8.1 第6次作业评讲

例 8.1.1 (题1,green-circle92%) 设f是区间[0,1]上的Riemann可积函数,满足(1)∫01xkf(x)dx=k+1,k=0,1,2 计算累次积分:(2)∫01dx∫0xdy∫0yf(z)dz

解 f(z)在有界闭区域D={(x,y,z)∣0≤z≤y≤x≤1}上Riemann可积,积分域可转写为(3){0≤x≤10≤y≤x0≤z≤y⟹0≤z≤y≤x≤1⟹{0≤z≤1z≤y≤1y≤x≤1 故有(4)∫01dx∫0xdy∫0yf(z)dz=∫01f(z)dz∫z1dy∫y1dx=∫01(12−z+z22)f(z)dz=0 ◻

例 8.1.2 (题2,orange-circle76%) 计算积分:(5)∫1412dy∫12yeyxdx+∫121dy∫yyeyxdx

解 积分域可转写为(6){14≤y≤1212≤x≤y∪{12≤y≤1y≤x≤y⟹14≤max{y,12}≤x≤y≤1⟹{12≤x≤1x2≤y≤x 故有(7)I=∫121dx∫x2xeyxdy=t=yx∫121dx∫x1etxdt=∫121x(e−ex)dx=3e8−e2 ◻

例 8.1.3 (题3,orange-circle76%) 设D是由抛物线y2=2x+5和直线y=1+x围成的有界闭区域,计算积分:(8)∫Dxydxdy

解 由题可得(9)y2−52≤x≤y−1或y−1≤x≤y2−52 只有前一个不等式组解得的y是有界的,解得−1≤y≤3。故有(10)∫−13dy∫y−1y2−52xydx=0 ◻

例 8.1.4 (题4,orange-circle76%) 设D是由四条抛物线y2=x、y2=3x、x2=y、x2=4y围成的有界闭区域,计算积分:(11)∫Dxydxdy

解 设u=x2y、v=y2x,则1≤u≤4、1≤v≤3,上述变换的Jacobi行列式为(12)det(2xy−x2y2−y2x22yx)=3 故有(13)∫[1,4]×[1,3]uv⋅1|det∂(u,v)∂(x,y)|dudv=13⋅42−12⋅32−12=10 ◻

例 8.1.5 (题5,yellow-circle80%) 设D为圆周x2+y2=4y和x2+y2=2y围成的有界区域,计算积分:(14)∫D(x+y)2dxdy

解 先对被积函数进行展开(15)∫D(x+y)2dxdy=∫D(x2+y2)dxdy+2∫Dxydxdy 再用对称性(x,y)∈D⟺(−x,y)∈D,得到(16)∫Dxydxdy=0 然后用极坐标x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,区域D可表示为(17)x2+y24≤y≤x2+y22⟹2sin⁡θ≤r≤4sin⁡θ,sin⁡θ≥0 (0≤θ≤π) 于是极坐标下,原积分为(18)∫0≤θ≤π, 2sin⁡θ≤r≤4sin⁡θr2rdrdθ=45π2 ◻

例 8.1.6 (题6,red-circle52%) 判断:(19)∫[0,1]2(xy)xydxdy=∫01ttdt

解 正确,参考例7.3.14。 ◻

例 8.1.7 (题7,yellow-circle80%) 设f∈R[0,a],若(20)A∫0adx∫0xdy∫yaf(x)f(y)f(z)dz=(∫0af(x)dx)3 恒成立,求A的值。

解 积分域可转写为(21)D1:{0≤x≤a0≤y≤xy≤z≤a⟹0≤y≤min{x,z}≤a 本题需要利用积分区域的对称性,即(x,y,z)的任意排列都可以得到相同的积分值,故有(22)⋃{D1:0≤y≤min{x,z}≤aD2:0≤z≤min{x,y}≤aD3:0≤x≤min{y,z}≤a⟹[0,a]3 被积函数在D1,D2,D3上的积分值相同,故A=3。 ◻

例 8.1.8 (题8,orange-circle72%) 设Ω为不等式组x2+y2≤z≤1−x2−y2确定的有界区域,计算积分:(23)∫Ω8(x+y+z)dxdydz

解 首先需要利用对称性(x,y)∈Ω⟺(−x,−y)∈Ω,得到(24)∫Ω(x+y)dxdydz=0 剩下的积分使用柱坐标系进行计算,区域Ω可表示为(25)r2≤z≤1−r2⟹0≤θ<2π,0≤r≤22,0≤z≤1−r2 因此(26)∫Ω8zdxdydz=∫02πdθ∫022dr∫r1−r28zrdz=8π∫022r(1−2r2)dr=4π(r2−r4)022=π ◻

例 8.1.9 (题9,yellow-circle84%) 已知连续函数f满足f(1)=1,定义(27)F(t)=∫x2+y2+z2≤t2f(x2+y2+z2)dxdydz 计算F′(1)。

解 利用球坐标系进行计算,可得(28)F(t)=∫02πdϕ∫0πsin⁡θdθ∫0tf(r2)r2dr=4π∫0tf(r2)r2dr 再利用变上限积分求导法则,可得(29)F′(t)=4πf(1)=4π ◻

例 8.1.10 (题10,green-circle92%) 计算积分:(30)I=∫0π/2dx∫0xdy∫0ycos⁡z(π2−z)2dz

解 本题如果直接对z积分,由于被积函数不存在初等原函数,无法继续操作;但注意到积分域是直角棱长为π2的直角三棱锥,可以预见先对x,y积分会得到因子(π2−z)2,从而化简被积函数。积分域可转写为(31){0≤x≤π20≤y≤x0≤z≤y⟹0≤z≤y≤x≤π2⟹{0≤z≤π2z≤y≤π2y≤x≤π2 故有(32)I=∫0π/2cos⁡z(π2−z)dz∫zπ2∫yπ2dxdy=∫0π/2cos⁡z(π2−z)dz⋅12(π2−z)2=12 ◻