10.2 雨课堂作业

例 10.2.1 (作业第1题)

(1)

(Wirtinger不等式)设fC1[a,b]满足f(a)=f(b)abf(x)dx=0,证明:(1)abf(x)2dx(ba)24π2abf(x)2dx 其中等号成立当且仅当f(x)=Asin(2π(xa)baθ)

(2)

利用Wirtinger不等式证明等周不等式:设Ω为平面上一个有界区域,其边界是一条长度为LC1的简单封闭曲线。证明:Ω的面积S满足SL24π,其中等号成立当且仅当Ω是圆盘。

证明 (1) 不妨设[a,b]=[0,2π],考虑函数ψ(x):=f(x+π)f(x),由已知条件可得(2)ψ(0)ψ(π)=[f(π)f(0)][f(2π)f(π)]=[f(π)f(0)]20 由介值定理可得θ[0,π]使得ψ(θ)=0,即f(x)=f(x+θ)。定义(3)ϕ(x):=limyxf(y)f(θ)sin(yθ)={f(x)f(θ)sin(xθ),xθ,θ+πf(θ),x=θf(θ+π),x=θ+πf(x)f(θ)=ϕ(x)sin(xθ) 直接计算表明(4)f(x)2[f(x)f(θ)]2=[ϕ(x)sin(xθ)]2+[ϕ2(x)sin(xθ)cos(xθ)] 等式右侧的第二项在[0,2π]上积分为零,因此对上式积分可得(5)02πf(x)2dx=02π[f(x)f(θ)]2dx+02π[ϕ(x)sin(xθ)]2dx02π[f(x)f(θ)]2dx=02πf(x)2dx2f(θ)02πf(x)dx0+2πf(θ)202πf(x)2dx 即Wirtinger不等式成立,等号成立当且仅当ϕ(x)=f(θ)=0,即ϕ(x)=A,从而f(x)=Asin(xθ)

(2) 设γ:(x(l),y(l)) (0lL)为区域Ω的边界曲线的参数方程,满足x(0)=x(2π)y(0)=y(2π),其中l为弧长参数、且l增大的方向为曲线的自然正向。平移(x,y)使得0Lx(l)dl=00Ly(l)dl=0,则由Wirtinger不等式可得(6)0Lx(l)2dlL24π20Lx(l)2dl,0Ly(l)2dlL24π20Ly(l)2dl 面积S可表示为(7)S=12γ(xdyydx)=120L[x(l)y(l)y(l)x(l)]dl 由积分三角不等式和向量Cauchy不等式可得(8)S(1)120L|x(l)y(l)y(l)x(l)|dl(2)120Lx(l)2+y(l)2x(l)2+y(l)2dl=120Lx(l)2+y(l)2dl 再由积分Cauchy不等式可得(9)S2(3)140L[x(l)2+y(l)2]dl0L12dl=L40L[x(l)2+y(l)2]dl 由Wirtinger不等式可得(10)S2(4)L4L24π20L[x(l)2+y(l)2]dl=L416π2SL24π 等号成立时当且仅当(11){(1)x(l)y(l)y(l)x(l)0(2)x(l)x(l)+y(l)y(l)=0(3)x(l)2+y(l)2=R(4)x(l)=A1cos2πlL+B1sin2πlL(4)y(l)=A2cos2πlL+B2sin2πlL{A1B2A2B10A1B1+A2B2=0A12+A22=B12+B22=R2(A1,A2)=R(cosθ,sinθ)(B1,B2)=R(sinϕ,cosϕ),则由上式可得sin(θϕ)=0,从而可取θ=ϕ,即(12)x(l)=Rcos(2πlL+θ),y(l)=Rsin(2πlL+θ),l[0,L]Ω为圆盘。

