下册 8.1 二重积分 第7题
📝 题目
7.积分区域 $D$ 为 $\left\{(x, y) \mid x^{2}+y^{2} \leqslant a^{2}\right\}$ ,计算下列二重积分.
(1) $\iint_{D}\left(x^{3}+y^{3}\right) \mathrm{e}^{\left(x^{2}+y^{2}\right)^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y .(a=1:$ 华中师大 2007)
(2) $\iint_{D} x^{2} y^{2} \ln \left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y \cdot(a=1$ :南开大学 2004)
(3) $\displaystyle \iint_{D}\left(\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y .(a=1$ :中山大学 2008)
(4) $\iint_{D}|x y| \mathrm{d} x \mathrm{~d} y .(a=2$ :南昌大学 2003,东华大学 2010)
💡 答案解析
\section*{解题过程:}
如图 8.22 所示,在极坐标系中,闭区域 $D: x^{2}+y^{2} \leqslant a^{2}$ 可表示为: $0 \leqslant r \leqslant a, 0 \leqslant \theta \leqslant 2 \pi$ .
(1) $\iint_{D}\left(x^{3}+y^{3}\right) \mathrm{e}^{\left(x^{2}+y^{2}\right)^{2}} \mathrm{~d} x \mathrm{~d} y=\int_{0}^{2 \pi}\left(\sin ^{3} \theta+\cos ^{3} \theta\right) \mathrm{d} \theta \int_{0}^{1} r^{4} \mathrm{e}^{r^{4}} \mathrm{~d} r=0$ .
(2) $\iint_{D} x^{2} y^{2} \ln \left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y=\int_{0}^{2 \pi} \sin ^{2} \theta \cos ^{2} \theta \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} r^{5} \ln r^{2} \mathrm{~d} r$
$$
=8 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin ^{2} \theta \cos ^{2} \theta \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} r^{6} \ln r \mathrm{~d} r=-\frac{\pi}{72} .
$$
(3)令 $\displaystyle I=\iint_{D}\left(\frac{x^{2}}{a^{2}}+\frac{y^{2}}{b^{2}}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y$ ,根据对称性有 $\displaystyle I=\iint_{D}\left(\frac{y^{2}}{a^{2}}+\frac{x^{2}}{b^{2}}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y$ 。从而
\begin{figure}
\includegraphics[alt={},max width=\textwidth]{https://cdn.mathpix.com/cropped/468aa2e6-2fe6-41d5-b96d-487ad792954d-131.jpg?height=1016&width=1071&top_left_y=5028&top_left_x=4434}
\captionsetup{labelformat=empty}
\caption{图8.22}
\end{figure}
$$
2 I=\left(\frac{1}{a^{2}}+\frac{1}{b^{2}}\right) \iint_{D}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y=\left(\frac{1}{a^{2}}+\frac{1}{b^{2}}\right) \int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{1} r^{3} \mathrm{~d} r=\frac{\pi}{2}\left(\frac{1}{a^{2}}+\frac{1}{b^{2}}\right) .
$$
所以 $\displaystyle I=\frac{\pi}{4}\left(\frac{1}{a^{2}}+\frac{1}{b^{2}}\right)$ .
(4) $\displaystyle \iint_{D}|x y| \mathrm{d} x \mathrm{~d} y=\int_{0}^{2 \pi} \mathrm{~d} \theta \int_{0}^{2}|r \sin \theta \cdot r \cos \theta| \cdot r \mathrm{~d} r=\int_{0}^{2 \pi} \frac{1}{2}|\sin 2 \theta| \mathrm{d} \theta \cdot \int_{0}^{2} r^{3} \mathrm{~d} r=2 \int_{0}^{2 \pi}|\sin 2 \theta| \mathrm{d} \theta=8$ .
📋 详细解题步骤
步骤 1/10
目标:建立极坐标系
由于积分区域 $D$ 是圆盘 $x^2+y^2 \leq a^2$,采用极坐标变换:$x = r\cos\theta$, $y = r\sin\theta$,则 $dxdy = r dr d\theta$,区域 $D$ 对应 $0 \leq r \leq a$, $0 \leq \theta \leq 2\pi$。
公式:$x = r\cos\theta$, $y = r\sin\theta$, $dxdy = r dr d\theta$
提示:注意极坐标变换中面积元为 $r dr d\theta$,不要遗漏因子 $r$。
步骤 2/10
目标:计算积分 (1)
被积函数 $(x^3+y^3)e^{(x^2+y^2)^2}$ 在极坐标下化为 $(r^3\cos^3\theta + r^3\sin^3\theta)e^{r^4} = r^3(\cos^3\theta+\sin^3\theta)e^{r^4}$,乘以面积元 $r dr d\theta$ 得 $r^4(\cos^3\theta+\sin^3\theta)e^{r^4} dr d\theta$。积分分解为 $\int_0^{2\pi} (\cos^3\theta+\sin^3\theta) d\theta \cdot \int_0^1 r^4 e^{r^4} dr$。由于 $\cos^3\theta$ 和 $\sin^3\theta$ 在 $[0,2\pi]$ 上的积分为零(奇函数性质或直接计算),故整个积分为 $0$。
