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二重积分的极坐标计算方法

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利用极坐标系计算二重积分

利用极坐标系计算二重积分
π 2 π 2 a cos θ 0
f ( r , θ)dr ( a ≥ 0).
思考题解答
π π ≤θ≤ D: 2 2 , 0 ≤ r ≤ a cos θ
I = ∫ dr ∫
0 a r arccos a r arccos a
y
θ = arccos
D
r a r = a cosθ
a x
o
f ( r ,θ )dθ .
D
示为极坐标形式的二次积分为______________. 示为极坐标形式的二次积分为______________. 3 、 将 ∫ dx ∫
0 2 3x x
x2
f ( x 2 + y 2 )dy 化为极坐标形式的二
次积分为______________________. 次积分为______________________. 4 、 将 ∫ dx ∫
∫∫ e
D
x2 y2
dxdy = ∫ dθ∫ e
0 0
2π
a
r2
rdr
= π(1 e
a2
).
例3
求广义积分∫0 e
2
∞
x2
dx .
2
解 D1 = {( x , y ) | x + y ≤ R }
2
D2 S
D2 = {( x , y ) | x + y ≤ 2 R }
2 2 2
D1
D S2 D
二、利用极坐标系计算二重积分
∫∫ f ( x , y )dxdy
D
r = ri + ri
θ = θ i + θ i
ηi )xi yi
λ →0 i 1 = n

用极坐标计算二重积分

用极坐标计算二重积分


D
x 2 y 2 4 dxdy
D1 D2
o
2
x

D1

(4 x 2 y 2 )dxdy
2
D2

( x 2 y 2 4)dxdy
3

0 0
d
2
( 4 ) d d
3
2
0 2
3 3
2
( 2 4 ) d
41 2 (4 )d 2 ( 4 )d . 0 2 2


2 3a 1 a . [ sin6 ] 6 0 4 2 6
2

作变换 x u, v , y u, v , 其中 C
1
2 u , v R
,
C
1
,
且
x, y u v 0 u, v u v f x, y d x, y f u , v , u , v u, v dudv

2

例 4．球体 x 2 y 2 z 2 a 2 被圆柱面 x 2 y 2 ax (a 0) 所截得的（含在圆柱面内的部分）立体的体积.
解：由对称性，得
z
x 2 y2 z 2 a 2
V 2

D
a 2 x 2 y 2 dxdy
4
D1

a 2 x 2 y 2 dxdy
2 3
例 2．将二次积分
0 dx 1 x
1
1 x 2
f ( x , y )dy 化为极坐标
下的二次积分.

21(3)二重积分的极坐标计算方法.

21(3)二重积分的极坐标计算方法.

o
x
结束
x k o( ) x4 x1 x(u, v k ) x(u, v) v (u , v) 同理得 y2 y1 y h o( ) u (u , v) y k o( ) y4 y1 v (u , v) 当h, k 充分小时,曲边四边形 M1M2M3M4 近似于平行四 边形, 故其面积近似为 x2 x1 y2 y1 M 1M 2 M 1M 4 x4 x1 y4 y1
2 c
D
1 x2
a
2
y2 2 d xd b
y
D : r 1 , 0 2 ( x, y ) a cos a r sin J abr b sin b r cos ( r , )
V 2 c
D
1 r a b r d r d
(3)在变换下确定u,v的范围
D
;
(4)代入变换替换公式，化为关于u,v的二重积分;
(5)用§2求二重积分化为累次积分的方法求出其值。
题型一：引入变量替换后，化为累次积分； P242习题3
题型二：作适当的变量替换，计算二重积分。
P242习题4
d x d y , 其中D 是 x 轴 y 轴和直线 e y 所围成的闭域. x y 2 解: 令 u y x , v y x , 则 D o x vu vu ( D D ) x ,y v v2 2 2 1 D ( x, y ) 1 1 2 2 u v uv J 1 1 (u , v) 2 2 2 o u
§4 二重积分的变量交换
教学内容： 1.二重积分的换元法; 2.二重积分的极坐标变换; 教学重点： 二重积分的变量变换: 1.线性变换;