另证 本题第(1)问还可以采用Fourier级数的方法证明。设f[0,2π]上展开为Fourier级数(13)f(x)a02+n=1+(ancosnx+bnsinnx) 其中(14)an=1π02πf(x)cosnxdx,bn=1π02πf(x)sinnxdx,n=0,1,2,a0=0。逐项求导可得(15)f(x)n=1+n(ansinnx+bncosnx) 分别对ff应用Parseval等式可得(16)02πf(x)2dx=πn=1+(an2+bn2)πn=1+n2(an2+bn2)02πf(x)2dx 即Wirtinger不等式成立,等号成立当且仅当n2an=bn=0,即f(x)=Acosx+Bsinx

例 10.2.2 (作业第2题) 已知旋轮线的参数方程为x=tsint, y=1cost (0t2π)

(1)

设旋轮线的质量均匀分布,求该曲线的质心。

(2)

设旋轮线与x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x轴旋转一周,求所围成的三维有界区域的体积。

(4)

旋轮线绕x轴旋转一周,求所形成旋转面的面积。

旋轮线的弧长微元为(17)dl=x(t)2+y(t)2dt=(1cost)2+sin2tdt=21cost2dt=2sint2dt,t[0,2π]x轴所围成的平面区域的面积微元为(18)dS=y(t)x(t)dt=(1cost)(1cost)dt=(1cost)2dt,t[0,2π] 曲线的弧长为(19)L=02πdl=02π2sint2dt=8 曲线与x轴所围成的平面区域的面积为(20)S=02πdS=02π(1cost)2dt=3π

(1) 由对称性可得x=π,计算可得(21)yL=02πy(t)dlL=02π(1cost)2sint2dt8=43

(2) 由对称性可得x=π,计算可得(22)yS=02πy(t)2dSS=02π1cost2(1cost)2dt3π=56

(3) 由Pappus-Guldinus定理可得体积为(23)V=2πySS=2π563π=5π2

(4) 由Pappus-Guldinus定理可得面积为(24)A=2πyLL=2π438=64π3

例 10.2.3 (作业第3题) 求半径为R且质量均匀分布的球壳对球内与球心距离为r的质点的引力。

设球壳的面密度为σ,质点的质量为m。不妨将质点放置于(r,0),由对称性可得引力的方向沿x轴。对于球壳上一点(x,y,z)附近的面积微元dS,其贡献的沿x轴方向的引力可表示为(25)dFx=GmσdS[(xr)2+y2+z2]xr(xr)2+y2+z2=Gmσ(xr)dS[(xr)2+y2+z2]3/2 对于[x,x+dx]范围内的球壳Σx(dx),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。Σx(dx)与质点的距离可表示为(26)r=(xr)2+(R2x2)=R22rx+r2 Σx(dx)的面积微元可视为由y=R2x2[x,x+dx]的部分绕x轴旋转的部分,其可表示为(27)dS=2πydl=2πy1+(dydx)2dx=2πRdxΣx(dx)贡献的沿x轴方向的引力为(28)dFx=Gmσ(xr)2πRdx(R22rx+r2)3/2 积分可得(29)Fx=RRdFx=2πRGmσRR(xr)dx(R22rx+r2)3/2=t=R22rx+r22πRGmσR+rRr(R2+r2t22rr)trdtt3=πRGmσr2RrR+r(R2r2t21)dt=πRGmσr2[R2r2t|RrR+r2r]=0 即球壳对球内质点不产生引力。

例 10.2.4 (作业第4题) γ:(x(t),y(t)) (atb)是一条C1的简单封闭曲线,它围成一个有界的平面区域Ω。设h>0,令(30)V={(tx,ty,th)(x,y)Ω, 0t1}

(1)

证明:锥V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。

(1) 设区域Ω的面积为S,则柱体的体积为Sh。记(31)S(t):={(tx,ty)(x,y)Ω}|S(t)|=Ω(txd(ty)tyd(tx))=t2Ω(xdyydx)=t2Szh[t,t+dt]范围内的锥的体积微元可表示为dV(t)=|S(t)|hdt,故锥V的体积可表示为(32)|V|=0t|S(t)|hdt=01t2Shdt=13Sh

