利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分汇总
z
rd
dr
dv rdrddz,
f ( x , y, z )dxdydz
r
dz
o
x
d
y
f ( r cos , r sin , z )rdrddz.
例1 计算 I
2 2 2
zdxdydz ,其中
2 2
是球面
x y z 4 与抛物面 x y 3 z
0 2 ,
2 a a
I ( x y )dxdydz d rdr r 2dz
0
0
r
5 a a 2 r (a r )dr 2[a ] a . 0 4 5 10
a 3
4 5
例 4 求曲面 x y z 2a 与 z 所围 成的立体体积.
r
3 cos a 4 2 d 2 sin d r2 d r 0 0 0 2 3 2 1 a sin cos d a 3 0 3 3
x
y
dv r 2 sin dr d d
三、小结
柱面坐标 三重积分换元法 球面坐标
x
f ( sin cos , sin sin , cos ) 2 sin d d d .
是锥面 例 3 计算 I ( x 2 y 2 )dxdydz ,其中
x 2 y 2 z 2 , 与平面z a
解1 采用球面坐标
(1) 柱面坐标的体积元素
dxdydz rdrd dz
(2) 球面坐标的体积元素 dxdydz r 2 sindrdd (3) 对称性简化运算
思考题
若为R 3中关于xy面对称的有界闭区域, f ( x , y , z )为 上的连续函数, 则
当f ( x , y, z )关于 ____为奇函数时, f ( x , y, z )dv 0;
D2 2
2
2
0
5 2 d dr r 2 r r 2dz , 0 2 6
2 2
45 25 原式 I 336 . 3 6
例3. 计算三重积分
柱面 x 2
其中为由
y
2
2 x 及平面
z 0, z a (a 0), y 0 所围
成半圆柱体.
3
0
2 cos 3
8 3 d a 9
例4. 计算三重积分
其中由抛物面
x y 4z
2
2
与平面 z
h (h 0) 所围成 .
z
h
解: 在柱面坐标系下
x 2 d d z 原式 = d 2 0 0 1 4 d v d d d z 2 2 h 2 (h ) d 2 0 4 1
0 0
2
4
2a
0
r 2 sin dr
2
4 0
4 ( 2a )3 3 sin d ( 2 1)a . 3 3
例5. 计算三重积分
与球面
其中 所围立体.
解: 在球面坐标系下
0rR : 0 4 0 2
z
rR
2 0
0 2 cos 解: 在柱面坐标系下 : 0 2 0 za
原式 z d d d z
2
z a
o
y
zd z
0
a
0
2 d
0
2 cos
2 d
2 2 cos x
dv d d d z
2 4a
0 a x 2 y 2 z 2 A, z 0 所确定. x2 y2 z2 3、 ( 2 2 2 )dxdydz , a b c 2 2 2 x y z 其中 ( x , y , z ) 2 2 2 1 . a b c 2 2 2 2 z 5 x y 三、求曲面 及 x y 4 z 所围成的立 体的体积. 2 2 2 2 2 2 四、曲面 x y az 4a 将球体 x y z 4az 分 成两部分,试求两部分的体积之比. 五、求由曲面 z x 2 y 2 , x y a , x 0, y 0, z 0 所围成立体的重心(设密度 1 ).
(a 0) 所围的立体.
za r
2 2 2
a , cos
x y z , 4
a : 0 r , 0 , 0 2 , cos 4
I ( x 2 y 2 )dxdydz
d d
0
2
4 0
2
2 2
3
解: 由曲面方程可知, 立体位于xoy面上部, 且关于 xoz
yoz面对称, 并与xoy面相切, 故在球坐标系下所围立体为
: 0 r a 3 cos , 0 2 , 0 2
利用对称性, 所求立体体积为
V d v
z r a 3 cos a
2
2 h
h
o
y
二、利用球面坐标计算三重积分
设点 M 在 xoy 面上的投影为 P, z 点 P 在 x 轴上的投影为 A,
则 OA x , AP y, PM z .
A
x
M ( x, y, z )
z
o
y
球面坐标与直角坐标的关系为
x
y
P
x sin cos , y sin sin , z cos .
