方企勤 第六章 多元函数积分学 第3题

教材习题

📝 题目

例 3 (1)求积分

$$ I = {\iint }_{{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} = {R}^{2}}\frac{\mathrm{d}S}{\sqrt{{x}^{2} + {y}^{2} + {\left( z - h\right) }^{2}}}\;\left( {h \neq R}\right) ; $$

(2)求球面的单层位势

$$ u\left( {a,b,c}\right) = {\iint }_{{x}^{2} + {y}^{2} + {z}^{2} = {R}^{2}}\frac{\mathrm{d}S}{\sqrt{{\left( x - a\right) }^{2} + {\left( y - b\right) }^{2} + {\left( z - c\right) }^{2}}} $$

$$ \left( {{a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} \neq {R}^{2}}\right) \text{ . } $$

💡 答案解析

解 (1) 令 $x = R\cos \theta \sin \varphi ,y = R\sin \theta \sin \varphi ,z = R\cos \varphi (0 \leq \theta \leq {2\pi }$ , $0 \leq \varphi \leq \pi )$ .

$$ \left\lbrack \begin{matrix} {x}_{\varphi }^{\prime } & {y}_{\varphi }^{\prime } & {z}_{\varphi }^{\prime } \\ {x}_{\theta }^{\prime } & {y}_{\theta }^{\prime } & {z}_{\theta }^{\prime } \end{matrix}\right\rbrack = \left\lbrack \begin{matrix} R\cos \theta \cos \varphi & R\sin \theta \cos \varphi & - R\sin \varphi \\ - R\sin \theta \sin \varphi & R\cos \theta \sin \varphi & 0 \end{matrix}\right\rbrack , $$

$$ A = {R}^{2}\cos \theta {\sin }^{2}\varphi ,\;B = {R}^{2}\sin \theta {\sin }^{2}\varphi ,\;C = {R}^{2}\sin \varphi \cos \varphi , $$

$$ \mathrm{d}S = \sqrt{{A}^{2} + {B}^{2} + {C}^{2}}\mathrm{\;d}\theta \mathrm{d}\varphi = {R}^{2}\sin \varphi \mathrm{d}\theta \mathrm{d}\varphi , $$

所以

$$ I = {\int }_{0}^{2\pi }\mathrm{d}\theta {\int }_{0}^{\pi }\frac{{R}^{2}\sin \varphi \mathrm{d}\varphi }{\sqrt{{R}^{2} - {2Rh}\cos \varphi + {h}^{2}}} $$

$$ = \frac{\pi }{h}{\int }_{0}^{\pi }\frac{R\mathrm{\;d}\left( {{R}^{2} - {2Rh}\cos \varphi + {h}^{2}}\right) }{\sqrt{{R}^{2} - {2Rh}\cos \varphi + {h}^{2}}} $$

$$ = {\left. \frac{2\pi R}{h}\sqrt{{R}^{2} - {2Rh}\cos \varphi + {h}^{2}}\right| }_{0}^{\pi } $$

$$ = \frac{2\pi R}{h}\left\lbrack {\left( {R + h}\right) - \left| {R - h}\right| }\right\rbrack $$

$$ = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{{4\pi }{R}^{2}}{h}, & h > R, \\ {4\pi R}, & 0 < h < R. \end{array}\right. $$

(2)作坐标系的正交变换,使新坐标 ${O\xi \eta \zeta }$ 的 $\zeta$ 轴通过(a, b, c) 点. 则由 (1) 知

$$ u\left( {a,b,c}\right) = {\iint }_{{\xi }^{2} + {\eta }^{2} + {\zeta }^{2} = {R}^{2}}\frac{\mathrm{d}S}{\sqrt{{\xi }^{2} + {\eta }^{2} + {\left( \zeta - h\right) }^{2}}}\left( {{h}^{2} = {a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2}}\right) $$

$$ = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{{4\pi }{R}^{2}}{\sqrt{{a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2}}}, & {a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} > {R}^{2}, \\ {4\pi R}, & 0 < {a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} < {R}^{2}. \end{array}\right. $$

评注 球面的单层位势相当于把球面质量(或电量)集中于原点时的位势一样, 在球面内部各点位势为常数.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将积分转化为球坐标下的累次积分
令 x = R cosθ sinφ, y = R sinθ sinφ, z = R cosφ, 其中 0≤θ≤2π, 0≤φ≤π。计算曲面积分微元 dS = R² sinφ dθ dφ。代入被积函数,分母为 √(R² - 2Rh cosφ + h²)。
公式:dS = R² sinφ dθ dφ
提示:注意球坐标变换的雅可比行列式
步骤 2/4
目标:计算积分 I
I = ∫₀²π dθ ∫₀^π (R² sinφ dφ) / √(R² - 2Rh cosφ + h²) = 2π R² ∫₀^π sinφ / √(R² - 2Rh cosφ + h²) dφ。令 t = R² - 2Rh cosφ + h²,则 dt = 2Rh sinφ dφ,积分化为 (πR/h) ∫ dt/√t。
公式:I = (πR/h) ∫ dt/√t
提示:注意积分限变换:φ从0到π对应t从(R-h)²到(R+h)²
步骤 3/4
目标:计算定积分并讨论h与R的关系
I = (2πR/h) [√(R² - 2Rh cosφ + h²)]|₀^π = (2πR/h)[(R+h) - |R-h|]。当h>R时,|R-h|=h-R,得I=4πR²/h;当0
公式:I = (2πR/h)[(R+h) - |R-h|]
提示:注意绝对值处理
步骤 4/4
目标:利用正交变换求解单层位势
作正交变换使新坐标系的ζ轴通过点(a,b,c),则h = √(a²+b²+c²)。由(1)的结果直接得到u(a,b,c)的表达式,分两种情况:当a²+b²+c² > R²时,u=4πR²/√(a²+b²+c²);当0
公式:u = 4πR²/h 或 4πR
提示:正交变换不改变球面和距离,因此积分形式不变

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