求由曲面z=2-x^2 , z= x^2 + 2 y^2 所围成的立体的体积

如题所述

首先将两个方程并列找出两个曲面相交的曲线。通过消去z,我们得到:
2-x²=x²+2y²

x²+y²=1
所以,此曲线位于半径为1的圆柱面上。那么x和y的积分限很容易就找到了:x²+y²=1

要找到z的积分限,就需要知道两个曲面哪个在上面,哪个在下面。因为所包的体积在圆柱内部,所以要求x²+y²<1。用这个条件,我们发现2-x²>x²+2y²,即z=2-x²在上面,z=x²+2y²在下面。

根据上面的讨论,我们就可以写出体积分:
V=∫∫dxdy∫_(x²+2y²)^(2-x²)dz
这里我用符号_(x²+2y²)来表达z积分的下限,^(2-x²)表达z积分的上限。(记住xy积分限是圆形x²+y²=1。)
对z的积分很容易:

∫_(x²+2y²)^(2-x²)dz=(2-x²)-(x²+2y²)=2-2x²-2y²
剩下的就是对xy的两重积分。

V=∫∫(2-2x²-2y²)dxdy
这个积分最容易在极坐标里做。变换为极坐标时,x²+y²=r²,dxdy=rdrdφ。积分限为r从0到1,φ从0到2π。
V=∫∫(2-2x²-2y²)dxdy=∫_0^1(2-2r²)rdr∫_0^(2π)dφ
两个积分各为:

∫_0^(2π)dφ=2π
∫_0^1(2-2r²)rdr=r²-(1/2)r^4|_0^1=1/2
V=(1/2)2π=π
所以体积是π。
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