
为了求解三重积分∫∫∫z^2dv,我们首先考虑所给定的积分区域。该区域由两个球体界定,分别为x^2+y^2+z^2<=1和x^2+y^2+z^2<=2z。为了简化计算,我们采用球坐标系进行计算。
在球坐标系中,我们有x = r sinφ cosθ,y = r sinφ sinθ,z = r cosφ,其中r是径向坐标,φ是极角,θ是方位角。体积元dV = r^2sinφ drdφdθ。为了方便计算,我们先将原积分区域方程转换为球坐标系下的形式。根据题目给定的条件,我们有r^2 = 2z,即r^2 = 2rcosφ,进一步得到r = 2cosφ。
接下来,我们确定积分范围。由于整个球面在xOy面上,因此φ的取值范围为0到π/2。θ的取值范围为0到2π。r的取值范围由r = 2cosφ给出,即0到2cosφ。
将这些信息代入三重积分的计算公式中,我们得到:
∫∫∫z^2dv = ∫(0,2π)dθ ∫(0,π/2)sinφdφ ∫(0,2cosφ)r^4dr。
接下来,我们对上述积分进行计算。首先计算r的积分部分:
∫(0,2cosφ)r^4dr = (1/5)r^5|(0,2cosφ) = (1/5)(2cosφ)^5 = (32/5)cos^5φ。
接下来计算φ的积分部分:
∫(0,π/2)sinφ * (32/5)cos^5φ dφ = (32/5)∫(0,π/2)sinφcos^5φ dφ。
利用换元法,令u = cosφ,则du = -sinφdφ。因此,积分变为:
(32/5)∫(1,0)u^5(-du) = (32/5)∫(0,1)u^5du = (32/5) * (1/6)u^6|(0,1) = (32/5) * (1/6) = 16/15。
最后,我们计算θ的积分部分:
∫(0,2π)16/15dθ = 16/15θ|(0,2π) = 16/15 * 2π = 32π/15。
因此,三重积分∫∫∫z^2dv的结果为32π/15。