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第14章 二重积分

基础部分​

  1. 设为由所围成的区域,,则()
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答案:

B。

解析:

令 。区域 可写成

,

故对任意只依赖于 的函数 ,有

。

在 上,,而 ,所以

。

乘以正数 后积分,得到

。 A. B. C. D.

  1. 设,其中,,,,则()
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答案:

C。

解析:

三个区域满足严格包含关系

。

事实上,半径为 的圆盘包含于正方形 中,而该正方形又包含于半径为 的圆盘中。由于

,

区域严格扩大时积分严格增大,故

。 A. B. C. D.

  1. ()
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答案:

B。

解析:

被积函数

在原点连续。圆盘上的积分平均值在圆盘半径趋于零时趋于函数在圆心的值,因此

。 A. 0 B. 1 C. D.

  1. 设是由曲线和围成的平面区域,则()
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答案:

严格结论:积分的符号只与 有关,与 无关;原选项中没有完全正确的一项。

解析:

区域 关于 轴对称。函数 关于 为奇函数,故

。

于是

。

由于区域面积非零且 ,有

。

因此积分在 时为正,在 时为负,在 时为零,与 无关。题目所列 A—D 中缺少“符号与 有关、与 无关”这一选项。 A. 等于0 B. 符号与有关,与无关 C. 符号与都有关 D. 符号与都无关

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答案:

。

解析:

原积分区域为

。

交换积分次序得

。

因此

。

注意

,

故原积分为

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

区域为

。

交换积分次序:

。

于是

。

而

,

所以结果为 。

  1. (其中连续)交换积分次序得()
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答案:

B。

解析:

由

可得 。固定 后,条件 等价于 ,故

。 A. B. C. D.

  1. 设是连续函数,则()
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答案:

B。

解析:

原区域为

。

在该区间上 单调下降,其值从 降到 。因此

。

对固定的 ,由 且 ,得

。

故交换次序后为

。 A. B. C. D.

  1. 设函数连续,且,则()
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答案:

C。

解析:

原区域是正方形 中位于圆 外部的部分。由

可先关于 轴折叠;再由 ,可把第一象限部分关于直线 折叠到区域

。

因此

。 A. B. C. D.

  1. 已知曲线的极坐标方程为,为曲线围成的区域,则
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答案:

。

解析:

曲线 在 上围成一个花瓣。用极坐标计算:

。

故

。

又 ,所以

。

  1. 设是第一象限内在曲线与之间的区域,则
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答案:

。

解析:

对固定的 ,两条抛物线给出

。

因此

。

内层积分为

。

于是

。

  1. 已知,则
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答案:

。

解析:

作平移

。

区域变为半径为 的上半圆盘 ,且

。

区域关于 轴对称,故 。于是

。

上半圆盘上

,

且 。因此

。

  1. 设平面区域由曲线与直线及轴所围成,计算二重积分
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答案:

。

解析:

令

,

则椭圆 化为单位圆 ,直线 化为 ,且 。

在 平面中,区域为

。

又

。

因此

。

计算得

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

使用极坐标

。

区域为 ,并且

。

故积分可分离为

。

由对称性,第一个积分为 ;第二个积分为

。

相乘即得结论。

  1. 设是由及围成的有界区域,计算二重积分
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答案:

。

解析:

区域关于 轴对称,所以含 的部分为奇函数积分,等于零。于是

。

用极坐标表示区域:

。

且

。

故

。

利用 ,得

。

  1. 计算二重积分,
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答案:

。

解析:

区域 在极坐标下为

。

因此

。

内层积分为

。

所以

。

又 ,故

。

  1. 设平面区域,是定义在上的任意连续函数,求
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答案:

。

解析:

先对 积分:

。

记 ,则 为偶函数。原积分化为

。

将被积式在 与 处配对,有

。

由于 为偶函数,整个对称区间上的积分为零。

  1. 计算
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答案:

。

解析:

区域由直线 与圆

围成,位于第一象限且 。极坐标下

。

原被积函数连同面积元为

。

于是

。

  1. 计算,,
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答案:

。

解析:

函数 仅在

内可能非零。再结合区域条件

,

得

。

因此

。

计算得

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

作变换

,

则

。

区域化为

。

又

。

所以

。

两个积分分别为 与 ,故

。

  1. 已知平面区域,计算二重积分
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答案:

。

解析:

令

,

则区域变为单位圆盘 。被积函数为

。

由圆盘的对称性,

,且

。

再加上常数项的积分 ,得到

。

  1. 计算二重积分,其中
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答案:

