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  • 一道求三元函数在空间区域上平均值的题目

    求函数$f(x,y,z)=x^2+y^2+z^2$在区域$Omega: x^2+y^2+z^2leqslant x+y+z$内的平均值.

    解: 所求平均值可以通过函数在区域内的积分除以区域体积来计算.
    此区域形状不容易直接看出, 稍作变形即可得到区域$Omega$的刻画为
    [
    (x-frac{1}{2})^2+(y-frac{1}{2})^2+(z-frac{1}{2})^2leqslantfrac{3}{4}.
    ]

    区域$Omega$为一个球体, 易知体积为$frac{sqrt{3}pi}{2}$.
    为计算函数的积分, 作如下积分变量替换:
    egin{align*}
    x= & frac{1}{2}+rsinvarphicos heta, \
    y= & frac{1}{2}+rsinvarphisin heta, \
    z= & frac{1}{2}+rcosvarphi,
    end{align*}
    计算出
    [
    J=frac{partial(x,y,z)}{partial(r,varphi, heta)}=r^2sinvarphi.
    ]

    计算函数积分如下:
    egin{align*}
    I= & iiint_Omega(x^2+y^2+z^2){ m d}V \
    = & int_{0}^{2pi}{ m d} hetaint_{0}^{pi}{ m d}varphiint_{0}^{frac{sqrt{3}}{2}}
    ig[(frac{1}{2}+rsinvarphicos heta)^2+(frac{1}{2}+rsinvarphisin heta)^2
    +(frac{1}{2}+rcosvarphi)^2ig]|J|{ m d}r\
    = & int_{0}^{2pi}{ m d} hetaint_{0}^{pi}{ m d}varphiint_{0}^{frac{sqrt{3}}{2}}
    ig[frac{3}{4}+rsinvarphicos heta+rsinvarphisin heta+rcosvarphi+r^2ig]
    r^2sinvarphi{ m d}r\
    = & frac{3sqrt{3}pi}{5}.
    end{align*}

    因此所求平均值为
    [
    frac{frac{3sqrt{3}pi}{5}}{frac{sqrt{3}pi}{2}}=frac{6}{5}.
    ]

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/yinjc/p/4787800.html
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