人邮高数 第7章 第7-2-11题

教材习题

📝 题目

11.求闭曲线 $\Gamma:\left(x^{2}+y^{2}\right)^{3}=a^{2}\left(x^{4}+y^{4}\right)(a\gt 0)$ 所围区域的面积.

💡 答案解析

[AI解答]

[AI解答] 我们要求闭曲线 $$ \Gamma:\left(x^{2}+y^{2}\right)^{3}=a^{2}\left(x^{4}+y^{4}\right),\quad a>0 $$ 所围区域的面积。采用极坐标变换 $$ x = r\cos\theta,\quad y = r\sin\theta, $$ 则 $$ x^{2}+y^{2}=r^{2},\quad x^{4}+y^{4}=r^{4}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta). $$ 代入曲线方程得 $$ (r^{2})^{3}=a^{2}r^{4}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta) \implies r^{6}=a^{2}r^{4}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta). $$ 当 $r\neq 0$ 时,两边除以 $r^{4}$ 得 $$ r^{2}=a^{2}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta). $$ 因此极坐标方程为 $$ r = a\sqrt{\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta}. $$ 由于曲线对称于极轴和 $\pi/2$ 轴,我们只需要考虑 $\theta\in[0,2\pi)$ 的整个周期,面积公式为 $$ S = \frac{1}{2}\int_{0}^{2\pi} r^{2}\,d\theta. $$ 代入 $r^{2}$ 表达式: $$ S = \frac{1}{2}\int_{0}^{2\pi} a^{2}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta)\,d\theta = \frac{a^{2}}{2}\int_{0}^{2\pi}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta)\,d\theta. $$ 利用三角恒等式 $$ \cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta = (\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta)^{2} - 2\sin^{2}\theta\cos^{2}\theta = 1 - \frac{1}{2}\sin^{2}2\theta. $$ 又因为 $\sin^{2}2\theta = \frac{1-\cos4\theta}{2}$,所以 $$ \cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta = 1 - \frac{1}{2}\cdot\frac{1-\cos4\theta}{2} = 1 - \frac{1}{4} + \frac{1}{4}\cos4\theta = \frac{3}{4} + \frac{1}{4}\cos4\theta. $$ 于是积分 $$ \int_{0}^{2\pi}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta)\,d\theta = \int_{0}^{2\pi}\left(\frac{3}{4}+\frac{1}{4}\cos4\theta\right)d\theta. $$ 由于 $\int_{0}^{2\pi}\cos4\theta\,d\theta=0$,因此 $$ \int_{0}^{2\pi}(\cos^{4}\theta+\sin^{4}\theta)\,d\theta = \frac{3}{4}\cdot 2\pi = \frac{3\pi}{2}. $$ 代入面积公式得 $$ S = \frac{a^{2}}{2}\cdot\frac{3\pi}{2} = \frac{3\pi a^{2}}{4}. $$

因此,曲线所围区域的面积为 $$ \boxed{\dfrac{3\pi a^{2}}{4}}. $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:将曲线方程转化为极坐标形式
令 x = r cosθ, y = r sinθ,代入曲线方程 (x^2+y^2)^3 = a^2(x^4+y^4),得到 r^6 = a^2 r^4 (cos^4θ+sin^4θ)。当 r≠0 时,化简得 r^2 = a^2(cos^4θ+sin^4θ)。
公式:r^2 = a^2(cos^4θ+sin^4θ)
提示:注意 r=0 对应原点,但原点在曲线上,不影响面积计算。
步骤 2/5
目标:写出极坐标下的面积公式
闭曲线所围区域的面积在极坐标下为 S = (1/2)∫_0^{2π} r^2 dθ。
公式:S = (1/2)∫_0^{2π} r^2 dθ
提示:由于曲线关于极轴和 π/2 轴对称,也可只积分一个周期。
步骤 3/5
目标:代入 r^2 并化简被积函数
S = (a^2/2)∫_0^{2π} (cos^4θ+sin^4θ) dθ。利用恒等式 cos^4θ+sin^4θ = 1 - (1/2)sin^2(2θ) = 3/4 + (1/4)cos4θ。
公式:cos^4θ+sin^4θ = 3/4 + (1/4)cos4θ
提示:也可直接使用倍角公式降幂。
步骤 4/5
目标:计算积分
∫_0^{2π} (3/4 + (1/4)cos4θ) dθ = (3/4)*2π + (1/4)*0 = 3π/2。
公式:∫_0^{2π} cos4θ dθ = 0
提示:余弦函数在一个完整周期内的积分为零。
步骤 5/5
目标:得出面积结果
S = (a^2/2) * (3π/2) = 3πa^2/4。
公式:S = 3πa^2/4
提示:最终结果与 a 的平方成正比。

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