2016年考研数二第18题解析:二重积分、二重积分的化简、极坐标系下二重积分的计算

题目

编号:A2016218

D 是由直线 y=1, y=x, y=x 围成的有界区域,计算二重积分:

Dx2xyy2x2+y2.

解析

根据题目,我们可以画出如图 01 所示的积分区域 D 的示意图:

2016年考研数二第18题解析:二重积分、二重积分的化简、极坐标系下二重积分的计算_荒原之梦
图 01. 图中绿色部分就是积分区域 D.

观察可知,积分区域 D 由关于坐标轴 Y 轴对称的两个区域 D1D2 组成。于是,根据二重积分的化简定律,可知,关于 x 是奇函数的式子 xy 在关于 Y 轴对称的积分区域 D 上的积分一定为零:

Dxy=0

Dx2xyy2x2+y2

Dx2y2x2+y2.

由于上面的 式涉及到了 x2, y2 以及 x2+y2, 因此,我们可以尝试将 式转换成极坐标系下的二重积分进行计算。

图 02.

根据已知条件,以及上面图 02 的示意可知,在极坐标系下:

θ(45,18045)

θ(π4,3π4).

sinθ=1r

r=1sinθ

r(0,1sinθ).

又:

{x=rcosθ;y=rsinθ.

于是:

Dx2y2x2+y2

Dr2cos2θr2sin2θr2cos2θ+r2sin2θrdrdθ

Dr2(cos2θsin2θ)r2(cos2θ+sin2θ)rdrdθ

D(cos2θsin2θ)(cos2θ+sin2θ)rdrdθ

D(cos2θsin2θ)1rdrdθ

Dr(cos2θsin2θ)drdθ

π43π4(cos2θsin2θ)dθ01sinθrdr

π43π4(cos2θsin2θ)(12r2|01sinθ)dθ

π43π4(cos2θsin2θ)(121sin2θ)dθ

12π43π4(cos2θsin2θsin2θ)dθ

12π43π4(cos2θ+sin2θ2sin2θsin2θ)dθ

12π43π4(1sin2θ2)dθ

12[π43π41sin2θdθπ43π42dθ]

12[π43π41sin2θdθπ]

12[π43π4csc2θdθπ]

12[cot2θ|π43π4π]

注:

[1]. (cotθ)= csc2θ.

12[1tan2θ|π43π4π]

注:

[1]. tanπ4=1;

[2]. tan3π4=1.

12[1(11)π]=12[2π]=1π2.


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