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

一、题目题目 - 荒原之梦

设 $D=\left\{(x, y) \mid x^{2}+y^{2} \leqslant x\right \}$, 则 $I=\iint_{D}\left(x+y^{2}\right) \mathrm{~d} \sigma=?$

难度评级:

二、解析 解析 - 荒原之梦

由题可知:

$$
x^{2}+y^{2} \leq x \Rightarrow x^{2}+y^{2}-x \leq 0 \Rightarrow
$$

$$
\left(x-\frac{1}{2}\right)^{2}+y^{2} \leq \frac{1}{4} \Rightarrow
$$

$$
\left\{\begin{array}{l}x=r \cos \theta \\ y=r \sin \theta \end{array}\right.\Rightarrow
$$

$$
\theta \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right], \ r \in[0, \cos \theta]
$$

于是:

$$
I=\iint_{D}\left(r \cos \theta+r^{2} \sin ^{2} \theta\right) r d \theta=
$$

$$
I=\iint_{D} r^{2} \cos \theta d \theta+\iint_{D}^{3} \sin ^{2} \theta d r=
$$

$$
I=\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \cos ^{2} \theta \int_{0}^{\cos \theta} r^{2} d r+\int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \sin ^{2} \theta \int_{0}^{\cos ^{2} \theta} r^{3} d r=
$$

$$
I=\frac{2}{3} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos ^{4} \theta d \theta+\frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}}\left(1-\cos ^{2} \theta\right) \cos ^{4} \theta d \theta
$$

$$
I=\frac{2}{3}(\frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2})+\frac{1}{2} \Big[(\frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2})-(\frac{5}{6} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{\pi}{2})\Big] \Rightarrow
$$

$$
I=\left(\frac{2}{3}+\frac{1}{2}-\frac{1}{2} \cdot \frac{5}{6}\right)\left(\frac{3}{4} \cdot \frac{\pi}{4}\right) \Rightarrow
$$

$$
I=\frac{3}{4} \cdot \frac{3}{4} \cdot \frac{\pi}{4}=\frac{9 \pi}{64}
$$


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