9.4 讲义习题

9.4.1 定积分几何应用与物理应用

例 9.4.1 (习题7.5.4) 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 9.4.2 (习题7.5.8) 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 9.4.3 (习题7.5.9) 设摆线方程为(11){x=a(tsint)y=a(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。

(1) (12)dl=(a(1cost))2+(asint)2dt=2asint2dtL=dl=02π2asint2dt=8a

(2) (13)S=γydx=02πy(t)x(t)dt=02πa2(1cost)2dt=3πa2

(3) (14)V=γπy2dx=02ππy(t)2x(t)dt=πa302π(1cost)3dt=5π2a3

(4) (15)A=γ2πydl=4πa202π(1cost)sint2dt=643πa2

(5) 注意到对称轴为x=πa,则(16)Vy=γπ(xπa)2dy=πa30π(tsintπ)2sintdt=9π2166πa3

(6) (17)Ay=γ2π(πx)dl=2πa20π(πt+sint)sint2dt=4(3π4)3πa2

例 9.4.4 (习题7.5.11) 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) (18)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(19)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](20)l(θ)=0θ2acost2dt=4asinθ2θ(l)=2arcsinl4a 从而(21)cosθ(l)=12sin2θ(l)2=1l28a2sinθ(l)=2sinθ(l)2cosθ(l)2=l2a1l216a2 故心脏线的参数方程为(22)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(23)κ(l)=x(l)=316a2l2

(3) 由对称性知质心在x轴上,故y=0,而(24)x=1Lππx(l)dl=18aππa(1+cosθ)cosθ2acosθ2dθ=45a 即质心为(45a,0)

(4) (25)S=12ππρ(θ)2dθ=12ππa2(1+cosθ)2dθ=32πa2 由对称性知质心在x轴上,故y=0,而(26)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(27)A=γ+2πydl=0π2πa(1+cosθ)sinθ2acosθ2dθ=325πa2 由对称性知质心在x轴上,故y=0,而(28)x=1Aγ+2πxydl=532πa20π2πa2(1+cosθ)2sinθcosθ2acosθ2dθ=5063a 即质心为(5063a,0)

(6) (29)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(30)x=1Vγ+πxy2dx=83πa30ππa3(1+cosθ)3sin2θcosθasinθ(1+2cosθ)dθ=45a 即质心为(45a,0)

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。