设曲面S:|x|+|y|+|z|=1,则有()。A. iint_(S)dS=2sqrt(3)B. iint_(S)dS=(sqrt(3))/(2)C. iint_(S)dS=4sqrt(3)D. iint_(S)dS=8sqrt(3)
A. $\iint_{S}dS=2\sqrt{3}$
B. $\iint_{S}dS=\frac{\sqrt{3}}{2}$
C. $\iint_{S}dS=4\sqrt{3}$
D. $\iint_{S}dS=8\sqrt{3}$
题目解答
答案
解析
本题考查第一类曲面积分的计算,解题思路是先分析曲面$S:|x| + |y| + |z| = 1$的对称性,然后求出其中一个部分的面积,最后根据对称性得到整个曲面的面积。
步骤一:分析曲面的对称性
曲面$S:|x| + |y| + |z| = 1$关于$xOy$平面、$yOz$平面、$xOz$平面对称,因此我们只需要计算曲面在第一卦限部分$S_1$的面积,然后乘以$8$就可以得到整个曲面$S$的面积。
在第一卦限中,$x\geq0$,$y\geq0$,$z\geq0$,此时曲面方程为$x + y + z = 1$,即$z = 1 - x - y$。
步骤二:计算$S_1$在$xOy$平面上的投影区域$D_{xy}$
在第一卦限中,$z = 0$时,$x + y = 1$,所以$D_{xy}$是由$x = 0$,$y = 0$和$x + y = 1$所围成的三角形区域,其范围为$0\leq x\leq 1$,$0\leq y\leq 1 - x$。
步骤三:计算$S_1$的面积
根据第一类曲面积分的计算公式$\iint_{S_1}dS = \iint_{D_{xy}}\sqrt{1 + z_{x}^{2} + z_{y}^{2}}dxdy$,其中$z_{x}$和$z_{y}$分别是$z$对$x$和$y$的偏导数。
对$z = 1 - x - y$求偏导数:
$z_{x} = \frac{\partial z}{\partial x} = -1$,$z_{y} = \frac{\partial z}{\partial y} = -1$。
则$\sqrt{1 + z_{x}^{2} + z_{y}^{2}} = \sqrt{1 + (-1)^{2} + (-1)^{2}} = \sqrt{3}$。
所以$\iint_{S_1}dS = \iint_{D_{xy}}\sqrt{3}dxdy = \sqrt{3}\iint_{D_{xy}}dxdy$。
而$\iint_{D_{xy}}dxdy$表示投影区域$D_{xy}$的面积,$D_{xy}$是一个底为$1$,高为$1$的三角形,其面积为$\frac{1}{2}\times1\times1 = \frac{1}{2}$。
因此,$\iint_{S_1}dS = \sqrt{3}\times\frac{1}{2} = \frac{\sqrt{3}}{2}$。
步骤四:计算整个曲面$S$的面积
由于曲面$S$关于三个坐标平面对称,所以$\iint_{S}dS = 8\iint_{S_1}dS = 8\times\frac{\sqrt{3}}{2} = 4\sqrt{3}$。