人邮高数 第7章 第7-3-9题

教材习题

📝 题目

9.求匀质的心形线 $r=1+\cos \theta$ 的上半部分弧 $(0 \leqslant \theta \leqslant \pi)$ 的质心.

💡 答案解析

[AI解答]

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我们要求匀质心形线 $ r = 1 + \cos\theta $ 的上半部分弧($ 0 \leq \theta \leq \pi $)的质心。 由于是匀质弧线,质心坐标公式为:

$$ \bar{x} = \frac{\displaystyle\int_{L} x \, ds}{\displaystyle\int_{L} ds}, \quad \bar{y} = \frac{\displaystyle\int_{L} y \, ds}{\displaystyle\int_{L} ds} $$

其中弧长微元为:

$$ ds = \sqrt{r^2 + \left( \frac{dr}{d\theta} \right)^2} \, d\theta $$

首先计算 $ r = 1 + \cos\theta $,则

$$ \frac{dr}{d\theta} = -\sin\theta $$

于是

$$ r^2 + \left( \frac{dr}{d\theta} \right)^2 = (1+\cos\theta)^2 + \sin^2\theta = 1 + 2\cos\theta + \cos^2\theta + \sin^2\theta = 2 + 2\cos\theta = 2(1+\cos\theta) $$

因此

$$ ds = \sqrt{2(1+\cos\theta)} \, d\theta $$

利用半角公式 $ 1+\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2} $,得

$$ ds = \sqrt{2 \cdot 2\cos^2\frac{\theta}{2}} \, d\theta = 2\left|\cos\frac{\theta}{2}\right| d\theta $$

在 $ 0 \leq \theta \leq \pi $ 时,$\frac{\theta}{2} \in [0, \frac{\pi}{2}]$,$\cos\frac{\theta}{2} \geq 0$,所以

$$ ds = 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta $$

---

**第一步:求弧长**

$$ L = \int_{L} ds = \int_{0}^{\pi} 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta = 2 \cdot \left[ 2\sin\frac{\theta}{2} \right]_{0}^{\pi} = 4 \left( \sin\frac{\pi}{2} - \sin 0 \right) = 4 $$

---

**第二步:求 $\bar{x}$**

极坐标下 $ x = r\cos\theta = (1+\cos\theta)\cos\theta $,所以

$$ \int_{L} x \, ds = \int_{0}^{\pi} (1+\cos\theta)\cos\theta \cdot 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta $$

利用 $ 1+\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2} $,得

$$ = \int_{0}^{\pi} 2\cos^2\frac{\theta}{2} \cdot \cos\theta \cdot 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta = 4 \int_{0}^{\pi} \cos^3\frac{\theta}{2} \cos\theta \, d\theta $$

再用 $\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2} - 1$,得

$$ = 4 \int_{0}^{\pi} \cos^3\frac{\theta}{2} \left( 2\cos^2\frac{\theta}{2} - 1 \right) d\theta = 4 \int_{0}^{\pi} \left( 2\cos^5\frac{\theta}{2} - \cos^3\frac{\theta}{2} \right) d\theta $$

令 $ u = \frac{\theta}{2} $,则 $ d\theta = 2 du $,当 $\theta=0$ 时 $u=0$,$\theta=\pi$ 时 $u=\frac{\pi}{2}$,得

$$ = 4 \int_{0}^{\pi/2} \left( 2\cos^5 u - \cos^3 u \right) \cdot 2 du = 8 \int_{0}^{\pi/2} \left( 2\cos^5 u - \cos^3 u \right) du $$

利用公式 $\displaystyle\int_{0}^{\pi/2} \cos^{2n+1} u \, du = \frac{(2n)!!}{(2n+1)!!}$:

$$ \int_{0}^{\pi/2} \cos^3 u \, du = \frac{2}{3}, \quad \int_{0}^{\pi/2} \cos^5 u \, du = \frac{4 \cdot 2}{5 \cdot 3} = \frac{8}{15} $$

因此

$$ \int_{L} x \, ds = 8 \left( 2 \cdot \frac{8}{15} - \frac{2}{3} \right) = 8 \left( \frac{16}{15} - \frac{10}{15} \right) = 8 \cdot \frac{6}{15} = \frac{48}{15} = \frac{16}{5} $$

所以

$$ \bar{x} = \frac{16/5}{4} = \frac{4}{5} $$

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**第三步:求 $\bar{y}$**

极坐标下 $ y = r\sin\theta = (1+\cos\theta)\sin\theta $,所以

$$ \int_{L} y \, ds = \int_{0}^{\pi} (1+\cos\theta)\sin\theta \cdot 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta $$