二重积分的极坐标计算方法

二重积分的极坐标计算方法

二重积分的极坐标计算方法二重积分是微积分中的重要概念，常用于求解平面区域内某个量的总量或平均值。

在一般情况下，二重积分的计算方法可以采用直角坐标系或极坐标系。

本文将详细介绍以极坐标为基础的二重积分计算方法。

一、极坐标系的基本概念极坐标系是一种平面直角坐标系的变换形式，它以极径$r$和极角$\theta$作为坐标轴。

极径$r$表示点$(x,y)$到原点的距离，极角$\theta$表示点$(x,y)$与$x$轴正半轴的夹角。

在极坐标系中，点$(x,y)$与点$(r,\theta)$是一一对应的关系，它们之间的转换公式为：$$x=r\cos\theta,\quad y=r\sin\theta$$$$r=\sqrt{x^2+y^2},\quad \theta=\tan^{-1}\left(\frac{y}{x}\right) $$二、极坐标系下的二重积分在极坐标系下，二重积分的计算方法与直角坐标系有所不同。

对于平面区域$D$内的函数$f(x,y)$，它在极坐标系下的表示形式为$f(r\cos\theta,r\sin\theta)$。

因此，二重积分的积分区域$D$可以表示为$r$和$\theta$的范围：$$\iint_Df(x,y)\mathrm{d}x\mathrm{d}y=\int_{\theta_1}^{\theta_ 2}\int_{r_1(\theta)}^{r_2(\theta)}f(r\cos\theta,r\sin\theta)r\mat hrm{d}r\mathrm{d}\theta$$其中，$r_1(\theta)$和$r_2(\theta)$分别表示以$\theta$为极角的两条极径所在的方程，$\theta_1$和$\theta_2$分别表示积分区域$D$在极坐标系下的极角范围。

需要注意的是，积分区域$D$必须满足以下条件：1. $r_1(\theta)\leq r\leq r_2(\theta)$，$\theta_1\leq\theta\leq\theta_2$；2. $D$是一个简单闭曲线所围成的区域；3. $f(x,y)$在$D$上连续或可积。

二重积分的极坐标计算方法

二重积分的极坐标计算方法
⇒ D = { ( r ,θ ) 0 ≤ θ ≤
π
y=x
4
, 0 ≤ r ≤ f (θ ) }
D
1
4
D 由直线 y = x , y = 4 , 及 x = 0 围成的平面区域。 D = D x = { ( x , y ) 0 ≤ x ≤ 4, x ≤ y ≤ 4 }
1 x = 1 ⇒ r cos θ = 1 ⇒ r = ≡ f (θ ) cos θ 1 π ⇒ D = { ( r ,θ ) 0 ≤ θ ≤ , 0 ≤ r ≤ } 4 cos θ
2
7. 用极坐标系下计算二重积分的判断原则 i) 积分区域是圆的一部分或与圆有关； 积分区域是圆的一部分或与圆有关； ii) 被积函数适合在极坐标下的定积分计算（在直角坐标 被积函数适合在极坐标下的定积分计算（ 下的定积分计算不便或根本无法计算）。 下的定积分计算不便或根本无法计算）。
计算二重积分
D = { (r,θ )
( x − 2) 2 + y 2 ≤ 4 }
−
π
-0.5
-1
2 2 (x − 2)2 + y2 = 4 ⇒ (r cosθ − 2)2 + r 2 sin2 θ = 4 2 ⇒ r − 4r cosθ = 0 ⇒ r = 4 cosθ ≡ f (θ ) π π ∴ D = { (r , θ ) − ≤ θ ≤ ，0 ≤ r ≤ 4 cosθ }
2. 二重积分在极坐标系下的形式
∫∫ f ( x, y)dσ = ∫∫ f (r cosθ , r sin θ ) ⋅ r ⋅ drdθ
D D
3. 平面曲线与平面区域在极坐标系下的表示形式
平面曲线的极坐标方程 ：r = g (θ ) , 其中 g 为已知函数。 直角坐标曲线方程转换 为极坐标曲线方程：

