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数学
题目

2、计算I=iintlimits_(Sigma)(x+y^2)dydz+(y+z^2)dzdx+zdxdy,其中Sigma为曲面z=x^2+y^2(0le zle 1)的上侧.

2、计算$I=\iint\limits_{\Sigma}(x+y^{2})dydz+(y+z^{2})dzdx+zdxdy$,其中$\Sigma$为曲面$z=x^{2}+y^{2}(0\le z\le 1)$的上侧.

题目解答

答案

将曲面 $\Sigma$ 补上平面 $z=1$(下侧),形成闭合曲面。应用高斯公式得: \[ \iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iiint\limits_{V} \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV - \iint\limits_{z=1} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS \] 其中,$\nabla \cdot \mathbf{F} = 3$,$\mathbf{F} = (x + y^2, y + z^2, z)$,$\mathbf{n}_{z=1} = (0,0,-1)$。计算得: \[ \iiint\limits_{V} 3 \, dV = \frac{3\pi}{2}, \quad \iint\limits_{z=1} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = -\pi \] 故: \[ \iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \frac{3\pi}{2} + \pi = \boxed{\frac{5\pi}{2}} \]

解析

考查要点:本题主要考查第二类曲面积分的计算,重点在于高斯公式的应用以及补面法的使用。

解题核心思路:

  1. 闭合曲面补面:原曲面$\Sigma$是开口的,需补上平面$z=1$(下侧)形成闭合曲面,便于应用高斯公式。
  2. 散度计算:将向量场$\mathbf{F}=(x+y^2, y+z^2, z)$的散度$\nabla \cdot \mathbf{F}$求出,发现其值为$3$,简化体积分。
  3. 补面积分处理:计算补面$z=1$的积分时,注意法向量方向对积分结果的影响。

破题关键点:

  • 高斯公式的正确应用,明确闭曲面内外侧方向。
  • 补面后积分的符号处理,避免方向错误导致结果偏差。

步骤1:应用高斯公式

将原曲面$\Sigma$补上平面$z=1$(下侧),形成闭合曲面$\Sigma \cup \Sigma'$。根据高斯公式:
$\iint\limits_{\Sigma \cup \Sigma'} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \iiint\limits_{V} \nabla \cdot \mathbf{F} \, dV$
其中,$\nabla \cdot \mathbf{F} = 1 + 1 + 1 = 3$,因此:
$\iiint\limits_{V} 3 \, dV = 3 \cdot \text{体积}(V)$

步骤2:计算体积分

区域$V$由曲面$z=x^2+y^2$与平面$z=1$围成,在柱坐标下体积为:
$\text{体积} = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \int_{r^2}^{1} r \, dz \, dr \, d\theta = \frac{\pi}{2}$
故体积分结果为:
$3 \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{3\pi}{2}$

步骤3:计算补面$\Sigma'$的积分

在$z=1$(下侧),法向量$\mathbf{n}=(0,0,-1)$,向量场点积为:
$\mathbf{F} \cdot \mathbf{n} = z \cdot (-1) = -1$
积分区域为单位圆$x^2+y^2 \leq 1$,故:
$\iint\limits_{\Sigma'} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = -1 \cdot \pi = -\pi$

步骤4:联立求解原积分

根据高斯公式拆分闭曲面积分:
$\frac{3\pi}{2} = \iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS + (-\pi)$
解得:
$\iint\limits_{\Sigma} \mathbf{F} \cdot \mathbf{n} \, dS = \frac{3\pi}{2} + \pi = \frac{5\pi}{2}$

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