。

解析:

区域可写成

。

令 ,圆盘半径为 。由对称性,线性项积分为零。

首先

。

其次

。

其中

,

且 。故

。

总积分为 。

  1. 计算,其中是和的公共部分,
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答案:

。

解析:

所求区域等于半径为 的圆盘扣除圆

。

大圆盘上

。

小圆盘在极坐标下为

。

故小圆盘上的相应积分为

。

相减得

。

  1. 计算,为圆所围区域
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答案:

。

解析:

使用极坐标:

。

令 ,则

。

再令

,

则 ,。因此

。

利用

,

计算得

。

故

。

强化部分​

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答案:

。

解析:

将和式写成

。

这是矩形区域 上的二重积分和,因此

。

积分可分离:

,

。

故极限为所给结果。

  1. 设,是的第象限部分,,则()
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答案:

D。

解析:

第一、三象限区域分别关于直线 对称,而

,

故 。

在第四象限令 ,则区域为

,且被积函数为 。于是

。

由中心对称性 。因此只有 。 A. B. C. D.

  1. 设,,,其中,则必有()
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答案:

B。

解析:

用极坐标并令 。由于 ,有

,

,

。

比较可得

,

从而满足 ,选 B。 A. B. C. D.

  1. 设是上的连续函数且其在上的平均值,满足,求常数的值
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答案:

。

解析:

由平均值条件

。

对方程在 上积分:

。

注意

。

令

。

交换次序并令 ,得

。

因此

,解得 。

  1. 设,,则()
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答案:

D。

解析:

在 上,

。

所以

。

对 ,区域 的面积为 ,且在该区域内

,

从而

。

故被积函数不超过 ,于是

。

综上 。 A. B. C. D.

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答案:

。

解析:

两部分合并后,区域关于 轴对称。被积函数中的

关于 为奇函数,其积分为零,因此原积分等于区域面积。

上边界 是单位圆的上半圆;下边界

是星形线 的上半部分。

上半圆面积为 ;星形线总面积为 ,其上半部分面积为 。

故所求面积为

。

  1. 设有界区域是由圆和直线以及轴所围成的在第一象限的图形,计算二重积分
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答案:

。

解析:

令

,

则

。

第一象限单位圆扇形 化为

。

按 分段:

时 ;

时 。

因此

。

两个积分之和为 ,故

。

  1. 设,则积分
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答案:

。

解析:

令

,

则区域变为第一象限内的单位四分之一圆盘,且

,

。

于是

。

四分之一单位圆盘面积为 ,且

。

所以

。

  1. 设平面区域,求二重积分
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答案:

\displaystyle \frac73\left[(\sqrt3-1)e^{\sqrt3}+\left(1-\frac1{\sqrt3} ight)e^{1/\sqrt3} ight]。

解析:

令

,即 。由于 ,区域化为

,

且 。因此

。

有

,

。

代入上下限,即得

,

与答案形式等价。

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答案:

。

解析:

因为 时上限 小于下限 ,故

。

交换积分次序:

。

而

,

所以

。

  1. 设,则
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答案:

。

解析:

展开

。

单位圆盘关于两坐标轴对称,故 ,且

。

因此

。

  1. 设,常数,计算
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答案:

\displaystyle \pi ab\left(19+\frac{a^2}{4}+\frac{b^2}{2} ight)。

解析:

展开被积函数:

。

椭圆关于两坐标轴对称,所以线性项积分均为零。椭圆面积为 ,并且

,

。

故

。

  1. 计算二重积分,
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答案:

。

解析:

由对称性,只需在第一象限计算后乘 。令

,并保留 为另一变量,则

,且雅可比为 。

于是

。

内层积分为

。

所以

。

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答案:

。

解析:

交换积分次序。原区域为

,

等价于

。

因此

。

对 积分:

。

于是

。

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答案:

。

解析:

先对 积分:

。

括号中的函数为偶函数,因此乘以 的部分在对称区间上积分为零。故

。

计算得

。

  1. 计算二重积分,其中
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答案:

。

解析:

区域为圆 的左半部分。以原点为极点,区域可分为

,

以及

。

被积函数为

。

利用关于 轴的对称性,积分为

。

直接计算得

。

  1. 计算二重积分,其中
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答案:

。

解析:

记

。

在半径为 的圆盘上,

,

因为一次项积分为零。

区域 是圆

与 的交。用极坐标,令 ,其径向上界为 。分成

、、

三段计算,可得

。

由 ,

。

  1. 设,计算
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答案:

