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109 台灣大學微積分(B) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

109學年度 · 109台大微積分B · 第 7 題

題目

Problem

  1. (a) CC is a smooth curve in the upper half plane going from (1,1)(1,1) to (0,2)(0,\sqrt{2}).

F(x,y)=x−3yx2+y2i+3x+yx2+y2j\displaystyle\mathbf{F}(x,y)=\frac{x-3y}{x^2+y^2}\mathbf{i}+\frac{3x+y}{x^2+y^2}\mathbf{j}. Then, ∫CF⋅dr=(17)‾\displaystyle\int_C \mathbf{F}\cdot d\mathbf{r} = \underline{\quad(17)\quad}.

(b) SS is the part of the sphere x2+y2+z2=9x^2+y^2+z^2=9 that lies above the cone z=x2+y2z=\sqrt{x^2+y^2} with upward orientation. F(x,y,z)=xi+yj+zk(x2+y2+z2)2\displaystyle\mathbf{F}(x,y,z)=\frac{x\mathbf{i}+y\mathbf{j}+z\mathbf{k}}{(x^2+y^2+z^2)^2}. Then, ∬SF⋅dS=(18)‾\displaystyle\iint_S \mathbf{F}\cdot d\mathbf{S} = \underline{\quad(18)\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  • (a) 曲線完全位於上半平面,避開原點;可辨認向量場為保守場,再以勢函數取兩端點差。
  • (b) 在半徑為 33 的球面上,向量場恰為徑向;通量密度為常數,只須算球冠面積。

答題過程

展開

(a) 在上半平面可取連續的極角 θ∈(0,π)\theta\in(0,\pi),勢函數可寫為

ϕ(x,y)=ln⁡x2+y2+3θ.\phi(x,y)=\ln\sqrt{x^2+y^2}+3\theta.

直接微分可驗證 ∇ϕ=F\nabla\phi=\mathbf F。因此線積分只與端點有關:

∫CF⋅dr= ϕ(0,2)−ϕ(1,1)= (12ln⁡2+3π2)−(12ln⁡2+3π4)= 3π4.\begin{align*} \int_C\mathbf F\cdot\mathrm{d}\mathbf r =&\,\phi(0,\sqrt2)-\phi(1,1)\\[2mm] =&\,\left(\frac12\ln2+\frac{3\pi}{2}\right) -\left(\frac12\ln2+\frac{3\pi}{4}\right)\\[2mm] =&\,\frac{3\pi}{4}. \end{align*}

故

(17)=3π4.\boxed{(17)=\frac{3\pi}{4}}.

(b) 在球面 x2+y2+z2=9x^2+y^2+z^2=9 上,

F=r34,n=r3,\mathbf F=\frac{\mathbf r}{3^4},\qquad \mathbf n=\frac{\mathbf r}{3},

所以 F⋅n=127\mathbf F\cdot\mathbf n=\frac1{27}。圓錐對應的球座標角度為 0≤θ≤π40\le\theta\le\frac\pi4,球冠面積為

2π(3)2(1−cos⁡π4)=18π(1−22).2\pi(3)^2\left(1-\cos\frac\pi4\right) =18\pi\left(1-\frac{\sqrt2}{2}\right).

因此

(18)=2π3(1−22).\boxed{(18)=\frac{2\pi}{3}\left(1-\frac{\sqrt2}{2}\right)}.