2 2 2 2
x2 y2
解
由x
2
由锥面和球面围成, 采用球面坐标,
y z 2a
2 2
2
r 2a,
z
x y , 4
2 2
: 0 r 2a ,
0 , 4
0 2 ,
由三重积分的性质知 V
dxdydz ,
V d d
dx
2
4 x 2
dy
3( x 2 y 2 )
16 x 2 y 2
0 d0 rdr 3r 2 2 3r d rdr 0 0 16 r
一、利用柱面坐标计算三重积分
设 M ( x , y , z ) 为空间内一点,并设点M 在 xoy 面上的投影 P 的极坐标为 r ,,则这样的三 个数 r , , z 就叫点 M 的柱面坐标.
规定: 0 r ,
0 2,
z
M ( x, y, z )
z .
z 当f ( x , y , z )关于 ____ z 为偶函数时,
1
2 f ( x, y, z )dv f ( x, y, z )dv ___
其中1为在xy面上方的部分 .
练习题
一、填空题: 1 、若 由曲面 z 2 3( x 2 y 2 )和 x 2 y 2 z 2 16 所 围, 则三重积分 f ( x , y , z )dv 表示成直角坐标下
I I1 I 2 ( x y )dxdydz ( x y )dxdydz,
2 2 2 2 1
5 4 d dr r 2 r r 2dz , 0 3 2
4 8
I1 rdrd r 2 fdz
D1 2
8
2
2
0
I 2 rdrd r 2 fdz
规定:
0 r , 0 ,
如图,三坐标面分别为
r 为常数
球 面;
0 2.
为常数
为常数
圆锥面;
半平面.
如图,
z
球面坐标系中的体积元素为 d
dv 2 sin drd d ,
d
sin
o
sin d
d
d
y
d
f ( x, y, z )dxdydz
其值为_______.
3、若空间区域 为二曲面x 2 y 2 az 及 z 2a x 2 y 2 所围, 则其体积可表为三重积分 _______________; 或 二 重 积 分 ______________; 或柱面坐标下的三次积分___________________. 4 、 若 由 不 等 式 x 2 y 2 (z a)2 a 2 , x 2 y 2 z 2 所确定, 将 zdv 表为球面坐标下的三次积分为
( x 2 y 2 z 2 )d xd yd z
0 4 sin d
4
d
R 4 r dr 0
x
o
y
1 R 5 (2 2) 5
dv r 2 sin dr d d
例6.求曲面 ( x
2
y z ) a z (a 0) 所围立体体积.
所围的立体.
x r cos 解 由 y r sin , zz
r 2 z 2 4 2 r 3z
知交线为
z 1, r 3,
把闭区域 投影到 xoy 面上,如图,
r2 : z 4 r 2, 3 0 r 3, 0 2.
绕 oz 轴旋转得,
2 2
旋转面方程为 x y 2z ,
三重积分在柱面及球坐标系下的计算
= ∫ dθ ∫
0
2π
R
0
1 2 1 4 2 ( R − ρ ) ρdρ = πR . 2 4
思考: 思考:是否可考虑用切片法来求解?
例2 计算三重积分I = ∫∫∫ ( x + y )dv,
2 2 (V )
z
其中(V )由z = x 2 + y 2 , z = h所围.
解 (V )在xoy面投影域(σ )为圆 : 0 ≤ ρ ≤ h , xy
π
4
θ
y
,0 ≤ ρ ≤ R.
x
∴ I = ∫ dθ
0
2π
∫
π /4
0
dϕ
∫
R
0
ρ 2 ⋅ ρ 2sinϕ dρ
2− 2 5 = πR . 5
练习 试用三种坐标系分别计算三重积分
z
2
σz
I = ∫∫∫ zdv, 其中(V ) : x 2 + y 2 + z 2 ≤ 2 z.
(V )
解法1 解法 直角坐标系(切片法)
1
= 2π ∫ ρ ⋅ 2 1 − ρ 2 dρ
1
4π = . 3
0
解法3 解法 球面坐标系计算
∫∫∫ zdv
(V )
z
2
x2 + y2 + z2 = 2z
球面为 : ρ = 2 cos ϕ , 其中
0 ≤ θ ≤ 2π ,0 ≤ ϕ ≤
ϕ
o
π
2
,0 ≤ ρ ≤ 2 cos ϕ .
θ
ρ cos ϕ ⋅ ρ 2 sin ϕdρ
z
• •
其中(V )由z = R 2 − x 2 − y 2 与 z = 0所围.
柱面坐标系和球面坐标系求三重积分
z x2 y2所围 .
