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第18章 多元函数积分学

基础部分​

  1. 设平面曲线绕轴旋转一周所得空间曲面与平面,围成的空间区域为,则
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答案:

。

解析:

旋转曲面方程为。以轴为极轴作柱面坐标变换

,

则,,从而

。

又

,

故

。

  1. 设是由上半球面与曲面所围成的空间有界闭区域,则的形心竖坐标
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答案:

。

解析:

两曲面交线满足

,

解得,。因此

。

体积为

。

关于面的静矩为

。

故

。

  1. 设为圆周,则
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答案:

。

解析:

令,,,则。于是

,

。

因此原积分等于。

  1. 设为曲面与平面的交线,则
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答案:

。

解析:

交线是圆。圆心为平面法线方向上球心到平面的垂足

,

半径为

。

圆周上的平均值分别为。对,设点写成,其中位于平面且。圆周平均满足

,

故

。

于是被积函数的圆周平均值为

。

乘以圆周长,得

。

  1. 设是从点到点的直线段,则
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答案:

。

解析:

令直线段参数方程为

。

则分母为

,

分子为。因此

。

  1. 若是某函数的全微分,则
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答案:

。

解析:

记

。

全微分要求,即

。

比较系数得,。

于是

。

由得,故。

  1. 使得的值最大的平面正向边界曲线为()

A.

B.

C.

D.

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答案:

D。

解析:

由格林公式

。

被积函数在椭圆内为正,在其外为负。因此取该椭圆内部作为积分域时,恰好包含全部正值区域而不包含负值区域,积分达到最大,故选D。

  1. 设,与路径无关,有连续导数且,当是从点到点的任一曲线时,
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答案:

。

解析:

记

。

路径无关要求,即

。

积分得

。

由得,故

。

势函数可取

。

所以

。

  1. 设是单连通有界闭区域,取得最大值的积分域记为。(1)求的值;(2)计算,为的正向边界。
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答案:

(1);

(2)。

解析:

(1)被积函数在单位圆内为正、圆外为负,所以最大积分域为

。

从而

。

(2)记。积分中的指数部分为

,

它在边界曲线上是某单值函数的全微分,闭路积分为零。因此只需计算

。

令,,则

,

故

。

  1. 已知,为的边界面且取外侧,则
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答案:

。

解析:

按的次序,有

。

由高斯公式

。

因截面圆盘关于对称,项积分为零。又单位圆盘上

,

且,故

。

  1. 设为上半球体的表面外侧,则曲面积分
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答案:

。

解析:

向量场各分量为

。

其散度为

。

由高斯公式,原积分等于上半球体内的三重积分。球坐标下

。

  1. 设,指向右侧,则
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答案:

。

解析:

这是单位球面上满足、的四分之一球面。取球面坐标

,

其中,,且。于是

。

  1. 设是曲线绕轴旋转而成的旋转曲面,取后侧,则
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答案:

。

解析:

旋转曲面可写成

。

“后侧”取分量为负的法向量。以表示曲面,则有向面积向量为

。

与向量场点乘,并令

,

对积分后得到

。

注意

,

故

。

  1. 设为曲面的后侧,计算曲面积分。
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答案:

。

解析:

曲面与平面围成区域

。

抛物面后侧正是该区域的外侧。补上平面上的圆盘后使用高斯公式。向量场为

,

散度为

。

补面上,故其通量为零。因此

。

令。利用圆盘对称性,含的一次项积分为零,于是

。

  1. 设曲面为介于与之间的部分,取外侧,为连续函数,计算。
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答案:

。

解析:

曲面是上半支在之间的侧面。补上和两个圆盘构成闭曲面。

令

。

散度为

。

在每个圆形截面上,在交换后变号,积分为零;项也因对称性积分为零。因此闭曲面总通量为

。

上盖处,通量为零;下盖的外法向量向下,通量为

。

故侧面通量

。

  1. 设空间曲线,从轴正向往轴负向看,的方向为逆时针,计算。
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答案:

。

解析:

因为,其闭路积分为零。曲线在面上的投影是菱形

,

且方向为正向。由格林公式

。

菱形两条对角线均长,面积为,故。

强化部分​

  1. 设,则_____。
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答案:

。

解析:

在单位球内,由对称性

。

第一卦限部分占全球的,故每一项的积分均为。于是

。

  1. 设曲线的方程为,则_____。
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答案:

。

解析:

以为参数,,故

。

所以

。

  1. 设为曲线,取逆时针方向,,,,则的大小顺序为()

A.

