方企勤 第六章 多元函数积分学 第4题

教材习题

📝 题目

例 4 (1) 计算重积分

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

(2)写出球的单层位势

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

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

💡 答案解析

解 (1) 令 $x = r\cos \theta ,y = r\sin \theta ,z = z$ ,则

$$ I = {\int }_{0}^{2\pi }\mathrm{d}\theta {\int }_{-R}^{R}\mathrm{\;d}z{\int }_{0}^{\sqrt{{R}^{2} - {z}^{2}}}\frac{r\mathrm{\;d}r}{\sqrt{{r}^{2} + {\left( z - h\right) }^{2}}} $$

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

$$ = {2\pi }{\int }_{-R}^{R}\left\lbrack {\sqrt{{R}^{2} + {h}^{2} - {2hz}} - \left( {h - z}\right) }\right\rbrack \mathrm{d}z $$

$$ = {\left. 2\pi \left\lbrack -\frac{1}{3h}{\left( {R}^{2} + {h}^{2} - 2hz\right) }^{3/2} + \frac{{\left( h - z\right) }^{2}}{2}\right\rbrack \right| }_{-R}^{R} $$

$$ = \frac{{4\pi }{R}^{3}}{3h}\text{ . } $$

(2)取坐标系 ${O\xi \eta \zeta }$ ,使 $\zeta$ 轴过(a, b, c)点,且使坐标系 ${O\xi \eta \zeta }$ 到坐标系 ${Oxyz}$ 之间的变换为正交变换,变换的行列式为 1 . 显然该变换把半径为 $R$ 的球仍变为半径为 $R$ 的球. 令 ${a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2} = {h}^{2}$ ,则由 (1) 知

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

$$ = \frac{{4\pi }{R}^{3}}{3 \cdot \sqrt{{a}^{2} + {b}^{2} + {c}^{2}}}. $$

评注 球的单层位势相当于把球的质量集中于球心时产生的位势. 从物理意义看,设在球体均匀分布密度为 $\rho$ 的电荷,然后有一单位正电荷从点(a, b, c)移至无穷,带电球体对它所作的功等于把电荷集中于球心时对它所作的功一样.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:将三重积分化为柱坐标下的累次积分
令 x = r cosθ, y = r sinθ, z = z,则积分区域为 r^2 ≤ R^2 - z^2,-R ≤ z ≤ R,0 ≤ θ ≤ 2π。被积函数为 1/√(r^2 + (z-h)^2)。积分变为 I = ∫_{0}^{2π} dθ ∫_{-R}^{R} dz ∫_{0}^{√(R^2-z^2)} r dr / √(r^2 + (z-h)^2)。
公式:I = ∫_{0}^{2π} dθ ∫_{-R}^{R} dz ∫_{0}^{√(R^2-z^2)} r dr / √(r^2 + (z-h)^2)
提示:注意柱坐标变换的雅可比为 r。
步骤 2/4
目标:对 r 积分
先对 θ 积分得 2π,然后对 r 积分。令 u = r^2,则 du = 2r dr,积分变为 π ∫_{-R}^{R} dz ∫_{0}^{R^2-z^2} du / √(u + (z-h)^2) = 2π ∫_{-R}^{R} [√(R^2 + h^2 - 2hz) - (h-z)] dz。
公式:∫ r dr / √(r^2 + (z-h)^2) = √(r^2 + (z-h)^2)
提示:注意积分限的变换。
步骤 3/4
目标:对 z 积分
计算积分 I = 2π ∫_{-R}^{R} [√(R^2 + h^2 - 2hz) - (h-z)] dz。分别积分:∫ √(R^2 + h^2 - 2hz) dz = -1/(3h) (R^2 + h^2 - 2hz)^{3/2},∫ (h-z) dz = hz - z^2/2。代入上下限得 I = 4πR^3/(3h)。
公式:∫ √(A - Bz) dz = -2/(3B) (A - Bz)^{3/2}
提示:注意积分上下限的代入。
步骤 4/4
目标:利用正交变换求解球的单层位势
取正交变换将点 (a,b,c) 变为 (0,0,h),其中 h = √(a^2+b^2+c^2)。由于正交变换保持球体和体积元,且被积函数形式不变,故 u(a,b,c) = ∭_{ξ^2+η^2+ζ^2≤R^2} dξ dη dζ / √(ξ^2+η^2+(ζ-h)^2) = 4πR^3/(3h) = 4πR^3/(3√(a^2+b^2+c^2))。
公式:u(a,b,c) = 4πR^3/(3√(a^2+b^2+c^2))
提示:正交变换不改变积分区域和体积元。

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