分析 (V )为由半球面与锥面所围,
故可用球面坐标,
y
此 ,0 时 2 ,0 ,0R . x
4
2
I d
/4
d
R22sind
0
0
0
2 2 R5.
5
练习 试用三种坐标系算 分三 别重 计积分
I zdv,其中(V): x2 y2 z2 2z. (V)
解法1 直角坐标(切 系片法 )
x
则 (V )f(c o,s si,n z)d d dz ,
]d d
[ z2(,)f(co ,ssin,z)dz
( ) z1(,)
例1 计算三重积I分 (Vz)dv,
其中(V)由z R2 x2 y2与 z 0所围.
解 (V )向 xo 面 y 投 (x)y 为 影 :0 圆 R , 02 x
I d d
zdz
0
0 1 1 2
x
2012 12d
4 . 3
•1
xy
解法3 球面坐标系计算zdv (V) x2y2z22z
z
2
球面 : 为 2co,s其中
02 ,0,02co .s
2
o
y
I 2d /2d 2coscos2sxind
0
0
0
2/24co5ssind 4 .
0
3
z
h•
此,时 2zh.
I [ h 2dz ]dd ( xy ) 2
•
o•
x
y
( xy )
2d h(3h5)d
0
0
1 h3.
6
思考:本题是否也可考虑用切片法来求解?
4-2-2 球面坐标系下三重积分的计算
高等数学利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分教案
时间---------月---------日 星期----------------- 课 题§10.3 三重积分2教学目的 学习和掌握利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分。
教学重点 掌握利用柱面坐标计算三重积分。
教学难点 掌握利用球面坐标计算三重积分。
课 型 专业基础课 教学媒体教法选择讲 授教 学 过 程教法运用及板书要点一、利用柱面坐标计算三重积分设M x y z (,,)为空间内一点,该点在xoy 面上的投影为P ,P 点的极坐标为,r θ,则,,r z θ三个数称作点M 的柱面坐标。
规定,,r z θ的取值范围是:0r ≤<+∞,02≤≤θπ,-∞<<+∞z 。
柱面坐标系的三组坐标面分别为:(r a =常数),表示以z 轴为轴,半径为a 的圆柱面;(b θ=常数),即过z 轴,极角为b 的半平面;(z c =常数),即与xoy 面平行且相距为c 的平面。
点M 的直角坐标与柱面坐标之间有关系式为:cos x r θ=;sin y r θ=;z z =。
用三组坐标面(r a =常数),(b θ=常数),(z c =常数),将Ω分割成许多小区域,除了含Ω的边界点的一些不规则小区域外,这种小闭区域都是柱体。
考察由,,r z θ各取得微小增量,,dr d dz θ所成的柱体,该柱体是底面积为此表2学时填写一份,“教学过程”不足时可续页与平面所围成的闭区域。
解: πθρρ20,20,4:2≤≤≤≤≤≤Ωz ,πρρθρπ364420202==⎰⎰⎰⎰⎰⎰Ωzdz d d dxdydz z 2、利用球面坐标计算三重积分(,,)M x y z 为空间内一点,M 则点可用三个有次序的数r ϕθ,,来确定,其中r O M 为原点与点间的距离,ϕ为有向线段OM z 与轴正向之间的夹角,θ为z x 从正轴来看自轴按逆时针方向转到有向线段OP 的角度,这里点P 为点M 在xoy 面上的投影。
柱坐标、球坐标下的三重积分
解:由图知:直角系:
D
y
x
2
4 x2
6x2 y2
I dx
dy
f (x, y, z)dz
2
4x2
x2 y2
柱标系: I
2
d
2
rdr
6r 2
f (r cos , r sin , z)dz
0
0
r
杂例
在三种坐标系下化三重积分 f (x, y, z)dv为三次积分,
z
其中:z 6 x2 y2, z x2 y2 z 6 x2 y2 6
四、柱坐标、球坐标下的三重积分
1. 柱坐标:(θ,r,z)
zz
变换为:x r cos , y r sin , z z
即:(x, y, z) (r cos , r sin , z),其中:
0 r ,0 2 ,| J || (x, y, z) | r ( , r, z)
x
注:柱坐标— 极坐标平面竖起一根Z轴。x
上顶: z 1 x2 y2
下底: z = 0
z
Dxy: x 2 y 2 1
x y
I dxdy
zdz
Dxy
用哪种坐标? 柱面坐标 .
.
