方企勤 第三章 一元函数积分学 第3题

教材习题

📝 题目

解法 1 如图 3.8 所示. 所围图形面积为

$$ S = - {\int }_{0}^{2\pi }y\left( t\right) {x}^{\prime }\left( t\right) \mathrm{d}t = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}. $$

解法 $\displaystyle{2S} = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x +}$ $\bigtriangleup {OAB}$ 的面积,

$$ \bigtriangleup {OAB}\text{ 的面积 } = \frac{1}{2} \cdot a \cdot {2\pi a} = \pi {a}^{2}\text{ , } $$

$$ \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}\left\lbrack {\left( {\cos t + t\sin t}\right) t\sin t}\right. $$

$$ - \left( {\sin t - t\cos t}\right) t\cos t\rbrack \mathrm{d}t $$

$$ = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}{t}^{2}\mathrm{\;d}t = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2}, $$

即得 $S = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}$ .

解法 3 用极坐标. $S = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{{\theta }_{0}}{r}^{2}\left( \theta \right) \mathrm{d}\theta + \bigtriangleup {OAB}$ 的面积,其中 $r =$ $r\left( \theta \right)$ 为曲线的极坐标方程, ${\theta }_{0}$ 为向径 ${OB}$ 的极角 $\left( {0 < {\theta }_{0} < {2\pi }}\right)$ . 当 $0 \leq$ $\theta \leq {\theta }_{0}$ 时, $0 \leq t \leq {2\pi }$ ,

$$ {r}^{2} = {x}^{2} + {y}^{2} = {a}^{2}{\left( \cos t + t\sin t\right) }^{2} + {a}^{2}{\left( \sin t - t\cos t\right) }^{2} $$

$$ = {a}^{2}\left( {1 + {t}^{2}}\right) \text{ . } $$

$$ \tan \theta = \frac{y}{x} = \frac{\sin t - t\cos t}{\cos t + t\sin t} \Rightarrow \mathrm{d}\theta = \frac{{t}^{2}\mathrm{\;d}t}{1 + {t}^{2}}, $$

于是

$$ S = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}\left( {1 + {t}^{2}}\right) \cdot \frac{{t}^{2}}{1 + {t}^{2}}\mathrm{\;d}t + \pi {a}^{2} $$

$$ = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}. $$

求曲线的弧长. 因为 ${x}^{\prime }\left( t\right) = {at}\cos t,{y}^{\prime }\left( t\right) = {bt}\sin t$ ,所以弧长为

$$ s = {\int }_{0}^{2\pi }\sqrt{{x}^{\prime 2}\left( t\right) + {y}^{\prime 2}\left( t\right) }\mathrm{d}t = {\int }_{0}^{2\pi }{at}\mathrm{\;d}t = 2{\pi }^{2}a. $$

💡 答案解析

解法 1 如图 3.8 所示. 所围图形面积为

$$ S = - {\int }_{0}^{2\pi }y\left( t\right) {x}^{\prime }\left( t\right) \mathrm{d}t = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}. $$

解法 $\displaystyle{2S} = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x +}$ $\bigtriangleup {OAB}$ 的面积,

$$ \bigtriangleup {OAB}\text{ 的面积 } = \frac{1}{2} \cdot a \cdot {2\pi a} = \pi {a}^{2}\text{ , } $$

$$ \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }x\mathrm{\;d}y - y\mathrm{\;d}x = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}\left\lbrack {\left( {\cos t + t\sin t}\right) t\sin t}\right. $$

$$ - \left( {\sin t - t\cos t}\right) t\cos t\rbrack \mathrm{d}t $$

$$ = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}{t}^{2}\mathrm{\;d}t = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2}, $$

即得 $S = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}$ .

解法 3 用极坐标. $S = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{{\theta }_{0}}{r}^{2}\left( \theta \right) \mathrm{d}\theta + \bigtriangleup {OAB}$ 的面积,其中 $r =$ $r\left( \theta \right)$ 为曲线的极坐标方程, ${\theta }_{0}$ 为向径 ${OB}$ 的极角 $\left( {0 < {\theta }_{0} < {2\pi }}\right)$ . 当 $0 \leq$ $\theta \leq {\theta }_{0}$ 时, $0 \leq t \leq {2\pi }$ ,

$$ {r}^{2} = {x}^{2} + {y}^{2} = {a}^{2}{\left( \cos t + t\sin t\right) }^{2} + {a}^{2}{\left( \sin t - t\cos t\right) }^{2} $$

$$ = {a}^{2}\left( {1 + {t}^{2}}\right) \text{ . } $$

$$ \tan \theta = \frac{y}{x} = \frac{\sin t - t\cos t}{\cos t + t\sin t} \Rightarrow \mathrm{d}\theta = \frac{{t}^{2}\mathrm{\;d}t}{1 + {t}^{2}}, $$

于是

$$ S = \frac{1}{2}{\int }_{0}^{2\pi }{a}^{2}\left( {1 + {t}^{2}}\right) \cdot \frac{{t}^{2}}{1 + {t}^{2}}\mathrm{\;d}t + \pi {a}^{2} $$

$$ = \frac{4}{3}{\pi }^{3}{a}^{2} + \pi {a}^{2}. $$

求曲线的弧长. 因为 ${x}^{\prime }\left( t\right) = {at}\cos t,{y}^{\prime }\left( t\right) = {bt}\sin t$ ,所以弧长为

$$ s = {\int }_{0}^{2\pi }\sqrt{{x}^{\prime 2}\left( t\right) + {y}^{\prime 2}\left( t\right) }\mathrm{d}t = {\int }_{0}^{2\pi }{at}\mathrm{\;d}t = 2{\pi }^{2}a. $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:解法1:利用参数方程面积公式
所围图形面积为 S = -∫_{0}^{2π} y(t) x'(t) dt。计算得 S = 4/3 π^3 a^2 + π a^2。
公式:S = -∫_{α}^{β} y(t) x'(t) dt
提示:注意积分限和符号,参数方程中面积公式可正可负,需根据曲线方向确定符号。
步骤 2/4
目标:解法2:利用格林公式和三角形面积
S = 1/2 ∫_{0}^{2π} (x dy - y dx) + △OAB的面积。△OAB面积 = 1/2 * a * 2πa = π a^2。计算积分得 1/2 ∫_{0}^{2π} a^2 t^2 dt = 4/3 π^3 a^2。因此 S = 4/3 π^3 a^2 + π a^2。
公式:S = 1/2 ∮ (x dy - y dx)
提示:格林公式将面积转化为曲线积分,注意曲线方向为逆时针。
步骤 3/4
目标:解法3:利用极坐标面积公式
S = 1/2 ∫_{0}^{θ0} r^2(θ) dθ + △OAB面积。由参数方程得 r^2 = a^2(1+t^2),且 dθ = t^2/(1+t^2) dt。代入得 S = 1/2 ∫_{0}^{2π} a^2(1+t^2) * t^2/(1+t^2) dt + π a^2 = 4/3 π^3 a^2 + π a^2。
公式:S = 1/2 ∫ r^2 dθ
提示:极坐标面积公式需注意积分上下限对应参数t的范围。
步骤 4/4
目标:求曲线的弧长
由 x'(t)=at cos t, y'(t)=at sin t,弧长 s = ∫_{0}^{2π} √(x'^2+y'^2) dt = ∫_{0}^{2π} at dt = 2π^2 a。
公式:s = ∫_{α}^{β} √(x'^2+y'^2) dt
提示:注意导数计算正确,被积函数简化后为 at。

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