(2) 设Ω的质心位置为(x(1),y(1)),计算可得S(t)的质心位置为(33)x(t)=Ωtxtyd(tx)Ωtyd(tx)=tΩxydxΩydx=tx0,y(t)=ty0 故锥的质心位置为(34)x=01x(t)|S(t)|hdt|V|=01tx0t2Shdt13Sh=34x0y=01y(t)|S(t)|hdt|V|=01ty0t2Shdt13Sh=34y0z=01th|S(t)|hdt|V|=01tht2Shdt13Sh=34h 故锥的质心位置为(34x0,34y0,34h)

例 10.2.5 (作业第5题,习题7.6.2) γ为曲线x3+y3=3xy,求:

(1)

γ在第一象限所围成的有界区域的面积;

(2)

γ与它的渐近线所围成的平面区域的面积。

曲线的参数方程可表为(35)x=3t1+t3,y=3t21+t3,tR{1}

(1) x,y0当且仅当t0,因此(36)A1=γydx=0+9t2(12t3)(1+t3)3dt=32

(2) 曲线的渐近线为y=x1,因此(37)A2=1[y(t)+x(t)+1]x(t)dt+10[y(t)+x(t)+1]x(t)dt=03(12t3)(1t+t2)3dt=6t2+32(t2t+1)|0=32

例 10.2.6 (作业第6题,习题7.6.3) 计算以下广义积分:

(1)

0+xlnx(1+x2)3dx

(2)

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

(3)

01lnxdx

(1) (38)xlnx(1+x2)3dx=lnx4(1+x2)2+dx4x(1+x2)2=lnx4(1+x2)2+18(1+x2)+14lnx18ln(1+x2) 从而(39)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(40)0+xlnx(1+x2)3/2dx=018=18

(2) (41)arctanx(1+x2)3/2dx=x=tanttcostdt=tsint+cost=xarctanx+11+x2 从而(42)0+arctanx(1+x2)3/2dx=limx+xarctanx+11+x21=π21

(3) (43)01lnxdx=[xlnxx]01=1

例 10.2.7 (作业第7题) 讨论以下积分的收敛性:

(1)

0+arctanxxαdx

(2)

0+ln(1+x)xαdx

(3)

2+dxx(x1)(x2)

(4)

0+xdxex1

(5)

01dxlnx

(6)

01xβ1xα1lnxdx

(7)

0π/2lnsinxdx,如果收敛,求它的值。

(1) 记I1=01arctanxxαdxI2=1+arctanxxαdx,则(44)I101dxxα1 (x0+),I21+dxxα (x+) 原积分收敛当且仅当I1,I2均收敛,即α1<1α>1,即α(1,2)

(2) 记I1=01ln(1+x)xαdxI2=1+ln(1+x)xαdx,则(45)I101dxxα1 (x0+),I21+dxxαε (x+) 原积分收敛当且仅当I1,I2均收敛,即α1<1αε>1,即α(1,2)

(3) 记I1=23dxx(x1)(x2)I2=3+dxx(x1)(x2),则(46)I1232dxx2 (x2+),I23+dxx3/2 (x+) 由于12<132>1,故原积分收敛。

(4) 记I1=01xdxex1I2=1+xdxex1,则(47)I101xdx (x0+),I21+xex/2dx (x+) 由于12<1,故原积分收敛。

(5) 记x=et,则(48)01dxlnx=+0etdtt=0+ettdt=01ettdt1+ettdt=:I1I2 其中(49)I101dtt (t0+) 故原积分发散。

(6) 记x=et,则(50)01xβ1xα1lnxdx=+0e(β1)te(α1)tt(etdt)=0+eαteβttdtI1=01eαteβttdtI2=1+eαteβttdt,则(51)I101(βα)dt (t0+),I21+eαteβttdt (t+) 故原积分收敛当且仅当I2收敛,即α>0β>0

(7) 原积分可表示为(52)I0π/2lnxdx (x0+) 故原积分收敛。为了计算这个广义积分,利用(53)I=0π/2lncosxdx=120π/2ln(sinxcosx)dx=120π/2lnsin2x2dx=120π/2lnsin2xdxπ4ln2=t=2x140πlnsintdtπ4ln2=12Iπ4ln2I=π2ln2