2022年 · 五-1
1. $\displaystyle{\iint_{D}\left(x^{2}+y^{2}\right) \mathrm{d} x \mathrm{~d} y}$ ,其中 $D$ 是以 $y=x, y=x+a, y=a$ 和 $y=3 a(a>0)$ 为边的平行四边形。
计算题 ★★★★
题目1:确定积分区域与变量替换
区域D由直线y=x, y=x+a, y=a, y=3a围成,其中a>0。令u=y-x, v=y,则区域变为:u从0到a,v从a到3a。雅可比行列式|J|=1。
题目1:变换积分并计算
被积函数x²+y²用u,v表示:x=v-u, y=v,则x²+y²=(v-u)²+v²=2v²-2uv+u²。积分化为∫_{v=a}^{3a}∫_{u=0}^{a}(2v²-2uv+u²) du dv。先对u积分:∫(2v²-2uv+u²)du = 2v²u - v u² + u³/3 从0到a = 2av² - a²v + a³/3。再对v积分:∫_{a}^{3a}(2av² - a²v + a³/3)dv = [2a·v³/3 - a²·v²/2 + a³v/3]_{a}^{3a} = 计算得14a⁴/3。
题目2:识别积分区域与选择坐标系
区域D是圆心在原点、半径为1的圆盘:x²+y²≤1。被积函数√(x²+y²)具有旋转对称性,采用极坐标变换:x=r cosθ, y=r sinθ,雅可比行列式为r,积分区域:r从0到1,θ从0到2π。
题目2:极坐标下计算积分
被积函数√(x²+y²)=r,积分化为∫_{θ=0}^{2π}∫_{r=0}^{1} r·r dr dθ = ∫_{0}^{2π}dθ ∫_{0}^{1} r² dr = 2π · [r³/3]_{0}^{1} = 2π/3。