人邮高数 第7章 第7-1-21题

教材习题

📝 题目

21.计算 $\displaystyle{\iint}_{D}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y$ ,其中 $D$ 为由圆 $x^{2}+y^{2}=2 y, x^{2}+y^{2}=4 y$ 及直线 $x-\sqrt{3} y=0$ , $y-\sqrt{3} x=0$ 所围成的平面闭区域。

💡 答案解析

[AI解答]

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首先,观察积分区域 $D$ 由两个圆和两条直线围成。 圆方程: $$ x^2 + y^2 = 2y \quad\Rightarrow\quad x^2 + (y-1)^2 = 1 $$ $$ x^2 + y^2 = 4y \quad\Rightarrow\quad x^2 + (y-2)^2 = 4 $$ 直线方程: $$ x - \sqrt{3}y = 0 \quad\Rightarrow\quad \theta = \frac{\pi}{6} $$ $$ y - \sqrt{3}x = 0 \quad\Rightarrow\quad \tan\theta = \sqrt{3} \Rightarrow \theta = \frac{\pi}{3} $$ 因此区域在极坐标下表示为: $$ r^2 = x^2 + y^2,\quad x = r\cos\theta,\ y = r\sin\theta $$ 圆方程变为: $$ r^2 = 2r\sin\theta \Rightarrow r = 2\sin\theta $$ $$ r^2 = 4r\sin\theta \Rightarrow r = 4\sin\theta $$ 角度范围:$\displaystyle \frac{\pi}{6} \le \theta \le \frac{\pi}{3}$。 于是积分化为: $$ \iint_D (x^2+y^2)\,dxdy = \int_{\theta=\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \int_{r=2\sin\theta}^{4\sin\theta} r^2 \cdot r\, dr d\theta $$ $$ = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \left( \int_{2\sin\theta}^{4\sin\theta} r^3 dr \right) d\theta $$ 先计算内层积分: $$ \int_{2\sin\theta}^{4\sin\theta} r^3 dr = \left[ \frac{r^4}{4} \right]_{2\sin\theta}^{4\sin\theta} = \frac{1}{4}\left( (4\sin\theta)^4 - (2\sin\theta)^4 \right) $$ $$ = \frac{1}{4}\left( 256\sin^4\theta - 16\sin^4\theta \right) = \frac{1}{4} \cdot 240 \sin^4\theta = 60\sin^4\theta $$ 于是原积分: $$ = \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} 60\sin^4\theta \, d\theta $$ 利用倍角公式降幂: $$ \sin^4\theta = \left( \frac{1-\cos2\theta}{2} \right)^2 = \frac{1}{4}(1 - 2\cos2\theta + \cos^2 2\theta) $$ $$ = \frac{1}{4}\left(1 - 2\cos2\theta + \frac{1+\cos4\theta}{2}\right) = \frac{1}{4}\left( \frac{3}{2} - 2\cos2\theta + \frac{1}{2}\cos4\theta \right) $$ $$ = \frac{3}{8} - \frac{1}{2}\cos2\theta + \frac{1}{8}\cos4\theta $$ 因此: $$ 60\sin^4\theta = 60\left( \frac{3}{8} - \frac{1}{2}\cos2\theta + \frac{1}{8}\cos4\theta \right) = \frac{45}{2} - 30\cos2\theta + \frac{15}{2}\cos4\theta $$ 积分得: $$ \int_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} \left( \frac{45}{2} - 30\cos2\theta + \frac{15}{2}\cos4\theta \right) d\theta $$ $$ = \left[ \frac{45}{2}\theta - 15\sin2\theta + \frac{15}{8}\sin4\theta \right]_{\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{3}} $$ 分别代入上下限: 在 $\theta = \frac{\pi}{3}$: $$ \frac{45}{2}\cdot\frac{\pi}{3} = \frac{15\pi}{2},\quad \sin\frac{2\pi}{3} = \frac{\sqrt{3}}{2},\quad \sin\frac{4\pi}{3} = -\frac{\sqrt{3}}{2} $$ 得: $$ \frac{15\pi}{2} - 15\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{15}{8}\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = \frac{15\pi}{2} - \frac{15\sqrt{3}}{2} - \frac{15\sqrt{3}}{16} $$ 在 $\theta = \frac{\pi}{6}$: $$ \frac{45}{2}\cdot\frac{\pi}{6} = \frac{15\pi}{4},\quad \sin\frac{\pi}{3} = \frac{\sqrt{3}}{2},\quad \sin\frac{2\pi}{3} = \frac{\sqrt{3}}{2} $$ 得: $$ \frac{15\pi}{4} - 15\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} + \frac{15}{8}\cdot\frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{15\pi}{4} - \frac{15\sqrt{3}}{2} + \frac{15\sqrt{3}}{16} $$ 上下限相减: $$ \left( \frac{15\pi}{2} - \frac{15\sqrt{3}}{2} - \frac{15\sqrt{3}}{16} \right) - \left( \frac{15\pi}{4} - \frac{15\sqrt{3}}{2} + \frac{15\sqrt{3}}{16} \right) $$ $$ = \frac{15\pi}{2} - \frac{15\pi}{4} + \left( -\frac{15\sqrt{3}}{2} + \frac{15\sqrt{3}}{2} \right) + \left( -\frac{15\sqrt{3}}{16} - \frac{15\sqrt{3}}{16} \right) $$ $$ = \frac{15\pi}{4} - \frac{30\sqrt{3}}{16} = \frac{15\pi}{4} - \frac{15\sqrt{3}}{8} $$ 因此最终结果为: $$ \boxed{\displaystyle \frac{15\pi}{4} - \frac{15\sqrt{3}}{8}} $$

