题目
计算二重积分 ∬ D xydσ,其中区域D为曲线r=1+cosθ(0≤θ≤π)与极轴围成.
计算二重积分
xydσ,其中区域D为曲线r=1+cosθ(0≤θ≤π)与极轴围成.
∬ |
D |
题目解答
答案
∵D={(r,θ)|0≤θ≤π,0<r≤1+cosθ}
∴
xydσ=
dθ
r2sinθcosθ•rdr
=
sinθcosθ•(1+cosθ)4dθ
=−
cosθ•(1+cosθ)4dcosθ
u(1+u)4du
=
(u+4u2+6u3+4u4+u5)du
=2
(u2+u4)du=2(
u3+
u5)
=
.
∴
∬ |
D |
∫ | π 0 |
∫ | 1+cosθ 0 |
=
1 |
4 |
∫ | π 0 |
=−
∫ | π 0 |
令u=cosθ |
. |
1 |
4 |
∫ | 1 −1 |
=
1 |
4 |
∫ | 1 −1 |
=2
∫ | 1 0 |
1 |
3 |
1 |
5 |
| | 1 0 |
16 |
15 |
解析
步骤 1:确定积分区域D
区域D由极坐标方程r=1+cosθ(0≤θ≤π)与极轴围成,因此D={(r,θ)|0≤θ≤π,0<r≤1+cosθ}。
步骤 2:将二重积分转换为极坐标形式
将二重积分∬
D
xydσ转换为极坐标形式,其中x=rcosθ,y=rsinθ,dσ=rdrdθ。因此,原积分变为 ∫
π 0
dθ ∫
1+cosθ 0
r2sinθcosθ•rdr。
步骤 3:计算内层积分
计算内层积分 ∫
1+cosθ 0
r2sinθcosθ•rdr,得到 1
4
sinθcosθ•(1+cosθ)4。
步骤 4:计算外层积分
计算外层积分 1
4
∫
π 0
sinθcosθ•(1+cosθ)4dθ,令u=cosθ,得到− ∫
π 0
cosθ•(1+cosθ)4dcosθ。
步骤 5:计算最终结果
计算最终结果,得到 1
4
∫
1 −1
u(1+u)4du = 1
4
∫
1 −1
(u+4u2+6u3+4u4+u5)du =2 ∫
1 0
(u2+u4)du=2( 1
3
u3+ 1
5
u5) |
1 0
= 16
15
。
区域D由极坐标方程r=1+cosθ(0≤θ≤π)与极轴围成,因此D={(r,θ)|0≤θ≤π,0<r≤1+cosθ}。
步骤 2:将二重积分转换为极坐标形式
将二重积分∬
D
xydσ转换为极坐标形式,其中x=rcosθ,y=rsinθ,dσ=rdrdθ。因此,原积分变为 ∫
π 0
dθ ∫
1+cosθ 0
r2sinθcosθ•rdr。
步骤 3:计算内层积分
计算内层积分 ∫
1+cosθ 0
r2sinθcosθ•rdr,得到 1
4
sinθcosθ•(1+cosθ)4。
步骤 4:计算外层积分
计算外层积分 1
4
∫
π 0
sinθcosθ•(1+cosθ)4dθ,令u=cosθ,得到− ∫
π 0
cosθ•(1+cosθ)4dcosθ。
步骤 5:计算最终结果
计算最终结果,得到 1
4
∫
1 −1
u(1+u)4du = 1
4
∫
1 −1
(u+4u2+6u3+4u4+u5)du =2 ∫
1 0
(u2+u4)du=2( 1
3
u3+ 1
5
u5) |
1 0
= 16
15
。