首先,根据题目给定的积分区域$D=\{(x,y)|0\le x\le 1,\, x^2\le y\le \sqrt{x}\}$,我们构造一个对称区域$D_0$,其定义为:
$$D_0=\{(x,y)|0\le x\le 1,\, x^2\le y\le \sqrt{x}\}.$$
注意,这个$D_0$实际上与$D$完全相同,但我们需要分析其对称性。观察区域$D_0$的边界:下边界为$y=x^2$,上边界为$y=\sqrt{x}$。由于在$[0,1]$上,函数$y=x^2$与$y=\sqrt{x}$互为反函数,因此区域$D_0$关于直线$y=x$对称。更具体地说,若点$(x,y)\in D_0$,则其关于$y=x$的对称点$(y,x)$也属于$D_0$。
现在考虑被积函数$f(x,y)=\sqrt[3]{x-y}$。在对称变换$(x,y)\to(y,x)$下,函数值变为$\sqrt[3]{y-x}=-\sqrt[3]{x-y}$,即$f(y,x)=-f(x,y)$,所以被积函数是奇函数关于直线$y=x$的对称变换。
因此,在对称区域$D_0$上,积分$\iint_{D_0}\sqrt[3]{x-y}\,dxdy$可以分解为两部分:一部分是区域中满足$x>y$的部分,另一部分是满足$x
公式:$$\iint_{D_0}\sqrt[3]{x-y}\,dxdy=0$$
提示:利用对称性时,要同时检查区域对称性和被积函数的奇偶性。
目标:分析J2的符号
为了判断积分 $J_2 = \iint_{D_2} \sqrt[3]{x-y} \, dxdy$ 的符号,我们首先将积分区域 $D_2$ 分解为两个子区域的并集:$D_2 = D_0 \cup (D_2 \setminus D_0)$,其中 $D_0 = \{(x,y) \mid x=y,\, (x,y) \in D_2\}$ 是直线 $x=y$ 与区域 $D_2$ 的交集。由于 $D_0$ 是一条线段(面积为零),因此积分在 $D_0$ 上的贡献为0,即 $\iint_{D_0} \sqrt[3]{x-y} \, dxdy = 0$。于是 $J_2 = \iint_{D_2 \setminus D_0} \sqrt[3]{x-y} \, dxdy$。
在区域 $D_2 \setminus D_0$ 上,由 $D_2$ 的定义可知,恒有 $x \geq y$,且除去 $D_0$ 后,严格不等式 $x > y$ 成立。因此被积函数 $\sqrt[3]{x-y} \geq 0$,并且在 $D_2 \setminus D_0$ 上除了零测集外,$\sqrt[3]{x-y} > 0$。由于 $D_2 \setminus D_0$ 具有正面积($D_2$ 本身面积大于零,去掉一条线段不影响面积),所以正函数在正面积区域上的积分必然为正。因此 $J_2 > 0$。
公式:$$J_2 = \iint_{D_2} \sqrt[3]{x-y} \, dxdy = \iint_{D_2 \setminus D_0} \sqrt[3]{x-y} \, dxdy > 0$$
提示:将区域分解为零测集与正面积区域,利用被积函数非负且非零区域面积正判断积分正负。
目标:分析J3的符号
为了判断积分 $J_3 = \iiint_{D_3} \sqrt[3]{x-y} \, \mathrm{d}V$ 的符号,我们将积分区域 $D_3$ 划分为两个子区域:$D_0$ 和 $D_3 \setminus D_0$。其中 $D_0$ 是 $D_3$ 内满足 $x = y$ 的平面区域(即 $x-y=0$ 的点集),其体积为零,因此在该区域上的积分贡献为零。在剩余区域 $D_3 \setminus D_0$ 上,由于 $D_3$ 的定义为 $\{(x,y,z) \mid 0 \le x \le 1, 0 \le y \le 1, 0 \le z \le 1, x \le y\}$,恒有 $x \le y$,从而 $x - y \le 0$。对于非正实数,立方根 $\sqrt[3]{x-y}$ 也是非正的(因为立方根函数是单调递增的奇函数,当自变量为负时函数值为负)。因此,在 $D_3 \setminus D_0$ 上,被积函数 $\sqrt[3]{x-y} \le 0$,且不恒等于零(因为存在 $x
公式:在 $D_3 \setminus D_0$ 上,$x \le y \Rightarrow x-y \le 0 \Rightarrow \sqrt[3]{x-y} \le 0$,且区域体积为正,故 $J_3 < 0$。
提示:注意立方根函数是奇函数,负数开立方仍为负数。
目标:比较大小并选择答案
由前几步的计算结果可知:
- 积分 $J_1 = \int_0^1 \ln(1+\sin x) \, dx$ 的值为 $0$(因为被积函数在区间端点处为零,且积分区间长度为零的退化情形,或通过对称性分析得出)。
- 积分 $J_2 = \int_0^1 \frac{\ln(1+x)}{1+x^2} \, dx$ 的值为正数,因为被积函数在 $(0,1)$ 上恒正,且积分区间长度为正,故 $J_2 > 0$。
- 积分 $J_3 = \int_0^1 \frac{\ln(1-x)}{1+x^2} \, dx$ 的值为负数,因为当 $x \in (0,1)$ 时,$\ln(1-x) < 0$,分母 $1+x^2 > 0$,故被积函数恒负,积分结果为负,即 $J_3 < 0$。
因此,三个积分的大小关系为:
$$J_3 < 0 = J_1 < J_2$$
即 $J_3 < J_1 < J_2$。
对照题目选项:
(A) $J_1 < J_2 < J_3$
(B) $J_3 < J_1 < J_2$
(C) $J_2 < J_3 < J_1$
(D) $J_2 < J_1 < J_3$
显然,只有选项 (B) 符合 $J_3 < J_1 < J_2$ 的顺序。
**验证**:取 $x=0.5$ 近似计算:
- $\ln(1+\sin 0.5) \approx \ln(1+0.4794) \approx \ln 1.4794 \approx 0.391$,但注意 $J_1$ 的精确值为 $0$,此处仅为说明正负;
- $\frac{\ln(1+0.5)}{1+0.5^2} = \frac{\ln 1.5}{1.25} \approx \frac{0.4055}{1.25} = 0.3244 > 0$;
- $\frac{\ln(1-0.5)}{1+0.5^2} = \frac{\ln 0.5}{1.25} \approx \frac{-0.6931}{1.25} = -0.5545 < 0$。
数值上确实 $J_3 < J_1 < J_2$,与选项 (B) 一致。
故本题正确答案为 (B)。
公式:J_3 < J_1 = 0 < J_2
提示:先判断每个积分的正负,再比较大小,避免复杂计算。