难度:★★★☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将区域D用极坐标表示
将圆方程和直线方程转化为极坐标形式。圆x^2+y^2=2y化为r=2sinθ,x^2+y^2=4y化为r=4sinθ;直线x-√3y=0对应θ=π/6,y-√3x=0对应θ=π/3。区域D在极坐标下为:θ从π/6到π/3,r从2sinθ到4sinθ。
公式:x=rcosθ, y=rsinθ, x^2+y^2=r^2
提示:注意圆的极坐标方程需通过r^2=2rsinθ得到r=2sinθ,且r≥0。
步骤 2/5
目标:将二重积分化为极坐标下的累次积分
被积函数x^2+y^2=r^2,面积元dxdy=rdrdθ,积分化为∫_{θ=π/6}^{π/3}∫_{r=2sinθ}^{4sinθ} r^2·r dr dθ = ∫_{π/6}^{π/3}∫_{2sinθ}^{4sinθ} r^3 dr dθ。
公式:∬_D f(x,y)dxdy = ∬_D f(rcosθ,rsinθ) r dr dθ
提示:不要忘记面积元中的r因子。
步骤 3/5
目标:计算内层积分
计算∫_{2sinθ}^{4sinθ} r^3 dr = [r^4/4]_{2sinθ}^{4sinθ} = (1/4)[(4sinθ)^4 - (2sinθ)^4] = (1/4)(256sin^4θ - 16sin^4θ) = 60sin^4θ。
公式:∫ r^n dr = r^{n+1}/(n+1)
提示:注意幂次计算准确。
步骤 4/5
目标:计算外层积分
外层积分为∫_{π/6}^{π/3} 60sin^4θ dθ。利用倍角公式降幂:sin^4θ = (3/8) - (1/2)cos2θ + (1/8)cos4θ,所以60sin^4θ = 45/2 - 30cos2θ + (15/2)cos4θ。积分得[45θ/2 - 15sin2θ + (15/8)sin4θ]从π/6到π/3。
公式:sin^2θ = (1-cos2θ)/2, cos^2θ = (1+cos2θ)/2
提示:降幂时注意系数。
步骤 5/5
目标:代入上下限并化简
在θ=π/3处:45π/6=15π/2, sin(2π/3)=√3/2, sin(4π/3)=-√3/2,得15π/2 - 15√3/2 - 15√3/16。在θ=π/6处:45π/12=15π/4, sin(π/3)=√3/2, sin(2π/3)=√3/2,得15π/4 - 15√3/2 + 15√3/16。相减得(15π/2 - 15π/4) + (-15√3/2+15√3/2) + (-15√3/16-15√3/16) = 15π/4 - 30√3/16 = 15π/4 - 15√3/8。
提示:注意符号,合并同类项。

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