T19 斜棱锥 Jacobian 换元
设 Ω 为锥面 x2+(y−z)2=(1−z)2 与平面 z=0 所围成的斜棱锥体,求 Ω 的形心坐标。
- 由对称性有 xˉ=0
- 引入柱坐标变换 ⎩⎨⎧x=rcosθy−z=rsinθz=z,则锥面方程化为 r2=(1−z)2
- 计算 Jacobian 行列式 J=∂r∂x∂r∂y∂r∂z∂θ∂x∂θ∂y∂θ∂z∂z∂x∂z∂y∂z∂z=cosθsinθ0−rsinθrcosθ00−11=r
- 故体积微元 dV=∣J∣drdθdz=rdrdθdz
- 计算体积 V=∭ΩdV=∫02πdθ∫01dz∫01−zrdr=3π
- 计算 yˉ=V1∭ΩydV=V1∫02πdθ∫01dz∫01−z(rsinθ+z)rdr=41
- 计算 zˉ=V1∭ΩzdV=V1∫02πdθ∫01dz∫01−zzrdr=41