设D=(x,y)mid x^2+y^2leq R^2,R>0,常数lambdaneq0,则二重积分iintlimits_(D)(e^lambda rcostheta-e^-lambda rsintheta)rdrdtheta的值()A. 为零B. 为正C. 为负D. 当lambda>0时为正,当lambda
A. 为零
B. 为正
C. 为负
D. 当$\lambda>0$时为正,当$\lambda<0$时为负
题目解答
答案
解析
考查要点:本题主要考查二重积分在极坐标系下的计算,以及利用周期函数对称性和贝塞尔函数性质简化积分的能力。
解题核心思路:
- 坐标变换:将直角坐标系下的积分转换为极坐标系,简化积分表达式。
- 对称性分析:利用三角函数在对称区间上的积分性质,结合贝塞尔函数的积分公式,分别计算两个指数项的积分。
- 结果抵消:通过分析两个积分项的对称性,发现它们的结果相等,从而整体积分值为零。
破题关键点:
- 极坐标变换:正确写出极坐标下的积分表达式。
- 贝塞尔函数应用:掌握$\int_{0}^{2\pi} e^{a \cos\theta} d\theta = 2\pi I_0(a)$的性质,并理解$\sin\theta$与$\cos\theta$在积分中的对称性等价性。
- 偶函数性质:利用$I_0(-x) = I_0(x)$简化计算。
将积分转换为极坐标系,其中$x = r \cos\theta$,$y = r \sin\theta$,面积元素$dx \, dy = r \, dr \, d\theta$。原积分变为:
$\iint\limits_{D} (e^{\lambda r \cos\theta} - e^{-\lambda r \sin\theta}) r \, dr \, d\theta = \int_{0}^{R} \int_{0}^{2\pi} (e^{\lambda r \cos\theta} - e^{-\lambda r \sin\theta}) r \, d\theta \, dr.$
分步计算内积分:
-
第一项积分:
$\int_{0}^{2\pi} e^{\lambda r \cos\theta} \, d\theta = 2\pi I_0(\lambda r),$
其中$I_0$为零阶修正贝塞尔函数。 -
第二项积分:
通过变量替换$\theta' = \theta - \frac{\pi}{2}$,将$\sin\theta$转换为$\cos\theta'$,得:
$\int_{0}^{2\pi} e^{-\lambda r \sin\theta} \, d\theta = \int_{0}^{2\pi} e^{-\lambda r \cos\theta'} \, d\theta' = 2\pi I_0(\lambda r).$
(利用$I_0(-x) = I_0(x)$)
内积分结果:
$\int_{0}^{2\pi} \left(e^{\lambda r \cos\theta} - e^{-\lambda r \sin\theta}\right) d\theta = 2\pi I_0(\lambda r) - 2\pi I_0(\lambda r) = 0.$
外积分结果:
$\int_{0}^{R} 0 \cdot r \, dr = 0.$