人邮高数 第7章 第7-4-4题

教材习题

📝 题目

4.求匀质抛物面壳 $\displaystyle z=x^{2}+y^{2}\left(0 \leqslant z \leqslant \frac{1}{4}\right)$ 的质心。

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答]
设匀质抛物面壳的面密度为常数 $\rho$,其方程为
$$
z = x^2 + y^2, \quad 0 \le z \le \frac14.
$$
由于曲面关于 $z$ 轴对称,质心坐标 $(\bar{x}, \bar{y}, \bar{z})$ 中显然有
$$
\bar{x} = 0,\quad \bar{y} = 0.
$$
只需计算 $\bar{z}$。

---

第一步:曲面面积元素
曲面 $z = f(x,y) = x^2 + y^2$,则
$$
\frac{\partial z}{\partial x} = 2x,\quad \frac{\partial z}{\partial y} = 2y,
$$
面积元素
$$
\mathrm{d}S = \sqrt{1 + (2x)^2 + (2y)^2}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y
= \sqrt{1 + 4(x^2 + y^2)}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y.
$$
在极坐标下,$x = r\cos\theta,\; y = r\sin\theta$,且 $z = r^2$,条件 $0 \le z \le \frac14$ 给出 $0 \le r \le \frac12$。
于是
$$
\mathrm{d}S = \sqrt{1 + 4r^2}\; r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta.
$$

---

第二步:总质量
$$
M = \iint_S \rho\,\mathrm{d}S
= \rho \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta \int_{0}^{1/2} r\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r.
$$
先计算内层积分:令 $u = 1+4r^2$,则 $\mathrm{d}u = 8r\,\mathrm{d}r$,当 $r=0$ 时 $u=1$,$r=1/2$ 时 $u=2$,
$$
\int_{0}^{1/2} r\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r
= \int_{1}^{2} \sqrt{u}\,\frac{\mathrm{d}u}{8}
= \frac18 \cdot \frac{2}{3} u^{3/2}\Big|_{1}^{2}
= \frac{1}{12}(2^{3/2} - 1).
$$
因此
$$
M = \rho \cdot 2\pi \cdot \frac{1}{12}(2\sqrt{2} - 1)
= \frac{\pi\rho}{6}(2\sqrt{2} - 1).
$$

---

**第三步:对 $z$ 的静矩**
$$
M_{xy} = \iint_S z\,\rho\,\mathrm{d}S
= \rho \iint_S (x^2 + y^2)\,\mathrm{d}S
= \rho \int_{0}^{2\pi} \mathrm{d}\theta \int_{0}^{1/2} r^2 \cdot r\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r
= 2\pi\rho \int_{0}^{1/2} r^3\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r.
$$
计算内层积分:令 $u = 1+4r^2$,则 $r^2 = \frac{u-1}{4}$,$r\,\mathrm{d}r = \frac{\mathrm{d}u}{8}$,于是
$$
r^3\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r = r^2 \cdot \sqrt{u} \cdot r\,\mathrm{d}r
= \frac{u-1}{4} \cdot \sqrt{u} \cdot \frac{\mathrm{d}u}{8}
= \frac{1}{32}(u^{3/2} - u^{1/2})\,\mathrm{d}u.
$$
积分限:$r=0 \Rightarrow u=1$,$r=1/2 \Rightarrow u=2$,
$$
\int_{0}^{1/2} r^3\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r
= \frac{1}{32} \int_{1}^{2} (u^{3/2} - u^{1/2})\,\mathrm{d}u
= \frac{1}{32} \left[ \frac{2}{5}u^{5/2} - \frac{2}{3}u^{3/2} \right]_{1}^{2}.
$$
计算:
当 $u=2$:
$$
\frac{2}{5} \cdot 2^{5/2} - \frac{2}{3} \cdot 2^{3/2}
= \frac{2}{5} \cdot 4\sqrt{2} - \frac{2}{3} \cdot 2\sqrt{2}
= \frac{8\sqrt{2}}{5} - \frac{4\sqrt{2}}{3}
= \sqrt{2}\left( \frac{24}{15} - \frac{20}{15} \right)
= \frac{4\sqrt{2}}{15}.
$$
当 $u=1$:
$$
\frac{2}{5} \cdot 1 - \frac{2}{3} \cdot 1 = \frac{2}{5} - \frac{2}{3}
= \frac{6}{15} - \frac{10}{15} = -\frac{4}{15}.
$$
相减得
$$
\frac{4\sqrt{2}}{15} - \left(-\frac{4}{15}\right) = \frac{4(\sqrt{2}+1)}{15}.
$$
于是
$$
\int_{0}^{1/2} r^3\sqrt{1+4r^2}\,\mathrm{d}r
= \frac{1}{32} \cdot \frac{4(\sqrt{2}+1)}{15}
= \frac{\sqrt{2}+1}{120}.
$$
因此
$$
M_{xy} = 2\pi\rho \cdot \frac{\sqrt{2}+1}{120}
= \frac{\pi\rho(\sqrt{2}+1)}{60}.
$$

