面積分の問題です。

質問

放物面S：z=x^2+y^2、(x^2+y^2<=4)について、
(1)この曲面の表面積
(2)この曲面上でのφ=zの面積分
(3)この曲面上でのベクトル場A=yi-xj+z^2kの面積分
の求め方を教えてください。

回答No.1

info22_ · ベストアンサー

(1)
S:{(x,y,z)|z=x^2+y^2≦4}
D:{(x,y)|x^2+y^2≦4}
z=x^2+y^2
z_x=2x, z_y=2y
S1=∬[S] dS
=∬D √{1+(z_x)^2+(z_y)^2} dxdy
=∬D √{1+4x^2+4y^2} dxdy
x=rcosθ, y=rsinθとおくと
z=r^2≦4
0≦r≦2,0≦θ≦2π
D → E:{(r,θ)|0≦r≦2, 0≦θ≦2π}
√{1+4x^2+4y^2} dxdy=√(1+4r^2) rdrdθ
であるから
S1=∬[E} r√(1+4r^2) drdθ
=∫[θ:0→2π] dθ∫[r:0→2] r√(1+4r^2) dr
=2π[(2/3)(1/8)(1+4r^2)^(3/2)][r:0→2]
={17(√17)-1}π/6 ←（答え）

(2)
S:{(x,y,z)|z=x^2+y^2,z≦4}
D:{(x,y)|x^2+y^2≦4}
z=x^2+y^2
z_x=2x, z_y=2y
S2=∬[S] φdS
=∬[D} z√{1+(z_x)^2+(z_y)^2}dxdy
=∬[D] (x^2+y^2)√(1+4x^2+4y^2)dxdy

x=rcosθ, y=rsinθとおけば
(x^2+y^2)√(1+4x^2+4y^2)dxdy
=(r^2)√(1+4r^2) rdrdθ=(r^3)√(1+4r^2)drdθ
D → E:{(r,θ)|0≦r≦2,0≦θ≦2π}
S2=∬[E] (r^3)√(1+4r^2)drdθ
=∫[θ:0→2π] dθ∫[r:0→2](r^3)√(1+4r^2)dr
=2π∫[r:0→2](r^3)√(1+4r^2)dr
=2π[(1/120)(6r^2-1)(1+4r^2)^(3/2)][r:0→2]
=(391(√17)+1)π/60 ←（答え）

(3)
S:{(x,y,z)|z=x^2+y^2,z≦4}
D:{(x,y)|x^2+y^2≦4}
z=x^2+y^2
z_x=2x, z_y=2y

S3=∬[S] A↑・n↑dS
=∬[S] (y,-x,z^2)・(-2x,-2y,1)/√(1+4x^2+4y^2) dS
=∬[D] (-2xy+2xy+x^2+y^2)dxdy
=∬[D] (x^2+y^2)dxdy

x=rcosθ, y=rsinθとおくと
D → E:{r,θ)|0≦r≦2,0≦θ≦2π}
S3=∬[E] (r^2) rdrdθ
=∫[θ:0→2π] dθ∫[r:0→2] (r^3)dr
=2π[(1/4)r^4][r:0→2]
=8π　←（答え）

お礼

分かりやすいご説明ありがとうございました。

回答No.2

alice_44

雑談：
同じように「面積分」と呼んでしまうが、
スカラーを積分するときは、dS がスカラー ｜d(x,y)｜、
ベクトルを積分するときは、dS がベクトル d(x,y) で、
積 A dS が内積なんだよねえ。
やや用語が混乱ぎみではあるのだけれど、
物理でよく使うものに簡潔な名前を与えた結果、
こうなってしまっている。しかたがないやね。
そこの定義を確認して、頭を整理しとけば、
積分計算自体は、粛々と処理するだけ。