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三重積分と円柱・球座標

密度 δ(x,y,z)0\delta(x,y,z)\ge0 の立体 EE の質量は M=EδdVM=\iiint_E\delta\,dV、体積は E1dV\iiint_E1\,dV です。重心は例えば xˉ=M1ExδdV\bar x=M^{-1}\iiint_Ex\delta\,dV で定めます。

三次元座標内で半径ρ、方位角θ、極角φを示す球座標の図
この記事ではθをxy平面内の方位角、φを正のz軸から測る極角として固定します。
Q基本:直方体★☆☆
[0,1]×[0,2]×[0,3][0,1]\times[0,2]\times[0,3] 上で1を積分してください。
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三辺の積です。
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0102031dzdydx=6\int_0^1\int_0^2\int_0^3 1\,dz\,dy\,dx=6 です。
Q標準:円柱の質量★★☆
単位円柱 r1,0z2r\le1,0\le z\le2 の密度が δ=z\delta=z のとき質量を求めてください。
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dV=rdrdθdzdV=r\,dr\,d\theta\,dz
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0202π01zrdrdθdz=2π\int_0^2\int_0^{2\pi}\int_0^1zr\,dr\,d\theta\,dz=2\pi です。
Q発展:球の平均二乗距離★★★
半径 RR の球で ρ2\rho^2 の平均値を求めてください。
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ρ2dV\iiint\rho^2dV を球の体積で割ります。
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分子は 4πR554\pi \frac{R^5}{5}、体積は 4πR334\pi \frac{R^3}{3} なので平均は 3R25\frac{3R^2}{5} です。