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4/14 文件题(分值10.0分,难度:易)【20】计算二重积分 iintlimits_(D)(x^2+sin xcos y)dxdy,其中D是由直线y=1-x与y=1+x及x轴所围成的闭区域.

4/14 文件题(分值10.0分,难度:易) 【20】计算二重积分$ \iint\limits_{D}(x^{2}+\sin x\cos y)dxdy$,其中D是由直线y=1-x与y=1+x及x轴所围成的闭 区域.

题目解答

答案

为了计算二重积分 $\iint\limits_{D}(x^{2}+\sin x\cos y)\,dxdy$,其中 $D$ 是由直线 $y=1-x$,$y=1+x$ 和 $x$-轴所围成的闭区域,我们将按照以下步骤进行: 1. **确定积分区域 $D$:** - 直线 $y=1-x$ 和 $y=1+x$ 在 $y$-轴上相交于 $y=1$,在 $x$-轴上分别相交于 $x=1$ 和 $x=-1$。 - 区域 $D$ 关于 $y$-轴对称,由 $x$-轴在下方,直线 $y=1-x$ 和 $y=1+x$ 在上方所围成。 2. **设置二重积分:** - 我们将首先对 $y$ 进行积分,然后对 $x$ 进行积分。 - 对于一个固定的 $x$ 在 $[-1, 1]$ 范围内,$y$ 的范围从 $0$ 到 $1-|x|$。由于区域关于 $y$-轴对称,我们可以将积分分为两部分,但更简单的方法是使用 $y$ 的分段函数。 3. **将二重积分写成迭代积分:** \[ \iint\limits_{D}(x^{2}+\sin x\cos y)\,dxdy = \int_{-1}^{1} \int_{0}^{1-|x|} (x^{2} + \sin x \cos y) \, dy \, dx \] 4. **对 $y$ 进行积分:** \[ \int_{0}^{1-|x|} (x^{2} + \sin x \cos y) \, dy = \int_{0}^{1-|x|} x^{2} \, dy + \int_{0}^{1-|x|} \sin x \cos y \, dy \] - 第一个积分是: \[ \int_{0}^{1-|x|} x^{2} \, dy = x^{2} \left[ y \right]_{0}^{1-|x|} = x^{2} (1-|x|) \] - 第二个积分是: \[ \int_{0}^{1-|x|} \sin x \cos y \, dy = \sin x \left[ \sin y \right]_{0}^{1-|x|} = \sin x \sin(1-|x|) \] - 将这些结果合并,我们得到: \[ \int_{0}^{1-|x|} (x^{2} + \sin x \cos y) \, dy = x^{2} (1-|x|) + \sin x \sin(1-|x|) \] 5. **对 $x$ 进行积分:** \[ \int_{-1}^{1} \left( x^{2} (1-|x|) + \sin x \sin(1-|x|) \right) \, dx \] - 由于 $\sin x \sin(1-|x|)$ 是一个奇函数,其在对称区间 $[-1, 1]$ 上的积分是零: \[ \int_{-1}^{1} \sin x \sin(1-|x|) \, dx = 0 \] - 因此,我们只需要积分 $x^{2} (1-|x|)$: \[ \int_{-1}^{1} x^{2} (1-|x|) \, dx \] - 由于 $x^{2} (1-|x|)$ 是一个偶函数,我们可以从 $0$ 到 $1$ 进行积分,然后乘以 2: \[ \int_{-1}^{1} x^{2} (1-|x|) \, dx = 2 \int_{0}^{1} x^{2} (1-x) \, dx \] - 简化被积函数: \[ x^{2} (1-x) = x^{2} - x^{3} \] - 从 $0$ 到 $1$ 进行积分: \[ \int_{0}^{1} (x^{2} - x^{3}) \, dx = \left[ \frac{x^{3}}{3} - \frac{x^{4}}{4} \right]_{0}^{1} = \frac{1}{3} - \frac{1}{4} = \frac{1}{12} \] - 乘以 2: \[ 2 \cdot \frac{1}{12} = \frac{1}{6} \] 6. **最终答案:** \[ \iint\limits_{D}(x^{2}+\sin x\cos y)\,dxdy = \boxed{\frac{1}{6}} \]

解析

考查要点:本题主要考查二重积分的计算,涉及积分区域的确定、对称性的应用以及分项积分法。

解题核心思路:

  1. 确定积分区域:通过分析直线交点,明确区域形状,选择合适的积分次序。
  2. 分项积分:将被积函数拆分为两部分,分别积分。
  3. 利用对称性简化计算:通过判断奇偶性,减少积分计算量。

破题关键点:

  • 积分区域对称性:区域关于$y$-轴对称,可简化$x$的积分。
  • 奇偶性判断:$\sin x \sin(1-|x|)$为奇函数,在对称区间积分结果为$0$,只需计算$x^2(1-|x|)$部分。

确定积分区域

区域$D$由直线$y=1-x$、$y=1+x$和$x$-轴围成,顶点为$(1,0)$、$(-1,0)$、$(0,1)$,关于$y$-轴对称。对$y$积分时,$x$的范围为$[-1,1]$,$y$的范围为$[0,1-|x|]$。

分项积分

将被积函数拆分为$x^2$和$\sin x \cos y$两部分:
$\iint\limits_{D}(x^{2}+\sin x\cos y)\,dxdy = \iint\limits_{D} x^2 \,dxdy + \iint\limits_{D} \sin x \cos y \,dxdy$

计算第一部分积分

$\iint\limits_{D} x^2 \,dxdy = \int_{-1}^{1} \int_{0}^{1-|x|} x^2 \, dy \, dx = \int_{-1}^{1} x^2 (1-|x|) \, dx$
利用偶函数性质:
$\int_{-1}^{1} x^2 (1-|x|) \, dx = 2 \int_{0}^{1} x^2 (1-x) \, dx = 2 \left[ \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} \right]_0^1 = \frac{1}{6}$

计算第二部分积分

$\iint\limits_{D} \sin x \cos y \,dxdy = \int_{-1}^{1} \sin x \left( \int_{0}^{1-|x|} \cos y \, dy \right) dx = \int_{-1}^{1} \sin x \sin(1-|x|) \, dx$
由于$\sin x \sin(1-|x|)$为奇函数,在对称区间积分结果为$0$。

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