B.

C.

D.

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答案:

A。

解析:

圆域面积为,圆心为。由格林公式:

;

;

。

故,选A。

  1. 已知有界闭区域由锥面与平面围成,计算三重积分
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答案:

。

解析:

柱坐标下,。展开平方后,含的交叉项对积分均为零,而。因此

。

  1. 设是空间圆周,则_____
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答案:

。

解析:

圆心为,半径为。圆周长为。

对圆周上位移向量,其所在平面法向量为。圆周平均满足

。

于是

。

同理,所以被积函数平均值为

。

乘以圆周长得所求积分。

  1. 设是球面与平面的交线,则_____
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答案:

。

解析:

该交线是单位大圆。取正交基

,

参数化为

。

则,,故

。

  1. 设为球面与平面的交线,计算
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答案:

。

解析:

圆心为,半径为。令

,

则在交线平面内,且

。

故

。

含的部分在圆周上的积分为零。圆周上,因此

。

乘以圆周长即得结果。

  1. 设,为的正向边界,则_____
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答案:

。

解析:

令。指数部分为

,

沿闭曲线积分为零。于是只需计算

。

令,,则

,

。

因此

。

  1. 设函数,二阶导数连续,,,且对于平面上任一简单闭曲线均有。(1)求,的表达式;(2)设为任一条从点到点的曲线,计算。
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答案:

(1)

,

;

(2)。

解析:

闭路积分恒为零,故微分形式为全微分。令分别为的系数,由得

。

比较的系数及常数项:

。

所以。结合、,解得上述。

势函数可取

。

故积分为

。

  1. 设为球面上的动点,球面在点处的法线与平面平行。(1)求点的轨迹的方程;(2)计算曲线积分
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答案:

(1)

(2)若按法向量确定正向,则积分为;反向时为。

解析:

球心为,点处法向量可取

。

“法线与平面平行”意味着该向量与平面法向量垂直,故

。

因此轨迹是过球心的大圆。

令向量场,则

。

取圆盘法向量,在平面上有

。

圆盘面积为,由斯托克斯公式得。原题未明确曲线方向,因此反向时符号相反。

  1. 已知为曲面的上侧,为的边界曲线,其方向与的正法向量满足右手法则,计算曲线积分
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答案:

。

解析:

令

。

则

。

曲面上侧写为,其有向面积向量为

。

故由斯托克斯公式

,

其中。

令,,则

。

  1. 设曲面与平面的交线为,起点为,终点为,则
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答案:

。

解析:

交线满足且。按从到的方向参数化为

。

代入后

。

后两项在上的积分均为零,故

。

  1. 设为曲线上从点到点的一段弧,则曲线积分
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答案:

。

解析:

分解微分形式:

。

第一部分积分为

。

令,,方向对应,则

。

相加即得结果。

  1. 设函数在区域上二阶偏导数连续,是取正向的边界曲线,则______。
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答案:

。

解析:

由格林公式

。

二阶偏导连续,故,被积函数等于。区域是半轴为和的椭圆,面积为。

  1. 设是一条简单封闭曲线(取正向),,其所围区域记为,的面积为,则。
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答案:

。

解析:

沿曲线有,因此

。

由格林公式

。

  1. 设为曲线,其中,且,从轴的正向看去,的方向为顺时针方向。当为何值时,最大?并求出最大值。
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答案:

时最大,最大值为

。

解析:

令,则

。

是半径为的大圆。按题给方向,从轴正向看为顺时针,因此与曲线方向相配的单位法向量应满足分量为负。

当时可取

;

当时可取

。

由斯托克斯公式,对有

。

其在内于取得最大值。而时所得值不超过,故全局最大值如上。

  1. 设函数具有一阶连续导数,且对右半平面内任意分段光滑简单闭曲线,均有。(1)求的表达式;(2)计算,
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答案:

(1)由已给条件只能确定时。

(2)按原题严格表述,积分不能唯一确定;若按通常命题意图补充在全实轴成立,且取正向,则积分为,反向时为。

解析:

