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微积分 / 中文

求立体图形体积

Charles队长 · 哔哩哔哩 · 1:20

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已审核学习内容 · 视频分析 · 中文
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该视频演示了如何计算由抛物面 z=x2+y2z = x^2 + y^2 和平面 z=x+yz = x + y 围成的立体体积。首先通过联立方程求出投影区域边界,确定积分上下限;接着将三重积分转化为二重积分;最后利用平移后的极坐标变换进行计算,得出最终体积为 π8\frac{\pi}{8}。

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章节

0:00题目展示与几何体构建0:25求解投影区域与积分上下限0:44建立二重积分并计算结果

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

本段演示如何求由曲面 z=x2+y2z=x^2+y^2 与平面 z=x+yz=x+y 所围成立体的体积。画面中展示了三维坐标系下的旋转抛物面和倾斜平面,两者相交形成一个封闭的立体图形。

为了确定积分范围,需要找到两曲面的交线在 xyxy 平面上的投影。令 x2+y2=x+yx^2+y^2=x+y,配方得到 (x−12)2+(y−12)2=12(x-\frac{1}{2})^2+(y-\frac{1}{2})^2=\frac{1}{2}。这是一个圆心在 (12,12)(\frac{1}{2}, \frac{1}{2}),半径为 22\frac{\sqrt{2}}{2} 的圆域。同时明确在该区域内,平面上方为上限,抛物面下方为下限。

根据定积分的几何意义,体积等于二重积分 V=∬D(x+y−x2−y2)dxdyV = \iint_D (x+y - x^2-y^2) dxdy。由于积分区域是偏离原点的圆,采用平移后的极坐标代换:x=12+rcos⁡θ,y=12+rsin⁡θx=\frac{1}{2}+r\cos\theta, y=\frac{1}{2}+r\sin\theta。代入化简后积分为 ∫02πdθ∫022r(12−r2)dr\int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\frac{\sqrt{2}}{2}} r(\frac{1}{2}-r^2) dr,最终计算得出体积为 π8\frac{\pi}{8}。

知识卡片

01

立体体积的二重积分公式

当立体由上下两个曲面 z=ftop(x,y)z=f_{top}(x,y) 和 z=fbottom(x,y)z=f_{bottom}(x,y) 以及侧面柱面围成时,其体积可以通过对它们在 xyxy 平面上的投影区域 DD 进行二重积分求得,被积函数为上下曲面之差。

V=∬D[ftop(x,y)−fbottom(x,y)]dxdyV = \iint_D [f_{top}(x,y) - f_{bottom}(x,y)] dx dy
02

投影区域的求解方法

求两曲面交线的投影,即消去变量 zz。本题中令 x2+y2=x+yx^2+y^2 = x+y,通过配方法将其化为标准圆方程,从而确定积分区域 DD 的形状、中心和半径。

x2+y2−x−y=0  ⟹  (x−12)2+(y−12)2=12x^2+y^2-x-y=0 \implies (x-\frac{1}{2})^2+(y-\frac{1}{2})^2=\frac{1}{2}
03

非原点中心的极坐标代换

当积分区域是中心不在原点的圆时,常规极坐标难以处理。此时可先平移坐标系使圆心移至原点,再使用极坐标。即令 x=x0+rcos⁡θ,y=y0+rsin⁡θx=x_0+r\cos\theta, y=y_0+r\sin\theta,雅可比行列式仍为 rr。

x=12+rcos⁡θ,y=12+rsin⁡θx = \frac{1}{2} + r\cos\theta, \quad y = \frac{1}{2} + r\sin\theta
04

本题的最终计算结果

经过坐标代换和化简,原被积函数变为 12−r2\frac{1}{2}-r^2(注意这里省略了部分代数推导细节,直接对应视频中的中间步骤),结合面积元素 rdrdθr dr d\theta,完成定积分计算。

V=π8V = \frac{\pi}{8}

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  • 定积分 应用定位 0:46
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    已审核体积卡在投影区域上积分上曲面减下曲面的高度。对 z=x+yz=x+y 与 z=x2+y2z=x^2+y^2,投影为 (x−1/2)2+(y−1/2)2≤1/2(x-1/2)^2+(y-1/2)^2\le1/2,该区域内高度非负;平移后的极坐标代换保留雅可比因子r,得到体积 π/8\pi/8。这是二重积分的体积应用。

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