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112 台綜大微積分(C) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

112學年度 · 112微積分C · 第 8 題

題目

Problem

8. Evaluate

∭Be(x2+y2+z2)3/2 dV ,\iiint_B e^{(x^2 + y^2 + z^2)^{3/2}} \,\mathrm{d}V \,,

where B={(x,y,z)∣x2+y2+z2≤1}B = \{ (x, y, z) \mid x^2 + y^2 + z^2 \le 1 \} is the unit ball. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求在單位球體 BB 上計算三重積分 ∭Be(x2+y2+z2)3/2 dV\iiint_B e^{(x^2+y^2+z^2)^{3/2}} \,\mathrm{d}V。
  2. 積分區域是球體,且被積函數中包含 x2+y2+z2x^2+y^2+z^2。這提示我們應使用球面座標變換 (Spherical Coordinates)。
  3. 第一步:換元:
    • x2+y2+z2=ρ2x^2 + y^2 + z^2 = \rho^2。
    • 體積微元 dV=ρ2sin⁡ϕ dρdθdϕ\mathrm{d}V = \rho^2 \sin\phi\,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\theta\mathrm{d}\phi。
  4. 第二步:確定積分範圍: 整個單位球對應的範圍為: 0≤ρ≤1, 0≤θ≤2π, 0≤ϕ≤π0 \le \rho \le 1, \ 0 \le \theta \le 2\pi, \ 0 \le \phi \le \pi。
  5. 第三步:進行累次積分: 將三部分分拆進行積分計算,其中 ρ\rho 的部分利用 u=ρ3u = \rho^3 進行代換。

答題過程

展開

我們引入球面座標系:

x=ρsin⁡ϕcos⁡θ,y=ρsin⁡ϕsin⁡θ,z=ρcos⁡ϕx = \rho\sin\phi\cos\theta, \quad y = \rho\sin\phi\sin\theta, \quad z = \rho\cos\phi

其中:

x2+y2+z2=ρ2,dV=ρ2sin⁡ϕ dρdθdϕx^2 + y^2 + z^2 = \rho^2, \quad \mathrm{d}V = \rho^2 \sin\phi\,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\theta\mathrm{d}\phi

對於整個單位球體 BB,球面座標的範圍為:

0≤ρ≤1,0≤θ≤2π,0≤ϕ≤π0 \le \rho \le 1, \quad 0 \le \theta \le 2\pi, \quad 0 \le \phi \le \pi

將其寫為累次積分形式:

∭Be(x2+y2+z2)3/2 dV= ∫02π∫0π∫01e(ρ2)3/2⋅ρ2sin⁡ϕ dρdϕdθ= ∫02π∫0π∫01eρ3ρ2sin⁡ϕ dρdϕdθ= (∫02πdθ)(∫0πsin⁡ϕ dϕ)(∫01eρ3ρ2 dρ)\begin{align*} \iiint_B e^{(x^2 + y^2 + z^2)^{3/2}} \,\mathrm{d}V =&\, \int_0^{2\pi} \int_0^{\pi} \int_0^1 e^{(\rho^2)^{3/2}} \cdot \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_0^{2\pi} \int_0^{\pi} \int_0^1 e^{\rho^3} \rho^2 \sin\phi \,\mathrm{d}\rho\mathrm{d}\phi\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \left( \int_0^{2\pi} \mathrm{d}\theta \right) \left( \int_0^{\pi} \sin\phi \,\mathrm{d}\phi \right) \left( \int_0^1 e^{\rho^3} \rho^2 \,\mathrm{d}\rho \right) \end{align*}

我們分別計算這三個獨立的積分項:

  1. ∫02πdθ=2π\int_0^{2\pi} \mathrm{d}\theta = 2\pi
  2. ∫0πsin⁡ϕ dϕ=[−cos⁡ϕ]0π=−cos⁡π−(−cos⁡0)=1+1=2\int_0^{\pi} \sin\phi \,\mathrm{d}\phi = \left[ -\cos\phi \right]_0^{\pi} = -\cos\pi - (-\cos 0) = 1 + 1 = 2
  3. ∫01eρ3ρ2 dρ=13∫01eρ3 d(ρ3)=13[eρ3]01=13(e−1)\int_0^1 e^{\rho^3} \rho^2 \,\mathrm{d}\rho = \frac{1}{3} \int_0^1 e^{\rho^3} \,\mathrm{d}(\rho^3) = \frac{1}{3} \left[ e^{\rho^3} \right]_0^1 = \frac{1}{3}(e - 1)

將各部分相乘:

I=2π⋅2⋅13(e−1)=4π3(e−1) .I = 2\pi \cdot 2 \cdot \frac{1}{3}(e - 1) = \frac{4\pi}{3}(e - 1) \,.