10.2 雨课堂作业
例 10.2.1 (作业第1题)
-
(1)
-
(Wirtinger不等式)设满足、,证明:
其中等号成立当且仅当。
-
(2)
-
利用Wirtinger不等式证明等周不等式:设为平面上一个有界区域,其边界是一条长度为的的简单封闭曲线。证明:的面积满足,其中等号成立当且仅当是圆盘。
证明
(1) 不妨设,考虑函数,由已知条件可得
由介值定理可得使得,即。定义
直接计算表明
等式右侧的第二项在上积分为零,因此对上式积分可得
即Wirtinger不等式成立,等号成立当且仅当,即,从而。
(2) 设为区域的边界曲线的参数方程,满足、,其中为弧长参数、且增大的方向为曲线的自然正向。平移使得、,则由Wirtinger不等式可得
面积可表示为
由积分三角不等式和向量Cauchy不等式可得
再由积分Cauchy不等式可得
由Wirtinger不等式可得
等号成立时当且仅当
设、,则由上式可得,从而可取,即
即为圆盘。
另证
本题第(1)问还可以采用Fourier级数的方法证明。设在上展开为Fourier级数
其中
且。逐项求导可得
分别对和应用Parseval等式可得
即Wirtinger不等式成立,等号成立当且仅当,,即。
例 10.2.2 (作业第2题)
已知旋轮线的参数方程为。
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(1)
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设旋轮线的质量均匀分布,求该曲线的质心。
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(2)
-
设旋轮线与轴所围有界区域的质量均匀分布,求该平面区域的质心。
-
(3)
-
旋轮线绕轴旋转一周,求所围成的三维有界区域的体积。
-
(4)
-
旋轮线绕轴旋转一周,求所形成旋转面的面积。
解
旋轮线的弧长微元为
与轴所围成的平面区域的面积微元为
曲线的弧长为
曲线与轴所围成的平面区域的面积为
(1) 由对称性可得,计算可得
(2) 由对称性可得,计算可得
(3) 由Pappus-Guldinus定理可得体积为
(4) 由Pappus-Guldinus定理可得面积为
例 10.2.3 (作业第3题)
求半径为且质量均匀分布的球壳对球内与球心距离为的质点的引力。
解
设球壳的面密度为,质点的质量为。不妨将质点放置于,由对称性可得引力的方向沿轴。对于球壳上一点附近的面积微元,其贡献的沿轴方向的引力可表示为
对于范围内的球壳,其上所有点与质点的距离均可视作相同,故可应用上式计算。与质点的距离可表示为
的面积微元可视为由在的部分绕轴旋转的部分,其可表示为
故贡献的沿轴方向的引力为
积分可得
即球壳对球内质点不产生引力。
例 10.2.4 (作业第4题)
设是一条的简单封闭曲线,它围成一个有界的平面区域。设,令
-
(1)
-
证明:锥的体积等于同底等高的柱体体积的三分之一。
-
(2)
-
如果这个锥的质量是均匀分布的,求这个锥的质心位置。
解
(1) 设区域的面积为,则柱体的体积为。记
则范围内的锥的体积微元可表示为,故锥的体积可表示为
(2) 设的质心位置为,计算可得的质心位置为
故锥的质心位置为
故锥的质心位置为。
例 10.2.5 (作业第5题,习题7.6.2)
设为曲线,求:
-
(1)
-
在第一象限所围成的有界区域的面积;
-
(2)
-
与它的渐近线所围成的平面区域的面积。
解
曲线的参数方程可表为
(1) 当且仅当,因此
(2) 曲线的渐近线为,因此
例 10.2.6 (作业第6题,习题7.6.3)
计算以下广义积分:
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(1)
-
-
(2)
-
-
(3)
-
解
(1)
从而
故有
(2)
从而
(3)
例 10.2.7 (作业第7题)
讨论以下积分的收敛性:
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(1)
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-
(2)
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(3)
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(4)
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(5)
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-
(6)
-
-
(7)
-
,如果收敛,求它的值。
解
(1) 记、,则
原积分收敛当且仅当均收敛,即且,即。
(2) 记、,则
原积分收敛当且仅当均收敛,即且,即。
(3) 记、,则
由于且,故原积分收敛。
(4) 记、,则
由于,故原积分收敛。
(5) 记,则
其中
故原积分发散。
(6) 记,则
记、,则
故原积分收敛当且仅当收敛,即且。
(7) 原积分可表示为
故原积分收敛。为了计算这个广义积分,利用
故。