8.1 第6次作业评讲

8.1.1 解答和证明部分

例 8.1.1 (题1,green-circle92%) 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)01dx0xdy0yf(z)dz

f(z)在有界闭区域D={(x,y,z)0zyx1}上Riemann可积,积分域可转写为(3){0x10yx0zy0zyx1{0z1zy1yx1 故有(4)01dx0xdy0yf(z)dz=01f(z)dzz1dyy1dx=01(12z+z22)f(z)dz=0

例 8.1.2 (题2,orange-circle76%) 计算积分:(5)1412dy12yeyxdx+121dyyyeyxdx

积分域可转写为(6){14y1212xy{12y1yxy14max{y,12}xy1{12x1x2yx 故有(7)I=121dxx2xeyxdy=t=yx121dxx1etxdt=121x(eex)dx=3e8e2

例 8.1.3 (题3,orange-circle76%) 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

由题可得(9)y252xy1y1xy252 只有前一个不等式组解得的y是有界的,解得1y3。故有(10)13dyy1y252xydx=0

例 8.1.4 (题4,orange-circle76%) D是由四条抛物线y2=xy2=3xx2=yx2=4y围成的有界闭区域,计算积分:(11)Dxydxdy

u=x2yv=y2x,则1u41v3,上述变换的Jacobi行列式为(12)det(2xyx2y2y2x22yx)=3 故有(13)[1,4]×[1,3]uv1|det(u,v)(x,y)|dudv=1342123212=10

例 8.1.5 (题5,yellow-circle80%) D为圆周x2+y2=4yx2+y2=2y围成的有界区域,计算积分:(14)D(x+y)2dxdy

先对被积函数进行展开(15)D(x+y)2dxdy=D(x2+y2)dxdy+2Dxydxdy 再用对称性(x,y)D(x,y)D,得到(16)Dxydxdy=0 然后用极坐标x=rcosθ,y=rsinθ,区域D可表示为(17)x2+y24yx2+y222sinθr4sinθ,sinθ0 (0θπ) 于是极坐标下,原积分为(18)0θπ, 2sinθr4sinθr2rdrdθ=45π2

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

正确,参考例7.3.14

例 8.1.7 (题7,yellow-circle80%) fR[0,a],若(20)A0adx0xdyyaf(x)f(y)f(z)dz=(0af(x)dx)3 恒成立,求A的值。

积分域可转写为(21)D1:{0xa0yxyza0ymin{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){D1:0ymin{x,z}aD2:0zmin{x,y}aD3:0xmin{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%) Ω为不等式组x2+y2z1x2y2确定的有界区域,计算积分:(23)Ω8(x+y+z)dxdydz

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)r2z1r20θ<2π,0r22,0z1r2 因此(26)Ω8zdxdydz=02πdθ022drr1r28zrdz=8π022r(12r2)dr=4π(r2r4)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+z2t2f(x2+y2+z2)dxdydz 计算F(1)

利用球坐标系进行计算,可得(28)F(t)=02πdϕ0πsinθdθ0tf(r2)r2dr=4π0tf(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/2dx0xdy0ycosz(π2z)2dz

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(π2z)2,从而化简被积函数。积分域可转写为(31){0xπ20yx0zy0zyxπ2{0zπ2zyπ2yxπ2 故有(32)I=0π/2cosz(π2z)dzzπ2yπ2dxdy=0π/2cosz(π2z)dz12(π2z)2=12