题目
int_(-1)^1dyint_(-1)^yysqrt(1+x^2)-y^(2)dx=____
$\int_{-1}^{1}dy\int_{-1}^{y}y\sqrt{1+x^{2}-y^{2}}dx=$____
题目解答
答案
为了解决给定的积分 $\int_{-1}^{1}dy\int_{-1}^{y}y\sqrt{1+x^{2}-y^{2}}dx$,我们将遵循以下步骤:
1. **理解积分区域**:积分区域由 $y$ 的范围从 $-1$ 到 $1$ 和 $x$ 的范围从 $-1$ 到 $y$ 定义。这在 $xy$-平面上描述了一个三角形区域,顶点位于 $(-1, -1)$,$(-1, 1)$,和 $(1, 1)$。
2. **改变积分顺序**:为了简化积分,我们可以改变积分顺序。新的积分区域将 $x$ 的范围从 $-1$ 到 $1$ 和 $y$ 的范围从 $x$ 到 $1$。因此,积分变为:
\[
\int_{-1}^{1}dx\int_{x}^{1}y\sqrt{1+x^{2}-y^{2}}dy.
\]
3. **关于 $y$ 进行积分**:内积分是关于 $y$ 的:
\[
\int_{x}^{1}y\sqrt{1+x^{2}-y^{2}}dy.
\]
为了计算这个积分,我们使用代换 $u = 1 + x^2 - y^2$。那么 $du = -2ydy$,或者 $ydy = -\frac{1}{2}du$。积分的极限变化如下:当 $y = x$ 时,$u = 1 + x^2 - x^2 = 1$,当 $y = 1$ 时,$u = 1 + x^2 - 1 = x^2$。因此,积分变为:
\[
\int_{1}^{x^2}-\frac{1}{2}\sqrt{u}du = \frac{1}{2}\int_{x^2}^{1}\sqrt{u}du.
\]
现在,我们计算 $\sqrt{u}$ 的积分:
\[
\int_{x^2}^{1}\sqrt{u}du = \int_{x^2}^{1}u^{1/2}du = \left[\frac{2}{3}u^{3/2}\right]_{x^2}^{1} = \frac{2}{3}\left(1^{3/2} - (x^2)^{3/2}\right) = \frac{2}{3}\left(1 - x^3\right).
\]
因此,内积分的值为:
\[
\frac{1}{2} \cdot \frac{2}{3}\left(1 - x^3\right) = \frac{1}{3}\left(1 - x^3\right).
\]
4. **关于 $x$ 进行积分**:现在我们需要计算外积分:
\[
\int_{-1}^{1}\frac{1}{3}\left(1 - x^3\right)dx = \frac{1}{3}\int_{-1}^{1}\left(1 - x^3\right)dx.
\]
我们可以将这个积分分为两个积分:
\[
\frac{1}{3}\left(\int_{-1}^{1}1dx - \int_{-1}^{1}x^3dx\right).
\]
第一个积分是:
\[
\int_{-1}^{1}1dx = \left[x\right]_{-1}^{1} = 1 - (-1) = 2.
\]
第二个积分是:
\[
\int_{-1}^{1}x^3dx = \left[\frac{x^4}{4}\right]_{-1}^{1} = \frac{1^4}{4} - \frac{(-1)^4}{4} = \frac{1}{4} - \frac{1}{4} = 0.
\]
因此,外积分的值为:
\[
\frac{1}{3}\left(2 - 0\right) = \frac{2}{3}.
\]
最终答案是:
\[
\boxed{\frac{2}{3}}.
\]
解析
考查要点:本题主要考查二重积分的计算,涉及积分区域交换、变量代换以及奇偶函数的积分性质。
解题核心思路:
- 交换积分顺序:原积分区域为三角形,交换积分顺序后简化计算。
- 变量代换:对内积分使用代换法,将复杂根式转化为简单幂函数。
- 奇偶性简化:利用奇函数在对称区间积分结果为零的性质,减少计算量。
破题关键点:
- 正确绘制积分区域,确定交换积分顺序后的上下限。
- 选择合适的代换变量,简化内积分的计算。
- 识别被积函数的奇偶性,快速得出部分积分结果。
步骤1:交换积分顺序
原积分区域为 $-1 \leq y \leq 1$,$-1 \leq x \leq y$,对应三角形区域。交换积分顺序后,$x$ 的范围为 $-1 \leq x \leq 1$,$y$ 的范围为 $x \leq y \leq 1$。积分变为:
$\int_{-1}^{1}dx\int_{x}^{1}y\sqrt{1+x^{2}-y^{2}}dy.$
步骤2:计算内积分
令 $u = 1 + x^2 - y^2$,则 $du = -2ydy$,即 $ydy = -\frac{1}{2}du$。积分上下限变化为:
- 当 $y = x$ 时,$u = 1$;
- 当 $y = 1$ 时,$u = x^2$。
内积分化简为:
$\int_{1}^{x^2} -\frac{1}{2}\sqrt{u}du = \frac{1}{2}\int_{x^2}^{1}\sqrt{u}du = \frac{1}{3}\left(1 - x^3\right).$
步骤3:计算外积分
外积分表达式为:
$\frac{1}{3}\int_{-1}^{1}\left(1 - x^3\right)dx.$
拆分为两个积分:
$\frac{1}{3}\left(\int_{-1}^{1}1dx - \int_{-1}^{1}x^3dx\right).$
- 第一项 $\int_{-1}^{1}1dx = 2$;
- 第二项 $\int_{-1}^{1}x^3dx = 0$(奇函数在对称区间积分)。
最终结果为:
$\frac{1}{3} \cdot 2 = \frac{2}{3}.$