta$ ,则
$$
\begin{aligned}
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{1+\cos ^{2} \theta} \mathrm{~d} \theta & =\int_{0}^{+\infty} \frac{1}{2+t^{2}} \mathrm{~d} t=\left.\frac{1}{\sqrt{2}} \arctan \left(\frac{t}{\sqrt{2}}\right)\right|_{0} ^{+\infty}=\frac{\pi}{2 \sqrt{2}} \\
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\left(1+\cos ^{2} \theta\right)^{2}} \mathrm{~d} \theta & =\int_{0}^{+\infty} \frac{1+t^{2}}{\left(2+t^{2}\right)^{2}} \mathrm{~d} t=\int_{0}^{+\infty}\left[\frac{1}{2+t^{2}}-\frac{1}{\left(2+t^{2}\right)^{2}}\right] \mathrm{d} t \\
& =\frac{\pi}{2 \sqrt{2}}-\left.\frac{1}{4 \sqrt{2}}\left(\arctan \frac{t}{\sqrt{2}}+\frac{\sqrt{2} t}{2+t^{2}}\right)\right|_{0} ^{+\infty}=\frac{\pi}{2 \sqrt{2}}-\frac{1}{4 \sqrt{2}} \frac{\pi}{2}=\frac{3 \pi}{8 \sqrt{2}}
\end{aligned}
$$
于是
$$
\iint_{S_{1}} z \mathrm{~d} S=a^{2} \cdot 2 a \cdot \frac{\pi}{2 \sqrt{2}}+a \cdot 2 a^{2} \frac{3 \pi}{8 \sqrt{2}}=2 a^{3} \frac{7 \pi}{8 \sqrt{2}}
$$
从而
$$
\iint_{S}(x+z) \mathrm{d} S=4 \iint_{S_{1}} z \mathrm{~d} S=8 a^{3} \frac{7 \pi}{8 \sqrt{2}}=\frac{7 \sqrt{2}}{2} \pi a^{3} .
$$
(6)如图 9.14 所示,曲面 $S$ 的方程为 $z=\sqrt{x^{2}+y^{2}} . S$ 在 $x O y$ 平面上的投影区域为 $D: x^{2}+y^{2} \leqslant 4$ .
$$
\mathrm{d} S=\sqrt{1+z_{x}^{2}+z_{y}^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\sqrt{2} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y
$$
于是
$$
\iint_{S} z \mathrm{~d} S=\iint_{D} \sqrt{x^{2}+y^{2}} \sqrt{2} \mathrm{~d} \sigma=\sqrt{2} \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{2} r^{2} \mathrm{~d} r=\frac{16 \sqrt{2}}{3} \pi
$$
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-237.jpg?height=1306&width=1100&top_left_y=5926&top_left_x=4323}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图9.14}
\end{figure}
📋 详细解题步骤
步骤 1/5
目标:确定曲面方程和投影区域
曲面 $S$ 是球面 $x^2+y^2+z^2=a^2$ 的上半球面,即 $z=\sqrt{a^2-x^2-y^2}$,其中 $z\ge 0$。投影区域 $D$ 为 $xOy$ 平面上的圆盘 $x^2+y^2\le a^2$。
提示:注意 $z\ge 0$ 只取上半球面,投影区域是整个圆盘。
步骤 2/5
目标:计算面积元 dS
计算 $z_x=-\frac{x}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}$,$z_y=-\frac{y}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}$,则 $\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}=\sqrt{1+\frac{x^2+y^2}{a^2-x^2-y^2}}=\frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}$。因此 $\mathrm{d}S=\frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\mathrm{d}x\mathrm{d}y$。
公式:$\mathrm{d}S=\sqrt{1+z_x^2+z_y^2}\mathrm{d}x\mathrm{d}y$
提示:计算偏导时注意符号,但平方后符号消失。
步骤 3/5
目标:将曲面积分化为二重积分
被积函数 $x+y+z=x+y+\sqrt{a^2-x^2-y^2}$,代入得:
$$\iint_S (x+y+z)\mathrm{d}S = \iint_D \frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\left(x+y+\sqrt{a^2-x^2-y^2}\right)\mathrm{d}x\mathrm{d}y$$
提示:注意被积函数中的 $z$ 要替换为 $\sqrt{a^2-x^2-y^2}$。
步骤 4/5
目标:利用对称性简化积分
由于区域 $D$ 关于 $x$ 轴和 $y$ 轴对称,且 $x$ 和 $y$ 是奇函数,所以含 $x$ 和 $y$ 的项积分为零。因此:
$$\iint_D \frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}(x+y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y=0$$
剩下部分:
$$\iint_D a\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = a \cdot \text{Area}(D)=a\cdot \pi a^2 = \pi a^3$$
公式:奇函数在对称区域积分为零
提示:注意 $\frac{a}{\sqrt{a^2-x^2-y^2}}\cdot\sqrt{a^2-x^2-y^2}=a$,简化后直接得到圆盘面积。
步骤 5/5
目标:得出最终结果
因此,原曲面积分 $\iint_S (x+y+z)\mathrm{d}S = \pi a^3$。
提示:结果与 $a$ 有关,注意单位。
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