同样用 $ 1+\cos\theta = 2\cos^2\frac{\theta}{2} $,得

$$ = \int_{0}^{\pi} 2\cos^2\frac{\theta}{2} \cdot \sin\theta \cdot 2\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta = 4 \int_{0}^{\pi} \cos^3\frac{\theta}{2} \sin\theta \, d\theta $$

利用 $\sin\theta = 2\sin\frac{\theta}{2}\cos\frac{\theta}{2}$,得

$$ = 4 \int_{0}^{\pi} \cos^3\frac{\theta}{2} \cdot 2\sin\frac{\theta}{2}\cos\frac{\theta}{2} \, d\theta = 8 \int_{0}^{\pi} \cos^4\frac{\theta}{2} \sin\frac{\theta}{2} \, d\theta $$

令 $ u = \cos\frac{\theta}{2} $,则 $ du = -\frac{1}{2}\sin\frac{\theta}{2} d\theta $,即 $\sin\frac{\theta}{2} d\theta = -2 du$。 当 $\theta=0$ 时 $u=1$,$\theta=\pi$ 时 $u=0$,因此

$$ \int_{L} y \, ds = 8 \int_{1}^{0} u^4 \cdot (-2) du = 16 \int_{0}^{1} u^4 du = 16 \cdot \frac{1}{5} = \frac{16}{5} $$

所以

$$ \bar{y} = \frac{16/5}{4} = \frac{4}{5} $$

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**结论**:质心坐标为

$$ \boxed{\left( \frac{4}{5},\ \frac{4}{5} \right)} $$

难度:★★☆☆☆

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:计算弧长微元 ds
由 r=1+cosθ,得 dr/dθ = -sinθ。则 r^2 + (dr/dθ)^2 = (1+cosθ)^2 + sin^2θ = 2+2cosθ = 2(1+cosθ)。利用半角公式 1+cosθ=2cos^2(θ/2),得 ds = √[2(1+cosθ)] dθ = 2|cos(θ/2)| dθ。在 0≤θ≤π 时,cos(θ/2)≥0,故 ds = 2cos(θ/2) dθ。
公式:ds = √(r^2 + (dr/dθ)^2) dθ
提示:注意半角公式的使用和绝对值处理。
步骤 2/5
目标:求弧长 L
L = ∫_0^π 2cos(θ/2) dθ = 2 * [2sin(θ/2)]_0^π = 4(sin(π/2)-sin0) = 4。
公式:L = ∫_L ds
提示:积分时注意换元。
步骤 3/5
目标:计算 ∫_L x ds
x = r cosθ = (1+cosθ)cosθ。∫_L x ds = ∫_0^π (1+cosθ)cosθ * 2cos(θ/2) dθ。利用 1+cosθ=2cos^2(θ/2),得 = 4∫_0^π cos^3(θ/2) cosθ dθ。再用 cosθ=2cos^2(θ/2)-1,得 = 4∫_0^π (2cos^5(θ/2)-cos^3(θ/2)) dθ。令 u=θ/2,dθ=2du,积分限变为 0 到 π/2,得 = 8∫_0^{π/2} (2cos^5 u - cos^3 u) du。利用公式 ∫_0^{π/2} cos^(2n+1) u du = (2n)!!/(2n+1)!!,得 ∫_0^{π/2} cos^3 u du = 2/3,∫_0^{π/2} cos^5 u du = 8/15。代入得 = 8*(2*8/15 - 2/3) = 8*(16/15-10/15)=8*6/15=48/15=16/5。
公式:∫_L x ds = ∫_0^π (1+cosθ)cosθ * 2cos(θ/2) dθ
提示:多次使用三角恒等式和换元积分。
步骤 4/5
目标:计算 ∫_L y ds
y = r sinθ = (1+cosθ)sinθ。∫_L y ds = ∫_0^π (1+cosθ)sinθ * 2cos(θ/2) dθ。利用 1+cosθ=2cos^2(θ/2),得 = 4∫_0^π cos^3(θ/2) sinθ dθ。再用 sinθ=2sin(θ/2)cos(θ/2),得 = 8∫_0^π cos^4(θ/2) sin(θ/2) dθ。令 u=cos(θ/2),则 du = -1/2 sin(θ/2) dθ,即 sin(θ/2) dθ = -2 du。当 θ=0 时 u=1,θ=π 时 u=0,积分变为 = 8∫_1^0 u^4 * (-2) du = 16∫_0^1 u^4 du = 16/5。
公式:∫_L y ds = ∫_0^π (1+cosθ)sinθ * 2cos(θ/2) dθ
提示:换元时注意积分限的变化。
步骤 5/5
目标:求质心坐标
x̄ = (∫_L x ds)/L = (16/5)/4 = 4/5;ȳ = (∫_L y ds)/L = (16/5)/4 = 4/5。
公式:x̄ = ∫_L x ds / L, ȳ = ∫_L y ds / L
提示:结果对称。

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