题目
2.求iintlimits_(D)(dxdy)/(sqrt(x^2)+y^(2)),D:x^2+y^2=1,x^2+y^2=2x,y=0所围区域在第一象限部分且xgeqslant(1)/(2).
2.求$\iint\limits_{D}\frac{dxdy}{\sqrt{x^{2}+y^{2}}},D:x^{2}+y^{2}=1,x^{2}+y^{2}=2x,y=0$所围区域在第一象限部分且$x\geqslant\frac{1}{2}$.
题目解答
答案
将积分区域转换为极坐标系,其中 $x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$dxdy = r\,dr\,d\theta$。
圆 $x^2 + y^2 = 1$ 对应 $r = 1$,圆 $x^2 + y^2 = 2x$ 对应 $r = 2\cos\theta$,直线 $y = 0$ 对应 $\theta = 0$。
两圆在第一象限的交点为 $\left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}\right)$,对应极坐标 $\theta = \frac{\pi}{3}$。
积分区域为 $0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{3}$,$1 \leq r \leq 2\cos\theta$。
原积分变为
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \int_{1}^{2\cos\theta} \frac{1}{r} \cdot r\,dr\,d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} (2\cos\theta - 1)\,d\theta = \left[2\sin\theta - \theta\right]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \sqrt{3} - \frac{\pi}{3}.$
答案: $\boxed{\sqrt{3} - \frac{\pi}{3}}$
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,涉及积分区域的转换、极坐标方程的确定以及积分限的分析。
解题核心思路:
- 识别积分区域形状:题目中的区域由两个圆和一条直线围成,且位于第一象限并满足$x \geq \frac{1}{2}$。通过极坐标变换可简化计算。
- 转换极坐标方程:将圆$x^2 + y^2 = 1$和$x^2 + y^2 = 2x$转换为极坐标形式,确定积分限。
- 简化被积函数:利用极坐标变换后,被积函数$\frac{1}{\sqrt{x^2 + y^2}}$变为$\frac{1}{r}$,结合雅可比行列式进一步简化积分。
破题关键点:
- 确定极坐标下的积分限:通过分析两圆的交点和$x \geq \frac{1}{2}$的条件,明确$\theta$和$r$的范围。
- 正确应用极坐标变换:确保积分转换过程中雅可比行列式和被积函数的正确性。
步骤1:确定积分区域
- 圆$x^2 + y^2 = 1$:极坐标方程为$r = 1$。
- 圆$x^2 + y^2 = 2x$:整理为$(x - 1)^2 + y^2 = 1$,极坐标方程为$r = 2\cos\theta$。
- 直线$y = 0$:对应$\theta = 0$。
- 交点分析:两圆在第一象限的交点为$\left(\frac{1}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}\right)$,对应极坐标$\theta = \frac{\pi}{3}$。
步骤2:确定极坐标积分限
- 角度$\theta$:从$x$轴($\theta = 0$)到交点$\theta = \frac{\pi}{3}$,即$0 \leq \theta \leq \frac{\pi}{3}$。
- 半径$r$:对于每个$\theta$,$r$从内圆$r = 1$到外圆$r = 2\cos\theta$。
步骤3:转换积分并计算
- 被积函数转换:$\frac{1}{\sqrt{x^2 + y^2}} = \frac{1}{r}$,雅可比行列式为$r$,故积分变为:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \int_{1}^{2\cos\theta} \frac{1}{r} \cdot r \, dr \, d\theta = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \int_{1}^{2\cos\theta} 1 \, dr \, d\theta$ - 对$r$积分:$\int_{1}^{2\cos\theta} 1 \, dr = 2\cos\theta - 1$。
- 对$\theta$积分:
$\int_{0}^{\frac{\pi}{3}} (2\cos\theta - 1) \, d\theta = \left[ 2\sin\theta - \theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{3}} = \sqrt{3} - \frac{\pi}{3}$