令

。

在右半平面内闭路积分恒为零,故。整理得

。

比较的系数得,再比较项得,但该推导只在题设指定的区域内有效。椭圆经过左半平面,而题目没有给出时的,所以严格来说第(2)问信息不足。

若补充对所有实数成立,则微分形式可写为

。

正向绕椭圆一周时,复向量绕原点一周,辐角增量为,故积分为。原题也未明确方向,反向时符号相反。

  1. 设为从点到点的上半个圆周,,则
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答案:

。

解析:

将微分形式分解为

,

其中,为关于原点的连续极角。

从到,由变为,故第一部分为。沿上半圆弧,连续极角由减至,故第二部分为。相加得结论。

  1. 设有连续导数,且,若对于平面内的任意简单封闭曲线,均有曲线积分,则
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答案:

。

解析:

令,。闭路积分恒为零,故

,即

。

因此。结合,解得

。

  1. 设,。已知曲线积分与均在整个平面内与路径无关,且,求函数的极值。
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答案:

。

在处有极小值;点为鞍点,不是极值点;无极大值。

解析:

由路径无关,

,

所以

。

由路径无关,

,

故。由得。

驻点满足

,

即与。Hessian为

。

在处正定,故为极小点,极小值;在处行列式为负,故为鞍点。

  1. 设为球面被平面所截下的顶部,计算
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答案:

。

解析:

球半径。顶部关于平面对称,而关于为奇函数,故其积分为零。

球面坐标中,顶部对应

,

且。于是

。

  1. 设是由直线绕(为参数)旋转一周得到的曲面,是介于平面与之间部分的外侧。计算曲面积分
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答案:

。

解析:

旋转轴的单位向量为。原直线为轴,它与旋转轴夹角满足,故旋转所得锥面满足

。

在内形成圆锥。其高为,顶面半径为,体积为

。

向量场的散度为,故闭曲面总通量为

。

顶面外法向量为,且在上

。

顶面面积为,通量为。因此侧面通量为

。

  1. 设锥面的顶点是,准线是,直线过顶点和准线上任一点,是与平面所围成的锥体。求:(1)直线和的方程;(2)的形心坐标。
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答案:

(1)

;

。

(2)形心为

。

解析:

直线参数方程直接由两点式得到。直线上,故,进而

。

利用消去,得锥面方程。

在高度处,截面是圆心、半径的圆盘。由于关于对称,。每个截面内的平均值为,因此。实心圆锥的形心距底面为高的,故,从而。

  1. 设锥面的顶点为原点,准线为曲线。(1)求的方程;(2)计算,取上侧。
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答案:

(1),并取、的部分;

(2)。

解析:

准线上点可写为,故锥面参数方程为

。

消去得。

有

,

且

,

其分量为正,符合“上侧”。向量场为,代入、后点乘得

。

因此

。

  1. 设为实数,函数在点处沿方向的方向导数最大,最大值为,若为曲面被曲面所截取的部分。(1)求的值;(2)计算
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答案:

(1);

(2)。

解析:

在处

。

方向是最大方向,故梯度与其同向,从而。最大方向导数为梯度模

,

得。

圆柱面为

。

被圆锥截取的有限部分满足

。

将圆柱表示成两支。每支有

。

故

,

其中。利用Beta积分

,

,

得结果。

  1. 设是柱面介于平面,之间的部分,方向向外。记,,,则()

A.

B.

C.

D.

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答案:

B。

解析:

参数化,,,则。

;

。

外法向量的分量为,故

,

因为被积函数关于为奇函数。故。

  1. 设,,,其中具有一阶连续导数。为曲面与平面的交线,从轴正向往下看为逆时针方向,计算
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答案:

。

解析:

取抛物面上由围成的部分,题给方向对应上侧。计算旋度并与有向面积向量点乘后,含及的项相互抵消或关于为奇函数,最终只剩

。

投影域为

,

即

。

第二项关于为奇函数,积分为零。因此

。

圆域中心为,半径平方为。利用平行轴公式,

。

故。

  1. 设为曲面,分别为曲面的外法线向量与轴,轴的夹角,则
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答案:

。

解析:

单位上半球面的外单位法向量为,故

。

于是积分为

。

第一项关于为奇函数,在上半球面对称积分为零。球面坐标下第二项为

。

  1. 设曲面,取上侧,求曲面积分。
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答案:

。

解析:

曲面投影域为。记

。

因,上侧有向面积向量为

。

向量场与其点乘为

。

前一项关于或为奇函数,在圆盘上积分为零。因此

。

极坐标下

。