D10_2二重积分的计算-极坐标

D10_2二重积分的计算-极坐标


故①式成立 .
机动 目录 上页 下页 返回 结束
2 2 ( x y ) d x d y, 其中D 为由圆 x 2 y 2 2 y, 例4. 计算 D
x y 4 y 及直线 x 3 y 0, y 3x 0 所围成的 y 平面闭区域. 4 2 2 解： x y 2 y r 2 sin x 2 y 2 4 y r 4 sin y 3x 0 2 3 x 3 y 0 1 6
D
d x2 ( y )
1
c
D f ( x, y) d c d y x ( y )
f ( x, y ) d x
机动 目录
x x1 ( y ) x
上页 下页 返回 结束
极坐标系情形: 若积分区域为
则
D f ( x, y) d D f (r cos , r sin ) rd r d
2 2 1 k 1 (r rk ) k 2 rk k 2 k
o
r rk x
k
rk k
rk rk k
在 k 内取点(rk , k ), 对应有
k
rk
rk
k rk cos k , k rk sin k

2

机动

2
目录 上页 下页 返回 结束
常见区域D'的确定
(1) D : x y 2Rx (如图)
2 2
y
r 2 2Rr cos D : , 0 r 2 R cos 2 2 (2) D : x 2 y 2 2Ry (如图) r 2Rr sin

在极坐标系下计算二重积分


解: (1) 利用对称区间奇偶性，得 I x2dxdy D
Q D x 2d xdy D y 2dyd x
y
I1 (x2y2)dxdy 2D
D o 1x
1 2d 1r3dr
20 0
4
二重积分
综合题： 计算 I (x2xyex2y2)dxdy,其中: D

o
A

D
f
(x,

y)dxdy d
2()f(rcos,
1()
rsin)rdr.
二重积分
例 1 计算 x2 y2 d ， D {( x, y) | 2 x2 y2 4 2}．
D
y
解：D 在极坐标系下可表示为
{ ( r ,) |0 2 , r 2 }
O
x
x2 y2d r rdrd
D
D

2d 2r2dr
0


2
0
r3
(
3
)
|2
d

2 7 3d 1 4 4
03
3
二重积分
例2. 计算 (x2y2)dxdy, 其中D 为由圆 x2 y2 2y, D
x2 y2 4y及直线 y 3x 0, x 3y 0, 所围成的
x
x y
1 x2 y2
是关于Y的奇函数，
D
xy 1x2 y2
dxdy0
D
xy1 1x2 y2
dxdy

D
1 1x2 y2
dxdy
2

2d
0
1r 0 1r2 dr

二重积分的计算极坐标

以下假设平面有极坐标系与直角坐标系且关系如上
3 曲线的极坐标方程的求法 法一:根据曲线的几何特征及 与 r 几何含义建立方程
y
如图 圆的极坐标方程为
2R r
x
P , r
r 2R sin
0
O 法二:根据直角坐标方程以及极坐标与直角坐标关系建立
圆的直角坐标方程为 x 2 y R 2 R 2 圆的极坐标方程为
0
2 极坐标与直角坐标的关系
若平面上极坐标系与直角坐标系 关系如图. 对平面上的点 P 设其极坐标与直角坐标 分别是 , r 和 x , y 则它们有关系
y
r
O

P , r

x , y
x
x r cos y r sin
D2
D
x
D4
1 2
又如计算
其中 D : x 2 y 2 a 2 .
由于e x 2 的原函数不是初等函数 , 故本题无法用直角坐标计算. 本题解法见后面例题8 还可举例
I e
D
x2 y2 2
dxdy, D : x y a
2 2
2
解： e
a
a
x / 2
2


r 2R sin
0
例 如图
R
,r P r

r
2R


P , r
法一 r R
0 2
2 2 2 故 r 2 R 2即 r R x y R 法二: 圆的直角坐标方程为
故圆的极坐标方程为 r R 0 2 例 如图 法一 r 2 R cos 2 2 2 2 2 圆的直角坐标方程为 x R y R 法二: 故圆的极坐标方程为 r 2 R cos 2 2

