一、题目
已知曲线 $L$ 的极坐标方程为 $r = \sin 3 \theta \left( 0 \leqslant \theta \leqslant \frac{\pi}{3} \right)$, 则 $L$ 围成有界区域的面积为 $\underline{\qquad\qquad}$.
二、解析
解法 1
本题中的被积函数在极坐标系下也很规整简单,所以,不用转为直角坐标系下的积分进行计算.
接着,根据《利用定积分计算以极坐标系为基准的平面图形面积的公式》和《点火公式》可知:
$$
\begin{aligned}
S & = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{2} \sin^{2} 3 \theta \mathrm{~d} \theta \\ \\
& = \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1}{6} \sin^{2} 3 \theta \mathrm{~d} 3 \theta \\ \\
& \textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \textcolor{gray}{u = 3 \theta} \\ \\
& = \frac{1}{6} \int_{0}^{\pi} \sin^{2} u \mathrm{~d} u \\ \\
& = \frac{1}{6} \cdot 2 \cdot \textcolor{pink}{ \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \sin^{2} u \mathrm{~d} u } \\ \\
& \textcolor{lightgreen}{ \leadsto } \textcolor{gray}{\text{点火公式}} \\ \\
& = \frac{1}{6} \times 2 \times \textcolor{pink}{ \frac{\pi}{2} \times \frac{1}{2} } \\ \\
& = \textcolor{lightgreen}{ \frac{\pi}{12} }
\end{aligned}
$$
解法 2
本题中的被积函数在极坐标系下也很规整简单,所以,不用转为直角坐标系下的积分进行计算.
接着,根据《利用定积分计算以极坐标系为基准的平面图形面积的公式》可知:
$$
\begin{aligned}
S & = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \sin^{2} 3 \theta \mathrm{~d}\theta \\ \\
& = \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \frac{1 – \cos 6 \theta}{2} \mathrm{~d}\theta \\ \\
& = \frac{1}{4} \left(\frac{\pi}{3} – \int_{0}^{\frac{\pi}{3}} \cos 6 \theta \mathrm{~d}\theta\right) \\ \\
& = \frac{\pi}{12} + \left. \frac{1}{24} \sin 6 \theta \right|_{0}^{\frac{\pi}{3}} \\ \\
& = \frac{\pi}{12} + 0 – 0 \\ \\
& = \textcolor{lightgreen}{ \frac{\pi}{12} }
\end{aligned}
$$
三、拓展习题
[01]. 交换极坐标系下二重积分的积分次序
[02]. 当积分区域出现“圆形”时,就要考虑转换为极坐标系求解
[03]. 当二重积分的积分区域不是圆形但被积函数和圆形有关时,也可以尝试使用极坐标系求解
[04]. 有根号又有平方的累次积分怎么求解?用极坐标系试一试吧!
[05]. 极坐标系和直角坐标系累次积分互相转换:别忘了那个特别的 $r$
[06]. 当二重积分的积分区域是圆形时一般考虑用极坐标:当这个圆形区域的位置并不标准时,可以考虑平移代换
[07]. 当二重积分的被积函数有根号有平方项的时候就可以常使用极坐标系求解
[08]. 当二重积分的积分区域中含有 $x$ 的平方和 $y$ 的平方时就可以考虑使用极坐标系了
[09]. 转为极坐标系后,怎么确定新的积分上下限?
[10]. 利用奇偶性和对称性直接计算极坐标系下的二重积分
[11]. 极坐标系二重积分的转换坐标系和调换积分次序的计算
[12]. 2026年考研数二第17题解析:二重积分、直角坐标系转极坐标系
[13]. 2023年考研数二第20题解析:极坐标系二重积分
[14]. 2021年考研数二第21题解析:直角坐标系转极坐标系、二重积分的计算
[15]. 2019年考研数二第18题解析:利用对称性和极坐标求解二重定积分
高等数学
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