公式:$\iint_D f(x,y) dxdy = \int_0^{2\pi} \int_0^a f(r\cos\theta, r\sin\theta) r dr d\theta$
提示:注意 $\cos^3\theta$ 和 $\sin^3\theta$ 的周期积分均为零,可利用对称性快速判断。
步骤 3/10
目标:计算积分 (2) 的极坐标形式
被积函数 $x^2 y^2 \ln(x^2+y^2)$ 在极坐标下化为 $(r^2\cos^2\theta)(r^2\sin^2\theta) \ln(r^2) = r^4 \sin^2\theta \cos^2\theta \cdot 2\ln r$,乘以面积元 $r dr d\theta$ 得 $2 r^5 \sin^2\theta \cos^2\theta \ln r dr d\theta$。积分分解为 $\int_0^{2\pi} \sin^2\theta \cos^2\theta d\theta \cdot 2\int_0^1 r^5 \ln r dr$。
公式:$\ln(x^2+y^2) = 2\ln r$
提示:注意 $\ln(r^2)=2\ln r$,且 $r$ 从 $0$ 到 $1$,$\ln r$ 为负,积分结果应为负。
步骤 4/10
目标:计算积分 (2) 的角度部分
利用对称性,$\int_0^{2\pi} \sin^2\theta \cos^2\theta d\theta = 4\int_0^{\pi/2} \sin^2\theta \cos^2\theta d\theta$。由于 $\sin^2\theta \cos^2\theta = \frac{1}{4}\sin^2 2\theta = \frac{1}{8}(1-\cos 4\theta)$,积分得 $4 \cdot \frac{1}{8} \cdot \frac{\pi}{2} = \frac{\pi}{4}$。
公式:$\sin^2\theta \cos^2\theta = \frac{1}{4}\sin^2 2\theta = \frac{1}{8}(1-\cos 4\theta)$
提示:注意利用倍角公式简化积分,并利用周期性和对称性缩小积分区间。
步骤 5/10
目标:计算积分 (2) 的径向部分
计算 $\int_0^1 r^5 \ln r dr$。使用分部积分:令 $u=\ln r$, $dv=r^5 dr$,则 $du=\frac{1}{r}dr$, $v=\frac{r^6}{6}$。于是 $\int_0^1 r^5 \ln r dr = \left[\frac{r^6}{6}\ln r\right]_0^1 - \int_0^1 \frac{r^6}{6} \cdot \frac{1}{r} dr = 0 - \frac{1}{6}\int_0^1 r^5 dr = -\frac{1}{6} \cdot \frac{1}{6} = -\frac{1}{36}$。注意 $\lim_{r\to 0^+} r^6 \ln r = 0$。
公式:$\int u dv = uv - \int v du$
提示:注意 $r^6\ln r$ 在 $r=0$ 处的极限为0,这是计算定积分的关键。
步骤 6/10
目标:合并积分 (2) 的结果
将角度部分和径向部分相乘:$\frac{\pi}{4} \cdot 2 \cdot \left(-\frac{1}{36}\right) = -\frac{\pi}{72}$。
提示:注意不要忘记乘以2(来自 $\ln(r^2)$ 的因子)。
步骤 7/10
目标:计算积分 (3) 利用对称性
令 $I = \iint_D \left(\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}\right) dxdy$。由对称性,交换 $x$ 和 $y$ 得 $I = \iint_D \left(\frac{y^2}{a^2}+\frac{x^2}{b^2}\right) dxdy$。两式相加得 $2I = \left(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}\right)\iint_D (x^2+y^2) dxdy$。
公式:$\iint_D x^2 dxdy = \iint_D y^2 dxdy$
提示:注意对称性的使用条件:区域关于 $x$ 和 $y$ 对称。
步骤 8/10
目标:计算积分 (3) 的径向部分并得出结果
在极坐标下,$\iint_D (x^2+y^2) dxdy = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^1 r^2 \cdot r dr = 2\pi \int_0^1 r^3 dr = 2\pi \cdot \frac{1}{4} = \frac{\pi}{2}$。因此 $2I = \left(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}\right)\cdot \frac{\pi}{2}$,解得 $I = \frac{\pi}{4}\left(\frac{1}{a^2}+\frac{1}{b^2}\right)$。
公式:$\int_0^1 r^3 dr = \frac{1}{4}$
提示:注意极坐标下 $x^2+y^2 = r^2$,面积元 $r dr d\theta$,所以被积函数为 $r^3$。
步骤 9/10
目标:计算积分 (4) 的极坐标形式
被积函数 $|xy|$ 在极坐标下化为 $|r\cos\theta \cdot r\sin\theta| = r^2 |\sin\theta \cos\theta| = \frac{r^2}{2}|\sin 2\theta|$,乘以面积元 $r dr d\theta$ 得 $\frac{r^3}{2}|\sin 2\theta| dr d\theta$。积分分解为 $\frac{1}{2} \int_0^{2\pi} |\sin 2\theta| d\theta \cdot \int_0^2 r^3 dr$。
公式:$|\sin\theta \cos\theta| = \frac{1}{2}|\sin 2\theta|$
提示:注意绝对值处理,$\sin 2\theta$ 在 $[0,2\pi]$ 上有正有负,需取绝对值。
步骤 10/10
目标:计算积分 (4) 的角度和径向部分
径向部分:$\int_0^2 r^3 dr = \frac{2^4}{4} = 4$。角度部分:$\int_0^{2\pi} |\sin 2\theta| d\theta = 4\int_0^{\pi/2} \sin 2\theta d\theta = 4 \cdot \left[-\frac{\cos 2\theta}{2}\right]_0^{\pi/2} = 4 \cdot (\frac{1}{2}+\frac{1}{2}) = 4$。因此原积分 $= \frac{1}{2} \cdot 4 \cdot 4 = 8$。
公式:$\int_0^{\pi/2} \sin 2\theta d\theta = 1$
提示:注意 $|\sin 2\theta|$ 的周期为 $\pi/2$,利用对称性简化积分区间。
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