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

解 记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)=(cos⁡θ(l),sin⁡θ(l)),则x″(l)=(−sin⁡θ(l),cos⁡θ(l))θ′(l),故(4)κ(l)=det(cos⁡θ(l)−sin⁡θ(l)θ′(l)sin⁡θ(l)cos⁡θ(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。

解 设星形线的参数方程为(x,y)=(acos3⁡t,asin3⁡t),t∈[0,2π]。

(1) (6)dl=dx2+dy2=9a2cos4⁡tsin2⁡t+9a2sin4⁡tcos2⁡tdt=3a|cos⁡tsin⁡t|dt=3a2|sin⁡2t|dt 从而(7)L=∫γdl=∫02π3a2|sin⁡2t|dt=6a

(2) (8)S=−∫γydx=−∫02πasin3⁡t⋅3acos2⁡t(−sin⁡t)dt=38πa2

(3) 记γ+表示γ在x轴上方的部分,方向与γ的自然正向相同,则(9)V=−∫γ+πy2dx=∫0ππa2sin6⁡t⋅3acos2⁡tsin⁡tdt=32π105a3

(4) (10)A=∫γ+2πydl=∫0π2πasin3⁡t⋅3a2|sin⁡2t|dt=12π5a2 ◻

例 10.1.3 (习题7.5.9)已知摆线的参数方程为(x,y)=(t−sin⁡t,1−cos⁡t),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。

解 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+cos⁡θ),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)。

解 (1) (11)dl=dρ2+ρ2dθ2=a2sin2⁡θdθ2+a2(1+cos⁡θ)2dθ2=2a|cos⁡θ2|dθ 为了保持对称性,我们选择积分区域为[−π,π],从而(12)L=∫γdl=∫−ππ2acos⁡θ2dθ=8a

(2) 同样为了保持对称性,我们选择弧长参数l:[−π,π]→[−4a,4a]为(13)l(θ)=∫0θ2acos⁡t2dt=4asin⁡θ2⟹θ(l)=2arcsin⁡l4a 从而(14)cos⁡θ(l)=1−2sin2⁡θ(l)2=1−l28a2sin⁡θ(l)=2sin⁡θ(l)2cos⁡θ(l)2=l2a1−l216a2 故心脏线的参数方程为(15)x(l)=a(1+cos⁡θ(l))cos⁡θ(l)=a(2−l28a2)(1−l28a2)y(l)=a(1+cos⁡θ(l))sin⁡θ(l)=l2(2−l28a2)1−l216a2 求导可得(16)κ(l)=∥x″(l)∥=316a2−l2

(3) 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(17)x¯=1L∫−ππx(l)dl=18a∫−ππa(1+cos⁡θ)cos⁡θ⋅2acos⁡θ2dθ=45a 即质心为(45a,0)。

(4) (18)S=12∫−ππρ(θ)2dθ=12∫−ππa2(1+cos⁡θ)2dθ=32πa2 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(19)x¯=−1S∫γxydx=−23πa2∫−ππa2(1+cos⁡θ)2cos⁡θsin⁡θ⋅a(−sin⁡θ)(1+2cos⁡θ)dθ=56a 即质心为(56a,0)。

(5) 记γ+表示γ在x轴上方的部分,方向与γ的自然正向相同,则(20)A=∫γ+2πydl=∫0π2πa(1+cos⁡θ)sin⁡θ⋅2acos⁡θ2dθ=325πa2 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(21)x¯=1A∫γ+2πxydl=532πa2∫0π2πa2(1+cos⁡θ)2sin⁡θcos⁡θ⋅2acos⁡θ2dθ=5063a 即质心为(5063a,0)。

(6) (22)V=−∫γ+πy2dx=∫0ππa2(1+cos⁡θ)2sin2⁡θ⋅asin⁡θ(1+2cos⁡θ)dθ=38πa3 由对称性知质心在x轴上,故y¯=0,而(23)x¯=−1V∫γ+πxy2dx=83πa3∫0ππa3(1+cos⁡θ)3sin2⁡θcos⁡θ⋅asin⁡θ(1+2cos⁡θ)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。

解 参考例11.2.9。 ◻

例 10.1.6 计算以下广义积分:

(1)

∫0+∞xln⁡x(1+x2)3dx

(2)

∫0+∞arctan⁡x(1+x2)3/2dx

(3)

∫01ln⁡xdx

解 (1) (24)∫xln⁡x(1+x2)3dx=−ln⁡x4(1+x2)2+∫dx4x(1+x2)2=−ln⁡x4(1+x2)2+18(1+x2)+14ln⁡x−18ln⁡(1+x2) 从而(25)limx→+∞[−ln⁡x4(1+x2)2+18(1+x2)+18ln⁡x21+x2]=0limx→0[x2(2+x2)ln⁡x4(1+x2)2+18(1+x2)−18ln⁡(1+x2)]=18 故有(26)∫0+∞xln⁡x(1+x2)3/2dx=0−18=−18

(2) (27)∫arctan⁡x(1+x2)3/2dx=x=tan⁡t∫tcos⁡tdt=tsin⁡t+cos⁡t=xarctan⁡x+11+x2 从而(28)∫0+∞arctan⁡x(1+x2)3/2dx=limx→+∞xarctan⁡x+11+x2−1=π2−1

(3) (29)∫01ln⁡xdx=[xln⁡x−x]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。