---

第四步:质心竖坐标
$$
\bar{z} = \frac{M_{xy}}{M}
= \frac{\displaystyle \frac{\pi\rho(\sqrt{2}+1)}{60}}
{\displaystyle \frac{\pi\rho}{6}(2\sqrt{2} - 1)}
= \frac{\sqrt{2}+1}{60} \cdot \frac{6}{2\sqrt{2} - 1}
= \frac{\sqrt{2}+1}{10(2\sqrt{2} - 1)}.
$$
有理化分母:
$$
2\sqrt{2} - 1 \quad\text{乘共轭}\quad 2\sqrt{2} + 1,
$$
$$
\bar{z} = \frac{(\sqrt{2}+1)(2\sqrt{2}+1)}{10[(2\sqrt{2})^2 - 1^2]}
= \frac{(\sqrt{2}+1)(2\sqrt{2}+1)}{10(8 - 1)}
= \frac{(\sqrt{2}+1)(2\sqrt{2}+1)}{70}.
$$
展开分子:
$$
(\sqrt{2}+1)(2\sqrt{2}+1) = 2\cdot 2 + \sqrt{2} + 2\sqrt{2} + 1
= 4 + 3\sqrt{2} + 1 = 5 + 3\sqrt{2}.
$$
所以
$$
\bar{z} = \frac{5 + 3\sqrt{2}}{70}.
$$

---

最终结果
$$
\boxed{(0,\;0,\;\frac{5+3\sqrt{2}}{70})}.
$$

---

难度:★★★☆☆
(涉及曲面面积元素、极坐标变换、换元积分及有理化化简,计算量中等,思路常规。)

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:确定对称性,简化质心坐标
由于曲面关于z轴对称,且面密度均匀,质心在z轴上,故x̄=0, ȳ=0。只需计算z̄。
提示:对称性可减少计算量。
步骤 2/5
目标:写出曲面面积元素dS
曲面z=x²+y²,偏导∂z/∂x=2x,∂z/∂y=2y,面积元素dS=√(1+4x²+4y²)dxdy。在极坐标下,x=rcosθ,y=rsinθ,z=r²,0≤z≤1/4对应0≤r≤1/2,dS=√(1+4r²) r dr dθ。
公式:dS = √(1+4r²) r dr dθ
提示:极坐标变换简化积分。
步骤 3/5
目标:计算总质量M
M = ∬_S ρ dS = ρ ∫₀²π dθ ∫₀^{1/2} r√(1+4r²) dr。内层积分:令u=1+4r²,du=8r dr,积分得(1/12)(2√2-1)。故M = (πρ/6)(2√2-1)。
公式:M = (πρ/6)(2√2-1)
提示:换元积分注意上下限变化。
步骤 4/5
目标:计算对z轴的静矩M_xy
M_xy = ∬_S z ρ dS = ρ ∫₀²π dθ ∫₀^{1/2} r²·r√(1+4r²) dr = 2πρ ∫₀^{1/2} r³√(1+4r²) dr。令u=1+4r²,r²=(u-1)/4,r dr=du/8,积分得(√2+1)/120。故M_xy = πρ(√2+1)/60。
公式:M_xy = πρ(√2+1)/60
提示:注意r³√(1+4r²) dr的换元。
步骤 5/5
目标:计算质心竖坐标z̄
z̄ = M_xy / M = [πρ(√2+1)/60] / [πρ(2√2-1)/6] = (√2+1)/(10(2√2-1))。有理化分母得(5+3√2)/70。
公式:z̄ = (5+3√2)/70
提示:有理化时乘共轭。

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