(3)设D=((x,y)|x²+y²≤4),计算I=iintlimits_(D)|2x-x^2-y^2|dx dy.
题目解答
答案
解析
本题主要考察二重积分的计算,涉及对称性简化、积分区域划分及极坐标变换等知识,具体思路如下:
步骤1:分析被积函数与积分区域**
积分区域$D$是圆心在原点、半径为2的圆:$x^2+y^2\leq4$。被积函数为$|2x - x^2 - y^2|$,需先确定绝对值内的表达式符号,以去掉绝对值。
步骤2:简化绝对值内表达式
绝对值内的表达式可改写为:
$2x - x² - y² = 2x - (x² + y²)
记$r^2=x²+yy²$(极坐标下$x²+y²=r²$),则表达式变为$2x - r²$。
## **步骤3:划分积分区域**
根据$2x - r²\geq0$还是$<0$,将\(划分为两部分:
- **$D_1$**:满足$2x - r²\geq0$的区域,即$(x-1)^2 + y^2\leq1$(圆心在(1,0)、半径1的圆);
- **$D_2$**:$D$中除$D_1$外的部分,即$2x - r²<0$
## **步骤4:拆分积分并利用对称性**
原积分拆分为:
\[I=\iint_{D_1}(2x - x² - y²)dxdy + iint_{D_2}(x² + y² - 2x)dxdy$
利用奇函数对称性:$iint_{D}2xdxdy=0$(因$2x$是x的奇函数,积分区域关于y轴对称),化简得:
$I=2iint_{D_}(2x - x² - y²)dxdy + iint_{D}(x² + y²)dxdy$
步骤5:计算积分
-
$iint_{D}(x² + y²)dxdy$:
极坐标下$x² + y²=r²$,面积元素$rdrd\theta$,积分范围$0\leq r\leq2,0\leq\theta<2\pi$:
$iint_{D}r²\cdot rdrd\theta=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^2r^3dr=2\pi\cdot\left[\frac{r^4}{4}\right]_0^2=2\pi\cdot4=8\pi$ -
$iint_{D_1}(2x - x² - y²)dxdy$:
$D_1$是圆心(1,0)、半径1的圆,极坐标$令\(x'=x-1$,则$x=x'+1$,$x² + y²=(x'+1)^2 + y²=r'^2 + 2x'+1$,被积函数:
$2x - (x² + y²)=2(x'+1)-(r'^2 + 2x'+1)=1 - r'^2$
积分:$iint_{D_1}(1 - r'^2)r'dr'd\theta=\int_0^{2\pi}d\theta\int_0^1(1 - r'^2)r'dr'$
计算:$2\pi\cdot\left[\frac{r'^2}{2}-\frac{r'^4}{4}\right]_0^1=2\pi\cdot\left(\frac{1}{2}-\frac{1}{4}\right)=2\pi\cdot\frac{1}{4}=\frac{\pi}{2}$
步骤6:最终结果
代入得:
$I=2\times\frac{\pi}{2}+8\pi=\pi + 8\pi=9\pi$