2π
1
1r 2
I = 0 dθ 0 rdr0 zdz
Dxy 0
1
4
x
z0
1y
注:用柱坐标求 fdv分成两个步骤:
第一步:先一后二,对z积分后将二重积分化为极坐 标下的二重积分;
元素区域由六个坐标面围成:
半平面及+d ;
半径为r及 r+dr的园柱面;
平面 z及 z+dz;
dz
柱面坐标和球面坐标计算定积分
设 M ( x, y, z) 为空间内一点,并设点M 在
xoy 面上的投影 P 的极坐标为r,,则这样的三 个数 r, , z 就叫点 M 的柱面坐标.
z
规定: 0 r ,
0 2,
z .
• M(x, y,z)
or
•
y
P(r, )
x
如图,三坐标面分别为
r 为常数
三个有次序的数r,, 来确定,其中r 为原 点 O 与点 M 间的距离, 为有向线段 OM与 z 轴正向所夹的角, 为从正 z 轴来看自 x 轴按
逆时针方向转到有向线段 OP 的角,这里 P 为
点 M 在 xoy 面上的投影,这样的三个数 r,, 就叫做点 M 的球面坐标.
规定: 0 r , 0 , 0 2.
y
r
sin
sin
,
z r cos .
如图,
z
球面坐标系中的体积元素为
dv r2 sindrdd ,
f ( x, y, z)dxdydz
dr
d r sin
r
o
d
x
r sind rd
d
y
f (r sin cos ,r sin sin ,r cos )r2 sindrdd .
例 3 计算 I ( x2 y2 )dxdydz,其中 是锥面
1 8
I1 rdrd r2 fdz
D1
2
2
d
0
2
4
dr
0
8
r2
r
r
2dz
2
45 3
,
2
I2 rdrd r2 fdz
D2
2
3.5 利用柱面坐标和球面坐标的计算三重积分
ex6.设f ( u)具有连续的导数, 且f (0) 0, 求 1 lim 4 t 0 t
x2 y2 z2 t 2
f (
r2 则 {( r , , z ) | z 4 r 2 , 0 r 3,0 2 } 3 z I zrdrddz z 4 r2
0 d 0 dr r 2
3
2
3
4 r 2
r zdz
13 . 4
r2 z 3 x
y
2
x
02 d 0
2 cos
8 2 a2 8 3 2 r dr 0 zdz 02 cos d a . 9 2 3
a
二. 在球面坐标下计算三重积分
1. 球面坐标及坐标面
设 M ( x , y, z ) 为空间内一点,则点M 可用 三个有次序的数 ,, 来确定,其中 为原 点 O 与点 M 间的距离, 为有向线段 OM与 z 轴正向所夹的角, 为从正 z 轴来看自 x 轴按 逆时针方向转到有向线 OP 的角,这里 P 为 段 点 M 在 xoy 面上的投影,这样的三 个数 ,,
x sin cos y sin sin z cos
z
x
M ( x, y, z )
z
o
A
y
y
x
P
3. 球面坐标下的三次积分
球面坐标系中的体积元素为
d
z
d
sin
利用柱面坐标计算三重积分
z
j r
zdv
dvΒιβλιοθήκη zdvO
dv
a 2 0 2
.
q
x
a y
dv 2 dj dq
2
0
0
2a 3 , r sin jdr 3
a
1 a4 , zdv 2 dj dq r cos j r 2 sin jdr 2 0 0 0 2 4 3a 3a 因此`z .重心为(0,0, ). 8 8
§9.5 利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分
一、利用柱面坐标计算三重积分
柱面坐标、 柱面坐标系的坐标面 直角坐标与柱面坐标的关系、柱面坐标系中的体积元素
柱面坐标系中的三重积分
二、利用球面坐标计算三重积分
球面坐标、球面坐标系的坐标面 直角坐标与球面坐标的关系、球面坐标系中的体积元素 球面坐标系中的三重积分
,r sin q ,z) rdrdqdz.
