m01 三重积分换元与对称性
Ω: x² + y²/4 + z²/9 ≤ 1,0 ≤ z ≤ 1,求 I = ∭Ω z² dV。
错因/卡点:把椭球缩放成球后,直接套用了轮换对称。附加条件会让变换后的区域不再关于坐标面轮换对称。
正确解法
球面参数化:由于积分区域是椭球 \[\Omega:\frac{x^{2}}{1}+\frac{y^{2}}{4}+\frac{z^{2}}{9}\leq 1,\quad 0\leq z\leq 1\] 最自然的换元就是把它拉成球: \[ \begin{cases} x=r\sin\varphi\cos\theta,\ y=2r\sin\varphi\sin\theta,\ z=3r\cos\varphi, \end{cases} \qquad 0\leq r\leq 1. \] 这样 \[x^{2}+\frac{y^{2}}{4}+\frac{z^{2}}{9}=r^{2}\leq 1.\]
限制 z 的范围: \[0\leq z\leq 1\Rightarrow 0\leq 3r\cos\varphi\leq 1\Rightarrow 0\leq r\cos\varphi\leq\frac{1}{3}.\]
写出 I: \[\iiint_{\Omega}z^{2}\,dV=\iiint 9r^{2}\cos^{2}\varphi\cdot 6r^{2}\sin\varphi\,dr\,d\theta\,d\varphi.\]
积分区域: \[r\cos\varphi\geq 0\Rightarrow\varphi\in[0,\pi/2],\quad r\cos\varphi\leq\frac{1}{3}.\] 先对 r 积分: \[\int_{0}^{\min(1,\frac{1}{3\cos\varphi})}r^{4}\,dr.\]
真正的考点——轮换对称何时失效:轮换对称只适用于三种情况:(1)积分区域关于坐标面(或坐标轴)对称,且被积函数满足相应的奇偶性;(2)积分区域关于变量轮换对称(如 x↔y 对称)且被积函数也关于 x↔y 对称,此时 \(\iiint x\,dV=\iiint y\,dV\);(3)积分区域是球、圆柱等完全对称形状,被积函数是 x²、y²、z² 这种形式,可写成 \(\iiint x^{2}\,dV=\frac{1}{3}\iiint(x^{2}+y^{2}+z^{2})\,dV\)。本题被积函数是 \(z^{2}\) 只跟 z 有关,不能写成 \(\frac{1}{3}\iiint(x^{2}+y^{2}+z^{2})\,dV\)。根本原因:积分区域的对称性和被积函数的对称性不匹配。另外用"先二后一"截面法也可直接算得 \[I = 54\pi\int_0^{1/3}(w^2-w^4)\,dw = \frac{28\pi}{45}.\]
限制 z 的范围: \[0\leq z\leq 1\Rightarrow 0\leq 3r\cos\varphi\leq 1\Rightarrow 0\leq r\cos\varphi\leq\frac{1}{3}.\]
写出 I: \[\iiint_{\Omega}z^{2}\,dV=\iiint 9r^{2}\cos^{2}\varphi\cdot 6r^{2}\sin\varphi\,dr\,d\theta\,d\varphi.\]
积分区域: \[r\cos\varphi\geq 0\Rightarrow\varphi\in[0,\pi/2],\quad r\cos\varphi\leq\frac{1}{3}.\] 先对 r 积分: \[\int_{0}^{\min(1,\frac{1}{3\cos\varphi})}r^{4}\,dr.\]
真正的考点——轮换对称何时失效:轮换对称只适用于三种情况:(1)积分区域关于坐标面(或坐标轴)对称,且被积函数满足相应的奇偶性;(2)积分区域关于变量轮换对称(如 x↔y 对称)且被积函数也关于 x↔y 对称,此时 \(\iiint x\,dV=\iiint y\,dV\);(3)积分区域是球、圆柱等完全对称形状,被积函数是 x²、y²、z² 这种形式,可写成 \(\iiint x^{2}\,dV=\frac{1}{3}\iiint(x^{2}+y^{2}+z^{2})\,dV\)。本题被积函数是 \(z^{2}\) 只跟 z 有关,不能写成 \(\frac{1}{3}\iiint(x^{2}+y^{2}+z^{2})\,dV\)。根本原因:积分区域的对称性和被积函数的对称性不匹配。另外用"先二后一"截面法也可直接算得 \[I = 54\pi\int_0^{1/3}(w^2-w^4)\,dw = \frac{28\pi}{45}.\]