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我们来计算第一个曲面积分。积分区域是柱面x平方加y平方等于1被平面z等于0和z等于3所截得的第一象限部分的外侧。首先,我们需要确定曲面的参数化表示。对于柱面,我们可以使用参数方程r等于cos θ,sin θ,z,其中θ从0到π/2,z从0到3。这样就描述了第一象限中的柱面部分。
接下来,我们需要计算曲面的法向量。首先计算参数曲面的切向量。对θ的偏导为负sin θ,cos θ,0。对z的偏导为0,0,1。这两个切向量的叉积给出法向量,结果是cos θ,sin θ,0。这个法向量指向柱面的外侧,与我们需要的方向一致。因此,微分面积元为cos θ,sin θ,0乘以dθ乘以dz。
现在我们来计算积分。被积向量场F等于xz, yz, z平方。在参数化曲面上,x等于cos θ,y等于sin θ,z等于z,所以F等于z cos θ,z sin θ,z平方。积分表达式为F点乘微分面积元,即F点乘cos θ,sin θ,0乘以dθ乘以dz。计算点乘,得到z cos平方θ加z sin平方θ,根据三角恒等式,这等于z。因此,积分变为在区域D上对z进行积分,其中D是θ从0到π/2,z从0到3的矩形区域。计算内层积分,得到π/2乘以z。然后计算外层积分,得到π/2乘以z平方除以2,从0到3求值,结果为9π/4。
现在我们来计算第二个曲面积分。积分区域是锥面z等于根号下x平方加y平方上满足x大于等于0,y大于等于0,z小于等于1的那一部分的下侧。首先,我们确定曲面方程为z等于根号下x平方加y平方,以及投影区域D为第一象限中x平方加y平方小于等于1的部分,即四分之一个单位圆盘。注意,这里要求计算下侧的积分,所以法向量方向需要特别注意。
接下来,我们计算偏导数和法向量。对x的偏导为x除以z,对y的偏导为y除以z。由于要计算下侧的积分,法向量为偏导x,偏导y,负1。然后,我们将曲面积分转换为二重积分。根据公式,曲面积分等于在投影区域D上对P乘以偏导x加Q乘以偏导y减R进行积分。代入P等于x平方加y平方,Q等于z,R等于z,以及偏导数表达式,得到积分式为x乘以x平方加y平方除以z加y减z。将z等于根号下x平方加y平方代入,得到x乘以根号下x平方加y平方加y减根号下x平方加y平方。由于投影区域是四分之一个单位圆盘,我们使用极坐标来计算这个二重积分。最终计算得到积分结果为七分之十二减π除以六。