微分積分
II
補助演習問題No. 12
解答例1 6
つの平面x = 0, y = 0, z = 0, x = 1, y = 1, z = 1
で囲まれる立方体の領域をG,
その表面をS
とする.
ベクトル場a(x, y, z) = xy i + y j + z 2 k
に対してdiv a = y + 1 + 2z
なので,
ガウスの発散定理より∫∫
S
a · n dS =
∫∫
G
div a dxdydz
=
∫ 1 0
(∫ 1 0
(∫ 1 0
(y + 1 + 2z) dz )
dy )
dx =
∫ 1 0
(∫ 1 0
(y + 2) dy )
dx = 5 2
を得る.
2
曲面S
で囲まれる円柱領域をG
とする.
ベクトル場a(x, y, z) = (2x + y + 2z) i + (4y + x − 3z) j + ( − 5z + 2x − 3y) k
に対して,
div a = 2 + 4 − 5 = 1
となるので,
ガウスの発散定理より∫∫
S
a · n dS =
∫∫
G
div a dxdydz =
∫∫
G
dxdydz = πa 2 h
となる.
3
曲面S : z = x 2 + y 2 , z ≤ 4
の他に,
曲面S 0 : z = 4, x 2 + y 2 ≤ 4
を考えて, S
とS 0
とで囲まれる領域をG
とする. S 0
上での単位法線ベクトルをn = k
とする.
ベクトル場a(x, y, z) = xz i − 3yz j + z 2 k
に対して,
div a = z − 3z + 2z = 0
であることに注意して
,
ガウスの発散定理を用いることで,
∫∫
S
a · n dS +
∫∫
S
0a · n dS =
∫∫∫
G
div a dxdydz = 0
を得る