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108 學年度台綜大微積分 C 第 10 題

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108學年度 · 108台綜大微積分C · 第 10 題

題目

10. (10 points) Let F(x,y,z)=xi+yj+zk(x2+y2+z2)3/2F(x,y,z)=\dfrac{x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}}{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}} and let D={(x,y,z)∣x24+y24+z29=1}D=\left\{(x,y,z)\mid \dfrac{x^2}{4}+\dfrac{y^2}{4}+\dfrac{z^2}{9}=1\right\}. Find the flux of FF outward across the boundary of DD.

解答

解法一

此向量場是以原點為中心的反平方徑向場。橢球面包住原點,取原點附近半徑 ε\varepsilon 的小球後套散度定理;兩個曲面之間散度為 00,故外橢球的通量等於小球的通量:

∬DF⋅n dS=∬r=ε1ε2 dS=1ε2(4πε2)=4π.\iint_D\mathbf F\cdot\mathbf n\,\mathrm{d}S =\iint_{r=\varepsilon}\frac1{\varepsilon^2}\,\mathrm{d}S =\frac1{\varepsilon^2}(4\pi\varepsilon^2) =\boxed{4\pi}.