题目
计算二重积分:(iint )_(D)(ln (1+(x)^2+(y)^2))dxdy,其中(iint )_(D)(ln (1+(x)^2+(y)^2))dxdy是由圆周(iint )_(D)(ln (1+(x)^2+(y)^2))dxdy及坐标轴所围的在第一象限内的闭区域.
计算二重积分:
,其中
是由圆周
及坐标轴所围的在第一象限内的闭区域.
题目解答
答案

解析
步骤 1:转换为极坐标
将直角坐标系下的二重积分转换为极坐标系下的二重积分。在极坐标系中,$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$dxdy = rdrd\theta$。因此,原积分可以写为:
$$
\iint_{D} \ln(1+x^2+y^2)dxdy = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr d\theta
$$
步骤 2:计算内层积分
计算内层积分$\int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr$。使用分部积分法,设$u = \ln(1+r^2)$,$dv = r dr$,则$du = \frac{2r}{1+r^2} dr$,$v = \frac{1}{2}r^2$。因此,内层积分可以写为:
$$
\int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr = \left[\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)\right]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr
$$
步骤 3:计算外层积分
计算外层积分$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} d\theta$。由于外层积分是对$\theta$的积分,而$\theta$的范围是$[0, \frac{\pi}{2}]$,因此外层积分的值为$\frac{\pi}{2}$。将内层积分的结果代入外层积分,得到:
$$
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr d\theta = \frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)\right]_{0}^{1} - \frac{\pi}{2} \int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr
$$
步骤 4:计算最终结果
计算最终结果。将$r=1$代入$\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)$,得到$\frac{1}{2}\ln 2$。计算$\int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr$,得到$\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\ln 2$。因此,最终结果为:
$$
\frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2}\ln 2\right] - \frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\ln 2\right] = \frac{\pi}{4}(2\ln 2 - 1)
$$
将直角坐标系下的二重积分转换为极坐标系下的二重积分。在极坐标系中,$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,$dxdy = rdrd\theta$。因此,原积分可以写为:
$$
\iint_{D} \ln(1+x^2+y^2)dxdy = \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr d\theta
$$
步骤 2:计算内层积分
计算内层积分$\int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr$。使用分部积分法,设$u = \ln(1+r^2)$,$dv = r dr$,则$du = \frac{2r}{1+r^2} dr$,$v = \frac{1}{2}r^2$。因此,内层积分可以写为:
$$
\int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr = \left[\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)\right]_{0}^{1} - \int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr
$$
步骤 3:计算外层积分
计算外层积分$\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} d\theta$。由于外层积分是对$\theta$的积分,而$\theta$的范围是$[0, \frac{\pi}{2}]$,因此外层积分的值为$\frac{\pi}{2}$。将内层积分的结果代入外层积分,得到:
$$
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{1} \ln(1+r^2) r dr d\theta = \frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)\right]_{0}^{1} - \frac{\pi}{2} \int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr
$$
步骤 4:计算最终结果
计算最终结果。将$r=1$代入$\frac{1}{2}r^2\ln(1+r^2)$,得到$\frac{1}{2}\ln 2$。计算$\int_{0}^{1} \frac{r^2}{1+r^2} dr$,得到$\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\ln 2$。因此,最终结果为:
$$
\frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2}\ln 2\right] - \frac{\pi}{2} \left[\frac{1}{2} - \frac{1}{2}\ln 2\right] = \frac{\pi}{4}(2\ln 2 - 1)
$$