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

一、题目题目 - 荒原之梦

I=01 dyy1x2+y2 dx=?

难度评级:

本题的计算步骤可以参考 这篇文章

二、解析 解析 - 荒原之梦

由题知:

x(0,1),y=x,x=1

于是,我们可以绘制出如下积分区域(阴影部分):

荒原之梦 | 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
图 01.

虽然这个积分区域不像 这道题 一样来自一个圆形,但是本题的被积函数 x2+y2 和圆形有关,且直接在直角坐标系中做积分运算又很复杂,于是,我们可以尝试转换为极坐标系进行积分运算。

又:

x=1rcosθ=1r=1cosθ

于是:

I=0π4dθ01cosθ(cosθ)2+(rsinθ)2rdr

I=0π4dθ01cosθr2dr

I=130π4(r3|01cosθ)dθ

I=130π41cos3θdθ

解法 1

I=130π4d(sinθ)cos4θ

I=130π4d(sinθ)(1sin2θ)2.

t=sinθ, 则:

θ(0,π4)t(0,22)

因此:

I=130221(1t2)2dt

I=13022(11t2)2dt

I=13(12)2022(11t+11+t)2dt

I=1314022[1(1t)2+1(1+t)2+21t2]dt

I=1314022[1(1t)2+1(1+t)2+11t+11+t]dt

I=1314[11t11+t+ln(1+t)ln(1t)]|022

I=1314[11t11+t+ln1+t1t]|022

进而:

I=1314[112211+22+ln1+22122]

I=112[22222+2+ln2+222]

I=112[22+ln22+2222]

I=112[22+ln(2+1)2(21)(2+1)]

I=112[22+ln(2+1)2]

I=112[22+2ln(2+1)]

I=16[2+ln(2+1)]=26+16ln(2+1).

解法 2

I=130π41cos3θdθ

130π4sin2θ+cos2θcos3θdθ

13[0π4sin2θcos3θdθ+0π4dθcosθ]

又:

(1cos2θ)θ=2cosθsinθcos4θ=2sinθcos3θ

于是:

13[0π412sinθd(1cos2θ)+0π41cosθdθ]

13[12sinθcos2θ|0π4120π4d(sinθ)cos2θ+0π41cosθdθ]

13[122212120π41cosθdθ+0π41cosθdθ]

13[22+120π4d(sinθ)cos2θ]

13[22+120π4d(sinθ)1sin2θ]

接着:

13[22+022dt1t2]

26+1612(11+t+11t)|022

26+1612[ln(1+t)ln(1t)]|022

26+1612ln1+t1t|022=26+1612ln(2+1)2

26+16ln(2+1).


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