生物学D重积分的应用

生物学D重积分的应用第1页/共31页一、立体体积

曲顶柱体的顶为连续曲面则其体积为

占有空间有界域

的立体的体积为机动目录上页下页返回结束第2页/共31页任一点的切平面与曲面所围立体的体积V.解:

曲面的切平面方程为它与曲面的交线在

xoy

面上的投影为(记所围域为D)在点例1.求曲面机动目录上页下页返回结束第3页/共31页例2.求半径为a

的球面与半顶角为的内接锥面所围成的立体的体积.解:在球坐标系下空间立体所占区域为则立体体积为机动目录上页下页返回结束第4页/共31页二、曲面的面积设光滑曲面则面积A可看成曲面上各点处小切平面的面积dA无限积累而成.设它在D

上的投影为d

,(称为面积元素)则机动目录上页下页返回结束第5页/共31页故有曲面面积公式若光滑曲面方程为则有即机动目录上页下页返回结束第6页/共31页若光滑曲面方程为若光滑曲面方程为隐式则则有且机动目录上页下页返回结束第7页/共31页例3.计算双曲抛物面被柱面所截解:

曲面在

xoy

面上投影为则出的面积A.机动目录上页下页返回结束第8页/共31页例4.计算半径为a的球的表面积.解:设球面方程为球面面积元素为方法2利用直角坐标方程.(见书P109)方法1利用球坐标方程.机动目录上页下页返回结束第9页/共31页三、物体的质心设空间有n个质点,其质量分别由力学知,该质点系的质心坐标设物体占有空间域

,有连续密度函数则公式,分别位于为为即:采用“大化小,常代变,近似和,取极限”可导出其质心机动目录上页下页返回结束第10页/共31页将分成

n

小块,将第k块看作质量集中于点例如,令各小区域的最大直径系的质心坐标就近似该物体的质心坐标.的质点,即得此质点在第k块上任取一点机动目录上页下页返回结束第11页/共31页同理可得则得形心坐标：机动目录上页下页返回结束第12页/共31页若物体为占有xoy面上区域D的平面薄片,(A

为D

的面积)得D

的形心坐标:则它的质心坐标为其面密度—对x

轴的

静矩—对y

轴的

静矩机动目录上页下页返回结束第13页/共31页例5.求位于两圆和的质心.

解:

利用对称性可知而之间均匀薄片机动目录上页下页返回结束第14页/共31页例6.一个炼钢炉为旋转体形,剖面壁线的方程为内储有高为

h

的均质钢液,解:利用对称性可知质心在z

轴上，采用柱坐标,则炉壁方程为因此故自重,求它的质心.若炉不计炉体的其坐标为机动目录上页下页返回结束第15页/共31页机动目录上页下页返回结束第16页/共31页四、物体的转动惯量设物体占有空间区域,有连续分布的密度函数该物体位于(x,y,z)处的微元因此物体对z轴的转动惯量:对z轴的转动惯量为因质点系的转动惯量等于各质点的转动惯量之和,故连续体的转动惯量可用积分计算.机动目录上页下页返回结束第17页/共31页类似可得:对x

轴的转动惯量对y

轴的转动惯量对原点的转动惯量机动目录上页下页返回结束第18页/共31页如果物体是平面薄片,面密度为则转动惯量的表达式是二重积分.机动目录上页下页返回结束第19页/共31页例7.求半径为a的均匀半圆薄片对其直径解:建立坐标系如图,半圆薄片的质量的转动惯量.机动目录上页下页返回结束第20页/共31页解:

取球心为原点,z轴为l

轴,则球体的质量例8.求均匀球体对于过球心的一条轴

l

的转动惯量.设球所占域为(用球坐标)机动目录上页下页返回结束第21页/共31页

G

为引力常数五、物体的引力设物体占有空间区域,物体对位于原点的单位质量质点的引力利用元素法,在上积分即得各引力分量:其密度函数引力元素在三坐标轴上的投影分别为机动目录上页下页返回结束第22页/共31页对xoy面上的平面薄片D,它对原点处的单位质量质点的引力分量为机动目录上页下页返回结束第23页/共31页例9.设面密度为μ,半径为R的圆形薄片求它对位于点解:由对称性知引力处的单位质量质点的引力.。机动目录上页下页返回结束第24页/共31页例10.求半径R的均匀球对位于的单位质量质点的引力.解:

利用对称性知引力分量点机动目录上页下页返回结束第25页/共31页为球的质量机动目录上页下页返回结束第26页/共31页作业P96

7，10,17P116

1，3，6,11,13,14习题课目录上页下页返回结束第27页/共31页(t

为时间)的雪堆在融化过程中,其侧面满足方程设长度单位为厘米,时间单位为小时,设有一高度为已知体积减少的速率与侧面积成正比(比例系数0.9),问高度为130cm

的雪堆全部融化需要多少小时?(2001考研)机动目录上页下页返回结束备用题第28页/共31页提示:记雪堆体积为V,侧面积为S,则(用极坐