题目
1、计算二重积分I=iintlimits_(D)(x^2)/(y^2)dsigma,其中D是由直线x=2,y=x及曲线xy=1所围成的闭区域.
1、计算二重积分$I=\iint\limits_{D}\frac{x^{2}}{y^{2}}d\sigma$,其中D是由直线x=2,y=x及曲线xy=1所围成的闭区域.
题目解答
答案
- 确定积分区域: 区域 $D$ 由 $x=2$,$y=x$,和 $xy=1$ 围成,交点为 $(1,1)$,$(2,2)$,和 $(2,\frac{1}{2})$。 故 $1 \leq x \leq 2$,$\frac{1}{x} \leq y \leq x$。 2. 设置二重积分: $I = \int_{1}^{2} \int_{\frac{1}{x}}^{x} \frac{x^2}{y^2} \, dy \, dx$ 3. 计算内积分: $\int_{\frac{1}{x}}^{x} \frac{x^2}{y^2} \, dy = x^2 \left[ -\frac{1}{y} \right]_{\frac{1}{x}}^{x} = x^3 - x$ 4. 计算外积分: $\int_{1}^{2} (x^3 - x) \, dx = \left[ \frac{x^4}{4} - \frac{x^2}{2} \right]_{1}^{2} = \frac{9}{4}$ 答案: $\boxed{\frac{9}{4}}$
解析
本题考查二重积分的计算,解题思路是先确定积分区域 $D$ 的范围,然后将二重积分化为累次积分进行计算。
- 确定积分区域 $D$ 的范围:
- 首先求直线 $y = x$ 与曲线 $xy = 1$ 的交点,联立方程 $\begin{cases}y = x\\xy = 1\end{cases}$,将 $y = x$ 代入 $xy = 1$ 得 $x^2 = 1$,解得 $x = 1$ 或 $x=-1$,因为区域在第一象限,所以取 $x = 1$,此时 $y = 1$,交点为 $(1,1)$。
- 求直线 $x = 2$ 与直线 $y = x$ 的交点,联立方程 $\begin{cases}x = 2\\y = x\end{cases}$,可得交点为 $(2,2)$。
- 求直线 $x = 2$ 与曲线 $xy = 1$ 的交点,联立方程 $\begin{cases}x = 2\\xy = 1\end{cases}$,将 $x = 2$ 代入 $xy = 1$ 得 $2y = 1$,解得 $y=\frac{1}{2}$,交点为 $(2,\frac{1}{2})$。
- 由此可知,积分区域 $D$ 中 $x$ 的范围是 $1\leq x\leq 2$,对于每个固定的 $x$,$y$ 的范围是从曲线 $y=\frac{1}{x}$ 到直线 $y = x$,即 $\frac{1}{x}\leq y\leq x$。
- 将二重积分化为累次积分:
根据上述积分区域的范围,二重积分 $I=\iint\limits_{D}\frac{x^{2}}{y^{2}}d\sigma$ 可化为累次积分 $I = \int_{1}^{2}dx\int_{\frac{1}{x}}^{x}\frac{x^{2}}{y^{2}}dy$。 - 计算内积分:
先对 $y$ 积分,$\int_{\frac{1}{x}}^{x}\frac{x^{2}}{y^{2}}dy$,因为 $\frac{x^{2}}{y^{2}}=x^{2}y^{-2}$,根据积分公式 $\int y^{n}dy=\frac{y^{n + 1}}{n+1}+C(n\neq - 1)$,可得:
$\int_{\frac{1}{x}}^{x}x^{2}y^{-2}dy=x^{2}\int_{\frac{1}{x}}^{x}y^{-2}dy=x^{2}\left[-\frac{1}{y}\right]_{\frac{1}{x}}^{x}$
将积分上下限代入得:$x^{2}\left(-\frac{1}{x}-\left(-x\right)\right)=x^{2}\left(-\frac{1}{x}+x\right)=x^{3}-x$。 - 计算外积分:
再对 $x$ 积分,$\int_{1}^{2}(x^{3}-x)dx$,根据积分公式 $\int x^{n}dx=\frac{x^{n + 1}}{n + 1}+C(n\neq - 1)$,可得:
$\int_{1}^{2}(x^{3}-x)dx=\left[\frac{x^{4}}{4}-\frac{x^{2}}{2}\right]_{1}^{2}$
将积分上下限代入得:$\left(\frac{2^{4}}{4}-\frac{2^{2}}{2}\right)-\left(\frac{1^{4}}{4}-\frac{1^{2}}{2}\right)$
$=(4 - 2)-\left(\frac{1}{4}-\frac{1}{2}\right)=2-\left(-\frac{1}{4}\right)=2+\frac{1}{4}=\frac{9}{4}$。