题目
填空题(共5题,35.0分)13.(5.0分)设D:|x|+|y|≤1,则iintlimits_(D)45x^2y^2dsigma=____.
填空题(共5题,35.0分)
13.(5.0分)
设D:|x|+|y|≤1,则$\iint\limits_{D}45x^{2}y^{2}d\sigma=$____.
题目解答
答案
为了计算二重积分 $\iint\limits_{D} 45x^2y^2 \, d\sigma$,其中 $D$ 是由 $|x| + |y| \leq 1$ 定义的区域,我们可以利用区域 $D$ 的对称性。区域 $D$ 是一个以原点为中心的菱形,其顶点位于 $(\pm 1, 0)$ 和 $(0, \pm 1)$。
由于被积函数 $45x^2y^2$ 是关于 $x$ 和 $y$ 的偶函数,我们可以在第一象限计算积分,然后将结果乘以4。在第一象限中,区域 $D$ 由 $0 \leq x \leq 1$ 和 $0 \leq y \leq 1 - x$ 定义。
因此,积分可以写为:
\[
\iint\limits_{D} 45x^2y^2 \, d\sigma = 4 \int_{0}^{1} \int_{0}^{1-x} 45x^2y^2 \, dy \, dx.
\]
首先,我们关于 $y$ 进行积分:
\[
\int_{0}^{1-x} 45x^2y^2 \, dy = 45x^2 \int_{0}^{1-x} y^2 \, dy = 45x^2 \left[ \frac{y^3}{3} \right]_{0}^{1-x} = 45x^2 \cdot \frac{(1-x)^3}{3} = 15x^2 (1-x)^3.
\]
接下来,我们关于 $x$ 进行积分:
\[
4 \int_{0}^{1} 15x^2 (1-x)^3 \, dx = 60 \int_{0}^{1} x^2 (1-x)^3 \, dx.
\]
为了计算 $\int_{0}^{1} x^2 (1-x)^3 \, dx$,我们可以使用分部积分法或二项式展开。这里,我们使用二项式展开:
\[
(1-x)^3 = 1 - 3x + 3x^2 - x^3.
\]
因此,
\[
x^2 (1-x)^3 = x^2 (1 - 3x + 3x^2 - x^3) = x^2 - 3x^3 + 3x^4 - x^5.
\]
所以,
\[
60 \int_{0}^{1} (x^2 - 3x^3 + 3x^4 - x^5) \, dx = 60 \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{3x^4}{4} + \frac{3x^5}{5} - \frac{x^6}{6} \right]_{0}^{1} = 60 \left( \frac{1}{3} - \frac{3}{4} + \frac{3}{5} - \frac{1}{6} \right).
\]
现在,我们需要找到括号内表达式的值:
\[
\frac{1}{3} = \frac{20}{60}, \quad \frac{3}{4} = \frac{45}{60}, \quad \frac{3}{5} = \frac{36}{60}, \quad \frac{1}{6} = \frac{10}{60}.
\]
因此,
\[
\frac{1}{3} - \frac{3}{4} + \frac{3}{5} - \frac{1}{6} = \frac{20}{60} - \frac{45}{60} + \frac{36}{60} - \frac{10}{60} = \frac{1}{60}.
\]
所以,
\[
60 \left( \frac{1}{60} \right) = 1.
\]
因此,积分的值是:
\[
\boxed{1}.
\]