10.3 习题课讲解

例 10.3.1 设摆线方程为(1){x=a(t−sin⁡t)y=a(1−cos⁡t),t∈[0,2π] 求:

(1)

摆线的弧长;

(2)

摆线与x轴所围成的有界区域的面积;

(3)

摆线绕x轴旋转一周所围成的空间有界区域的体积;

(4)

摆线绕x轴旋转一周所形成的旋转面的面积;

(5)

摆线与x轴所围成的平面有界区域绕它的对称轴一周所形成的空间有界区 域的体积;

(6)

摆线绕它的对称轴旋转一周所形成的旋转面的面积。

解 (1) (2)dl=(a(1−cos⁡t))2+(asin⁡t)2dt=2asin⁡t2dtL=∫dl=∫02π2asin⁡t2dt=8a

(2) (3)S=−∫γydx=∫02πy(t)x′(t)dt=∫02πa2(1−cos⁡t)2dt=3πa2

(3) (4)V=−∫γπy2dx=∫02ππy(t)2x′(t)dt=πa3∫02π(1−cos⁡t)3dt=5π2a3

(4) (5)A=∫γ2πydl=4πa2∫02π(1−cos⁡t)sin⁡t2dt=643πa2

(5) 注意到对称轴为x=πa,则(6)Vy=∫γπ(x−πa)2dy=πa3∫0π(t−sin⁡t−π)2sin⁡tdt=9π2−166πa3

(6) (7)Ay=∫γ2π(π−x)dl=2πa2∫0π(π−t+sin⁡t)sin⁡t2dt=4(3π−4)3πa2 ◻

例 10.3.2 设γ是双纽线在右半平面中的一支,其极坐标方程为(8)r2=a2cos⁡2θ,θ∈[−π4,π4] 求:

(1)

该曲线的弧长;

(2)

该曲线所围成的有界区域的面积;

(3)

该曲线绕x轴旋转一周所围成的空间有界区域的体积;

(4)

该曲线绕x轴旋转一周所形成的旋转面的面积;

(5)

该曲线所围成的平面有界区域绕y轴一周所形成的空间有界区域的体积;

(6)

该曲线绕y轴旋转一周所形成的旋转面的面积。

解 (1) (9)dl=dr2+(rdθ)2=(d(r2)2r)2+(rdθ)2=acos⁡2θdθL=∫dl=∫−π/4π/4acos⁡2θdθ=2a∫0π/4dθ1−2sin2⁡θ 令2sin⁡θ=sin⁡ϕ,则(10)2cos⁡θdθ=cos⁡ϕdϕ⟹dθ=cos⁡ϕ2cos⁡θdϕ=cos⁡ϕ2−sin2⁡ϕdϕ 因此(11)L=2a∫0π/21cos⁡ϕ⋅cos⁡ϕ2−sin2⁡ϕdϕ=2a∫0π/2dϕ1−12sin2⁡ϕ=2aK(12)

(2) (12)S=12∫−π/4π/4r(θ)2dθ=a22∫−π/4π/4cos⁡2θdθ=a2

(3) (13)V=−∫γπy2dx=πa2∫0π/4cos⁡2θsin2⁡θsin⁡3θcos⁡2θdθ=πa2[ln⁡(2+1)42−112]

(4) (14)A=∫γ2πydl=2πa2∫0π/4sin⁡θdθ=2πa2(1−12)

(5) (15)Vy=∫γπx2dy=2πa3∫0π/4cos⁡2θcos2⁡θcos⁡3θcos⁡2θdθ=28π2a3

(6) (16)Ay=∫γ2πxdl=2⋅2πa2∫0π/4cos⁡θdθ=22πa2 ◻

注 第一类完全椭圆积分K的定义为(17)K(k):=∫0π/2dθ1−ksin2⁡θ

例 10.3.3 证明Pappus-Guldin定理:

(1)

设平面曲线γ上质量均匀分布帮 则γ绕x轴旋转所得到曲面Σ的面积等于γ质心绕x轴旋转得到的周长乘以曲线γ的长度;

(2)

设平面封闭曲线γ所围成的平面区域D上质量均匀分布。则D绕x轴旋转得到的空间区域Ω的体积等于D质心绕x轴旋转得到的周长乘以区域D的面积。

证明 (1) (18)2πy¯=∫γ2πydl∫γdl=AΣLγ (2) (19)2πy¯=∮γxd(πy2)∮γxdy=VΩAD ◻

例 10.3.4 求:

(1)

质量均匀分布的摆线的质心。

(2)

摆线与x轴围成的平面区域上质量均匀分布,该区域的质心。

(3)

设γ为双纽线在右半平面的一支,其上质量均匀分布,该曲线的质心。

(4)

设D为双纽线在右半平面的一支所围成的平面有界区域,其上质量均匀分布,该区域的质心。

解 记质心为(x¯,y¯)。

(1) 由对称性可得x¯=πa,且(20)y¯=12πAΣLγ=12π643πa28a=43a

(2) 由对称性可得x¯=πa,且(21)y¯=12πVΩAD=12π5π2a33πa2=56a

(3) 由对称性可得y¯=0,且(22)x¯=12πAΣLγ=12π22πa22aK(12)=aK(12)

(4) 由对称性可得y¯=0,且(23)x¯=12πVΩAD=12π28π2a3a2=216πa ◻

例 10.3.5 若C2的平面正则曲线γ的曲率为非零常数κ,证明:γ为圆弧。

证明 取曲线的弧长参数,此时∥x′(l)∥=1、∥x″(l)∥=κ=const。由于R2和C构成微分同胚(自然地定义f:(x,y)T↦x+iy),不妨设(24)x′(l)=eiθ(l),θ(l)∈R 则(25)x″(l)=iθ′(l)eiθ(l)⟹∥x″(l)∥=|θ′(l)|=κ 于是θ′(l)=κ或θ′(l)=−κ。由于导函数满足介值性质,上述两种情形必有一种情形恒成立,不妨设θ′(l)=κ,则有(26)θ(l)=θ(0)+κl 从而(27)x(l)=x(0)+∫0leiθ(s)ds=x(0)+∫0leiθ(0)+iκsds=x(0)+eiθ(0)iκ(eiκl−1) 因此(28)‖x(l)−x(0)+eiθ(0)iκ‖=1κ=const ◻

注 同胚(Homeomorphism)的定义为:设X,Y为拓扑空间,f:X→Y为双射,若f和f−1均连续,则称f为同胚映射,X和Y同胚。

微分同胚(Diffeomorphism)的定义为:设X,Y为微分流形,f:X→Y为双射,若f和f−1均光滑,则称f为微分同胚映射,X和Y微分同胚。