设为椭球面上的动点,若在点处的切平面与面垂直,求点的轨迹,并计算曲面积分,其中是椭球面位于曲线上方的部分。
答案
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(1)求轨迹。令 ,法向量为 。若梯度为零,则 ,不在椭球面上,因此该曲面处处正则。切平面与 平面垂直,等价于其法向量与 垂直,即 。代入曲面方程,得
(2)确定上片与投影。将曲面方程看作关于 的二次方程,得
上片 取正号,投影区域为椭圆盘 ,两片在 上相接。
(3)化投影积分。在 的内部,上片满足 ,隐函数求导给出 、,因此
在曲面上利用 ,有
分母恰为 ,故内部的被积表达式与面积元相乘后化为 。边界曲线 上虽有 ,但不能在那里直接相除; 的曲面面积为零,原被积函数在光滑紧致椭球面上连续,故可先在内部截取后取极限,得到整个曲面积分
关于 轴对称, 项积分为零。椭圆半轴为 ,面积为 ,所以 。