题目
设I=iintlimits_(D)sqrt(xy+4)dsigma,其中D=(x,y)mid 0le xle 2,0le yle 2,则利用二重积分的性质估计可得().A. 4le Ile 8sqrt(2)B. 2le Ile 4sqrt(2)C. 4le Ile 4sqrt(2)D. 8le Ile 8sqrt(2)
设$I=\iint\limits_{D}\sqrt{xy+4}d\sigma$,其中$D=\left\{(x,y)\mid 0\le x\le 2,0\le y\le 2\right\}$,则利用二重积分的性质估计可得().
A. $4\le I\le 8\sqrt{2}$
B. $2\le I\le 4\sqrt{2}$
C. $4\le I\le 4\sqrt{2}$
D. $8\le I\le 8\sqrt{2}$
题目解答
答案
D. $8\le I\le 8\sqrt{2}$
解析
本题考查二重积分的估值性质。解题思路是先找出被积函数在积分区域上的最大值 $M$ 和最小值 $m$,再计算积分区域 $D$ 的面积 $S$,最后根据二重积分的估值定理 $mS\leqslant\iint\limits_{D}f(x,y)d\sigma\leqslant MS$ 来估计积分 $I$ 的取值范围。
步骤一:求被积函数 $f(x,y)=\sqrt{xy + 4}$ 在积分区域 $D$ 上的最大值 $M$ 和最小值 $m$
- 求最小值 $m$:
已知积分区域 $D=\{(x,y)\mid 0\leqslant x\leqslant 2,0\leqslant y\leqslant 2\}$,对于函数 $f(x,y)=\sqrt{xy + 4}$,因为 $x\geqslant0$,$y\geqslant0$,所以当 $x = 0$ 且 $y = 0$ 时,$xy$ 取得最小值 $0$,此时 $f(x,y)$ 取得最小值 $m=\sqrt{0\times0 + 4}=\sqrt{4}=2$。 - 求最大值 $M$:
当 $x = 2$ 且 $y = 2$ 时,$xy$ 取得最大值 $2\times2 = 4$,此时 $f(x,y)$ 取得最大值 $M=\sqrt{2\times2 + 4}=\sqrt{4 + 4}=\sqrt{8}=2\sqrt{2}$。
步骤二:计算积分区域 $D$ 的面积 $S$
积分区域 $D$ 是一个边长为 $2$ 的正方形,根据正方形面积公式 $S = a^2$(其中 $a$ 为边长),可得 $S = 2\times2 = 4$。
步骤三:根据二重积分的估值定理估计积分 $I$ 的取值范围
由二重积分的估值定理 $mS\leqslant\iint\limits_{D}f(x,y)d\sigma\leqslant MS$,将 $m = 2$,$M = 2\sqrt{2}$,$S = 4$ 代入可得:
$2\times4\leqslant\iint\limits_{D}\sqrt{xy + 4}d\sigma\leqslant 2\sqrt{2}\times4$
即 $8\leqslant I\leqslant 8\sqrt{2}$。