5.计算二重积分iintlimits_(D)xydxdy,其中D是由曲线y=x^2,x=-1,x=2以及x轴所围成的闭区域.
题目解答
答案
解析
本题考察二重积分的计算,具体为将二重积分转化为累次积分(迭代积分)进行求解,核心思路是根据积分区域的特点确定积分限,再分别对变量$y$和$x$依次积分。
步骤1:确定积分区域$D$
区域$D$由曲线$y=x^2$、$x=-1$、$x=2$及$x$轴($y=0$)围成,是$x$型区域($x$的范围固定,$y$随$x$变化):
- $x$的范围:从左边界$x=-1$到右边界$x=2$,即$-1 \leq x \leq 2$;
- 对每个$x$,$y$的范围:从下边界$y=0$到上边界$y=x^2$,即$0 \leq y \leq x^2$。
步骤2:将二重积分转化为累次积分
根据$x$型区域的积分顺序,先对$y$积分,再对$x$积分:
$\iint\limits_{D}xy\,dxdy = \int_{-1}^{2} \left( \int_{0}^{x^2} xy\,dy \right) dx$
步骤3:内层积分(对$y$积分)
将$x$视为常数,提取出积分号:
$\int_{0}^{x^2} xy\,dy = x \int_{0}^{x^2} y\,dy$
计算$y$的积分:
$\int_{0}^{x^2} y\,dy = \left[ \frac{y^2}{2} \right]_{0}^{x^2} = \frac{(x^2)^2}{2} - 0 = \frac{x^4}{2}$
代入得:
$x \cdot \frac{x^4}{2} = \frac{x^5}{2}$
步骤4:外层积分(对$x$积分)
计算$\int_{-1}^{2} \frac{x^5}{2} dx$,提取常数$\frac{1}{2}$:
$\frac{1}{2} \int_{-1}^{2} x^5 dx$
计算$x^5$的积分:
$\int_{-1}^{2} x^5 dx = \left[ \frac{x^6}{6} \right]_{-1}^{2} = \frac{2^6}{6} - \frac{(-1)^6}{6} = \frac{64}{6} - \frac{1}{6} = \frac{63}{6} = \frac{21}{2}$
代入得:
$\frac{1}{2} \cdot \frac{21}{2} = \frac{21}{4}$