Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

105 台灣大學微積分(B) 第 17 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

105學年度 · 105台大微積分B · 第 17 題

題目

Problem

(Q) Let SS be the surface described by z=x2+y22z=x^2+\dfrac{y^2}{2} with 4x2+y2≤14x^2+y^2\le 1 oriented with normals with positive kk-components. Let F(x,y,z)=xi−yj+k\mathbf{F}(x,y,z)=x\mathbf{i}-y\mathbf{j}+\mathbf{k}. Evaluate ∬SF⋅dS\iint_S \mathbf{F}\cdot \mathrm{d}\mathbf{S}. Answer: (18)‾\underline{\quad(18)\quad}. Also, evaluate ∬SdS\iint_S \mathrm{d}S. Answer: (19)‾\underline{\quad(19)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  • 將曲面視為圖形,用向上面積向量求通量;橢圓投影再線性化為單位圓盤。

答題過程

展開

向上面積向量為 (−2x,−y,1) dA(-2x,-y,1)\,\mathrm{d}A,故通量被積式為 1−2x2+y21-2x^2+y^2。令 u=2x,v=yu=2x,v=y,在單位圓盤積分,得

∬SF⋅dS=9π16.\iint_S\mathbf F\cdot\mathrm{d}\mathbf S=\boxed{\frac{9\pi}{16}}.

同一代換下,曲面積為

∬SdS= 12∬u2+v2≤11+u2 dudv= ∫−111−u4 du= 12B(14,32).\begin{align*} \iint_S\mathrm{d}S =&\,\frac12\iint_{u^2+v^2\le1}\sqrt{1+u^2}\,\mathrm{d}u\mathrm{d}v\\[4mm] =&\,\int_{-1}^1\sqrt{1-u^4}\,\mathrm{d}u\\[4mm] =&\,\boxed{\frac12B\left(\frac14,\frac32\right)}. \end{align*}

其中 BB 是 Beta 函數;等價地,此值為 π Γ(1/4)3Γ(3/4)\displaystyle\frac{\sqrt\pi\,\Gamma(1/4)}{3\Gamma(3/4)}。