。

解析:

对固定的 分段。

当 时, 对所有 成立,故

。

当 时,在 处分段:

。

因此

。

计算得

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

用极坐标。条件

化为 ;条件

化为 ;又 给出

。

因此

。

径向积分后

。

利用

,

得

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

两部分区域用极坐标表示为:

第一部分

;

第二部分

。

被积函数为 ,面积元为 ,故

。

于是

。

由 ,得

。

  1. 设,计算二重积分
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答案:

。

解析:

区域关于直线 对称。将正方形分成 与其对称部分,得

。

内层积分为 ,所以

。

令 ,则

。

查看答案与解析

答案:

。

解析:

原区域满足

,

交换次序为

。

于是

。

对固定的 ,内层积分是半径为 的四分之一圆面积:

。

故

。

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答案:

\displaystyle \frac16\left(1-\frac2e ight)。

解析:

积分区域为

。

交换次序得

。

令 ,则

。

而

,

所以

。

  1. 设,计算
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答案:

。

解析:

使用极坐标。区域为上半圆 中圆 的外部,即

,

以及

。

被积函数

。

因此

。

计算得到

。

  1. 设平面区域,则
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答案:

。

解析:

令

,

则区域为单位圆盘。展开

。

圆盘上一次项积分为零,故

。

单位圆盘上

。

所以

。

  1. 设平面区域,求
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答案:

。

解析:

由四象限对称性,

。

令 。对固定的 , 从 到 ,故

。

  1. ()
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答案:

D。

解析:

区域为

。

交换积分次序:对固定 ,有

。

因此

。 A. 1 B. C. D.

  1. 已知函数,则
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答案:

。

解析:

先计算内层积分:

。

所以

。

由莱布尼茨公式,

。

故

。

  1. 设,则
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答案:

。

解析:

圆盘中心为 ,半径为 ,面积为 。由圆盘关于中心的对称性, 与 在区域上的平均值分别为 。因此

,

。

故

。

  1. 设,计算二重积分
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答案:

。

解析:

固定 ,令 。由于 ,有

。

于是

。

分别积分并合并,得到

。

  1. 设,,求
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答案:

。

解析:

区域 在极坐标下为

。

由于 ,按 分段:

。

即

。

利用 的标准公式并代入上下限,得

。

  1. 计算
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答案:

。

解析:

与第 10 题同理,交换积分次序得

。

第一部分为

。

对第二部分分部积分,或直接计算可得

。

两部分相加:

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

区域由

确定。故

时 ;

时 。

按题目给出的积分元 ,有

。

逐项积分并化简得

。

  1. 设在上连续,,求
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答案:

。

解析:

记

,

则 为常数,且

。

在极坐标下,角向积分满足

。

因此

,

。

故

,

即

。

又

,

所以答案如上。

  1. 计算,是由抛物线与直线所围区域
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答案:

。

解析:

令

。

抛物线 化为 ,而两条直线化为

。

雅可比为

。

被积函数为

。

故被积函数乘雅可比为 。又

,

所以

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

用极坐标。条件 给出

。

另一条件化为

,

即

。

且

。

因此

。

含 的部分关于 反对称,积分为零。展开其余部分并积分,得到

。

  1. 计算,其中是由直线及曲线所围成的区域
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答案:

。

解析:

区域可写成

。

因此

。

先对 积分:

。

第一项为 。第二项令 或利用贝塔积分计算,可得

。

故

。

  1. 设平面区域,计算
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答案:

。

解析:

在极坐标下,区域由

确定,共有两个关于原点对称的扇形。利用对称性并在第一扇形再关于 轴对称,得到

。

令 ,则

。

于是

。

交换积分次序并先对 积分:

。

  1. 计算,
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答案:

。

解析:

作变换

。

因为 ,有

,

且

。

区域化为矩形

。

因此

。

即

。

  1. 设,求整数使得
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答案:

。

解析:

记

。

则所给左端为

。

分部积分:

。

由定义,,故边界项为 。又

。

所以

。

因此 。

  1. 设平面区域,若,连续函数,(1)计算;(2)证明:存在,使得
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答案:

(1);

(2)存在 ,使 。

解析:

(1)用极坐标。条件 给出

。

另一条件为

,

故

。

于是

。

内层积分化简为 ,所以

。

令 ,得

。

(2)设

。

由题设及三角不等式,

,

故

。

又 ,因此

。

连续函数 在紧区域 上能取得最大值,故存在 使

。