题目
设 D=(x,y)|x^2+y^2 leq 1,则二重积分 iint_(D) ln(x^2 + y^2), dx , dy ().A. geq 0;B. leq 0;C. = 0;D. 不一定存在。
设 $D=\{(x,y)|x^2+y^2 \leq 1\}$,则二重积分 $\iint_{D} \ln(x^2 + y^2)\, dx \, dy$ ().
A. $\geq 0$;
B. $\leq 0$;
C. $= 0$;
D. 不一定存在。
题目解答
答案
B. $\leq 0$;
解析
考查要点:本题主要考查二重积分的性质及对数函数在特定区域内的符号判断。
解题核心思路:
- 确定被积函数的符号:在单位圆内,$x^2 + y^2$ 的取值范围为 $[0,1]$,而$\ln(t) \leq 0$ 当且仅当 $0 < t \leq 1$。因此,$\ln(x^2 + y^2)$ 在区域 $D$ 内非正。
- 积分性质应用:被积函数非正时,二重积分的结果非正。
- 积分存在性验证:通过极坐标变换计算积分,确认积分收敛且结果为负。
破题关键点:
- 对数函数的单调性:$\ln(t)$ 在 $(0,1]$ 区间内单调递增且非正。
- 极坐标转换:将积分转换为极坐标形式,简化计算并验证积分存在性。
步骤1:分析被积函数的符号
在区域 $D = \{(x, y) \mid x^2 + y^2 \leq 1\}$ 内,$x^2 + y^2$ 的取值范围为 $[0, 1]$。
- 当 $0 < x^2 + y^2 \leq 1$ 时,$\ln(x^2 + y^2) \leq 0$(因为 $\ln(t) \leq 0$ 对 $0 < t \leq 1$ 成立)。
- 当 $x^2 + y^2 = 1$ 时,$\ln(x^2 + y^2) = 0$。
因此,$\ln(x^2 + y^2)$ 在 $D$ 内非正,仅在边界处等于0。
步骤2:应用二重积分性质
根据二重积分的性质,若被积函数在积分区域上非正,则积分结果非正:
$\iint_{D} \ln(x^2 + y^2) \, dx \, dy \leq \iint_{D} 0 \, dx \, dy = 0.$
步骤3:验证积分存在性
将积分转换为极坐标形式:
$\iint_{D} \ln(x^2 + y^2) \, dx \, dy = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{1} \ln(r^2) \cdot r \, dr \, d\theta.$
化简被积函数:
$\ln(r^2) = 2\ln r, \quad \text{积分变为} \quad 2 \int_{0}^{2\pi} d\theta \int_{0}^{1} r \ln r \, dr.$
- $\theta$ 积分结果为 $2\pi$。
- $r$ 积分 $\int_{0}^{1} r \ln r \, dr$ 存在且为负数(计算得 $-\frac{1}{4}$)。
因此,整体积分结果为负,积分存在且结果为负。