10.1 第七次作业参考答案

10.1.1 习题7.5

例 10.1.1 (习题7.5.4)设γ:[a,b]R2是光滑的平面封闭曲线,记(1)κ(t)=det(x(t)y(t)x(t)y(t))(x(t)2+y(t)2)3/2 计算:(2)abκ(t)x(t)2+y(t)2dt

γ的弧长参数为l,则(3)x(l)=1,x(l)=κ(l),dl=x(t)2+y(t)2dt 不妨设x(l)=(cosθ(l),sinθ(l)),则x(l)=(sinθ(l),cosθ(l))θ(l),故(4)κ(l)=det(cosθ(l)sinθ(l)θ(l)sinθ(l)cosθ(l)θ(l))1=θ(l) 于是(5)abκ(t)x(t)2+y(t)2dt=0Lγθ(l)dl=θ(Lγ)θ(0)=2Nπ 其中N为曲线γ绕自身切线旋转的圈数1(Turning Number)。

例 10.1.2 (习题7.5.8)设a>0,求星形线x2/3+y2/3=a2/3的(1)弧长、(2)所围有界区域的面积、(3)绕x轴所得旋转体的体积和(4)旋转面的侧面积。

设星形线的参数方程为(x,y)=(acos3t,asin3t)t[0,2π]

(1) (6)dl=dx2+dy2=9a2cos4tsin2t+9a2sin4tcos2tdt=3a|costsint|dt=3a2|sin2t|dt 从而(7)L=γdl=02π3a2|sin2t|dt=6a

(2) (8)S=γydx=02πasin3t3acos2t(sint)dt=38πa2

(3) 记γ+表示γx轴上方的部分,方向与γ的自然正向相同,则(9)V=γ+πy2dx=0ππa2sin6t3acos2tsintdt=32π105a3

(4) (10)A=γ+2πydl=0π2πasin3t3a2|sin2t|dt=12π5a2

例 10.1.3 (习题7.5.9)已知摆线的参数方程为(x,y)=(tsint,1cost)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)

摆线与x轴所围成的有界区域绕x轴旋转所形成的旋转体的体积;

(4)

摆线绕x轴旋转所形成的旋转面的面积。

参考例10.3.1

例 10.1.4 (习题7.5.11)设a>0,已知心脏线的极坐标方程为ρ=a(1+cosθ)θ[0,2π]。求:

(1)

心脏线的弧长;

(2)

心脏线在弧长参数下的方程,以及其各点处的曲率;

(3)

心脏线的质心(假设线密度为1);

(4)

心脏线所围成的平面有界区域的面积,该区域的质心(假设面密度为1);

(5)

心脏线绕其对称轴旋转所成的曲面的面积,曲面的质心(假设面密度为1);

(6)

心脏线绕其对称轴旋转所围成的三维区域的体积,该区域的质心(假设体密度为1)。

(1) (11)dl=dρ2+ρ2dθ2=a2sin2θdθ2+a2(1+cosθ)2dθ2=2a|cosθ2|dθ 为了保持对称性,我们选择积分区域为[π,π],从而(12)L=γdl=ππ2acosθ2dθ=8a

(2) 同样为了保持对称性,我们选择弧长参数l:[π,π][4a,4a](13)l(θ)=0θ2acost2dt=4asinθ2θ(l)=2arcsinl4a 从而(14)cosθ(l)=12sin2θ(l)2=1l28a2sinθ(l)=2sinθ(l)2cosθ(l)2=l2a1l216a2 故心脏线的参数方程为(15)x(l)=a(1+cosθ(l))cosθ(l)=a(2l28a2)(1l28a2)y(l)=a(1+cosθ(l))sinθ(l)=l2(2l28a2)1l216a2 求导可得(16)κ(l)=x(l)=316a2l2

(3) 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(17)x¯=1Lππx(l)dl=18aππa(1+cosθ)cosθ2acosθ2dθ=45a 即质心为(45a,0)

(4) (18)S=12ππρ(θ)2dθ=12ππa2(1+cosθ)2dθ=32πa2 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(19)x¯=1Sγxydx=23πa2ππa2(1+cosθ)2cosθsinθa(sinθ)(1+2cosθ)dθ=56a 即质心为(56a,0)

(5) 记γ+表示γx轴上方的部分,方向与γ的自然正向相同,则(20)A=γ+2πydl=0π2πa(1+cosθ)sinθ2acosθ2dθ=325πa2 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(21)x¯=1Aγ+2πxydl=532πa20π2πa2(1+cosθ)2sinθcosθ2acosθ2dθ=5063a 即质心为(5063a,0)

(6) (22)V=γ+πy2dx=0ππa2(1+cosθ)2sin2θasinθ(1+2cosθ)dθ=38πa3 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(23)x¯=1Vγ+πxy2dx=83πa30ππa3(1+cosθ)3sin2θcosθasinθ(1+2cosθ)dθ=45a 即质心为(45a,0)

10.1.2 习题7.6

例 10.1.5 (习题7.6.2)求平面直角坐标系中的曲线x3+y3=3xy和它的渐近线之间的无界区域的面积。

参考例11.2.9

例 10.1.6 计算以下广义积分:

(1)

0+xlnx(1+x2)3dx

(2)

0+arctanx(1+x2)3/2dx

(3)

01lnxdx

(1) (24)xlnx(1+x2)3dx=lnx4(1+x2)2+dx4x(1+x2)2=lnx4(1+x2)2+18(1+x2)+14lnx18ln(1+x2) 从而(25)limx+[lnx4(1+x2)2+18(1+x2)+18lnx21+x2]=0limx0[x2(2+x2)lnx4(1+x2)2+18(1+x2)18ln(1+x2)]=18 故有(26)0+xlnx(1+x2)3/2dx=018=18

(2) (27)arctanx(1+x2)3/2dx=x=tanttcostdt=tsint+cost=xarctanx+11+x2 从而(28)0+arctanx(1+x2)3/2dx=limx+xarctanx+11+x21=π21

(3) (29)01lnxdx=[xlnxx]01=1

1参考:https://en.wikipedia.org/wiki/Winding_number。不要与曲线绕定点旋转的圈数(Winding Number)混淆。