例1 例1 利用柱面坐标计算三重积分 zdxdydz,其中是由曲
面 zx2y2 与平面 z4 所围成的闭区域.
z 4 zx2y2 或 zr2
解 闭区域可表示为:
r 2z4,0r2,0q2. 于是
zdxdydz zrdrdqdz
2 r sin jdrdjdq dq sin j dj r 4 dr a 2 M , 0 0 0 5
4 3
2
3
a
4 3 其中 M a 为球体的质量. 3
一、利用柱面坐标计算三重积分
设M(x, y, z)为空间内一点,则点M与数 r、q 、z相对应, 其中P(r, q )为点M在xOy面上的投影的极坐标. 三个数 r、q 、z 叫做点M 的柱面坐标. z 这里规定r、q 、z的变化范围为: 0 r<, 0 q 2 , < z<. O x r y P(r, q ) y z
极坐标与球面坐标计算三重积分-极系下的三重积分
例11 利用柱面坐标计算三重积分 zdxdydz,其中是由曲
面 zx2y2 与平面 z4 所围成的闭区域.
z
解 闭区域可表示为:
4
r 2z4,0r2,0q2.
于是
zdxdydz zrdrdqdz
zx2y2 或 zr2
2
2
4
dq rdr zdz
0
0
r2
1
2
dq
2 r(16 r 4 )dr
例2 求半径为a 的球面与半顶角a为的内接锥面所围成的立
体的体积.
z 2a
a
O
y
x
例2 求半径为a 的球面与半顶角a为的内接锥面所围成的立
体的体积.
解 该立体所占区域可表示为:
0r2a cos j ,0ja ,0q2.
z
于是所求立体的体积为
2a
V dxdydz r2 sinj drdjdq
r4 sin 3 jdrdjdq
2
dq
sin 3 j dj
a r4dr 2 a2M ,
0
0
0
5
其中 M 4 a3 为球体的质量.
3
2
dq
a
dj
2a cosj r 2 sin jdr
0
0
0
2
a
s in jdj
2a cosj r 2 dr
0
0
jr a
16a3 a cos3 j sinjdj
30
O
y
4a3 (1 cos4 a) .
x
3
例3 求均匀半球体的重心.
z
解 取半球体的对称轴为 z 轴,
原点取在球心上,又设球半径为a.
最新95利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分汇总
95利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分§9.5 利用柱面坐标和球面坐标计算三重积分对于某些三重积分,由于积分区域和被积函数的特点,往往要利用柱面坐标和球面坐标来计算。
一、利用柱面坐标计算三重积分1、柱面坐标设«Skip Record If...»为空间的一点,该点在«Skip Record If...»面上的投影为«Skip Record If...»,«Skip Record If...»点的极坐标为«Skip Record If...»,则«Skip Record If...»三个数称作点«Skip Record If...»的柱面坐标。
规定«Skip Record If...»的取值范围是«Skip Record If...»,«Skip Record If...»,«Skip Record If...»柱面坐标系的三组坐标面分别为«Skip Record If...»,即以«Skip Record If...»轴为轴的圆柱面;«Skip Record If...»,即过«Skip Record If...»轴的半平面;«Skip Record If...»,即与«Skip Record If...»面平行的平面。
点«Skip Record If...»的直角坐标与柱面坐标之间有关系式«Skip Record If...»(1)2、三重积分«Skip Record If...»在柱面坐标系中的计算公式«Skip Record If...»用三组坐标面«Skip Record If...»,«Skip Record If...»,«Skip Record If...»,将«Skip Record If...»分割成许多小区域,除了含«Skip Record If...»的边界点的一些不规则小区域外,这种小闭区域都是柱体。
讲 柱坐标和球坐标系三重积分的计算
z dv
z r d
dv
dz
r
d
dr
r d
y
x r d dr r dr d
d
y
r sin
x
平面极坐标下的面积元素 ds
r sin d
28
在柱面坐标系下: dv r dr d dz,
f (x, y, z)d x d y dz
f (r cos , r sin , z) r dr d dz
在球面坐标系下: dv r 2 sin drd d ,
x2 y2 z2, 与平面z a (a 0)所围的立体.
解 1 采用球面坐标
za r a , cos
x2 y2 z2 ,
4
: 0 r a , 0 , 0 2,
cos
4
16
皮肌炎图片——皮肌炎的症状表现
• 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、 心、肺、肾等多脏器严重损害的, 全身性疾病,而且不少患者同时 伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如 下:
2r4
0
d
r
64 5
1
2 2
31
3. 计算
由 z 1 (x2 y2 ), z 1, z 4围成. 2
解:
利用对称性
1 2
(
x2
y2
)d
xd
yd
z
1
4
dz
( x2 y2 )d xd y
21
Dz
1
4
dz
2
d
2z r3 d r 21
21 0
0
其中
z 4
1
Dz
oy x
32
o
y
d
x
f ( cos , sin , z) dddz.