经济数学在极坐标系下二重积分的计算


A
D
( )
d f (r cos ,r sin )rdr.
0
（4）区域如图4
0 2, 0 r ( ).
r ( ) D
o
A
f (r cos ,r sin )rdrd
D
图4
2
( )
d f (r cos ,r sin )rdr.
0
0
如果积分区域D为圆、半圆、圆环、扇形域等， 或被积函数f(x2+y2)形式，利用极坐标常能简化计算.
解 由对称性，可只考虑第一象限部分，
D1
D 4D1
注意：被积函数也要有对称性.
sin( x2 y2 )
dxdy 4
sin( x2 y2 )
dxdy
D
x2 y2
D1
x2 y2
4
2 d
2 sin r
rdr 4.
0
1r
例 5 计算 ( x2 y2 )dxdy，其中 D 为由圆
D
x2 y2 2 y， x2 y2 4 y及直线 x 3y 0，
定r的 上 下 限 ：
任意作过极点的半射线与平面区域相交， 由穿进点，穿出点的极径得到其上下限．
具体地（如图）
（1）区域如图1
r 2()
,
r 1()
D
1( ) r 2( ).
o
A
f (r cos ,r sin )rdrd
图1
D
d
2( ) f (r cos , r sin )rdr.
解 根据对称性有 D 4D1
在极坐标系下
D1
x2 y2 a2 r a,
( x2 y2 )2 2a2( x2 y2 ) r a 2cos2 ,

二重积分在极坐标下的计算法


S
14
( 1 eR 2 ) e d (x2 y2 ) ( 1 e2R 2 ).
S
e d 又
(x2 y2 )
S
从而 ( 1 eR 2 )
4
( 1 e2R 2 )
4
令R ,则 ( 1 eR 2 ) , ( 1 e2R 2 ) .
e(x2 y2 )dxdy
R2
( ex2 dx)2
4I 2.
13
作如下三个平面区域
D1 {( x, y) | x2 y2 R2 } D2 {( x, y) | x2 y2 2R2 }
D2
S
DSD1 2
S {(x, y) | R x R, R y R}
D
利用本题结论还可以来推导一个在概率统计中十分有
用的广义积分——Possion积分.
e x2 dx .
0
2
12
ex2 y2 dxdy (1 ea2 ) . e x2 dx .
x2 y2 a2
0
2
解 记 I ex2 dx ,则 0
(2)尽量少分块或不分块.
11
内容回顾
但若被积函数是不可求积函数，则需慎重选择积分 次序,否则将导致无法计算.若不小心选错了积分次序， 则需交换积分次序. 交换积分次序的一般步骤： 1、依据积分限作出积分区域D 的图形. 2、将二次积分转化为二重积分. 3、重新选择积分次序,将二重积分转化为二次积分
1 2
er2
)
a 0
(1 ea2 ) . 11
ex2 y2 dxdy (1 ea2 ) .
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sin cos
转换 x , y
r 2 cos2 r 2 sin 2 1 r 1
即此曲线(圆)的极坐标方程为 r g( ) 1 .
例如 : 抛物线 y x2
r sin r2 cos2 r g( ) tan sec
平面区域的极坐标表示形式：
D { ( r, ) , g ( ) r g ( ) }
y
例 计算二重积分 I e xy d ，其中 D 由直线 x = 0 , y = 0 与
x + y = 1 所围成。 D
解：区域 D 如图所示.
y
D
易见，D { (x, y) 0 x 1 , 0 y 1 x }
{ (r, ) 0 , 0 r
1
}
2
sin cos
x
1
y
1
2
无穷条射线（段）束的组合
-2
-1
-1
-2
1
2
-2
1 0.5
2 1.5
1 0.5
-1
1
2
-0.5
0.5
1
1.5
2
-1
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
0.2
0.4
0.6
0.8
1
4 3 2 1
-2 -1
1
2
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
1
yx
D
1
4
D
yx
d d
4a2 x2 y2
0
r
rdr
4a2 r 2
4
2 a sin 0
r 2 asin t
0
0
d
dr 2 a costdt
0
4a2 sin 2 t 2a costdt
4a2 (1 sin 2 t)
a
4
0
d 2a2 (1 cos 2t)dt
0
-a
4
2a2
0
(
1 2
sin
2
直角坐标曲线方程转换为极坐标曲线方程：
转换x , y
y f (x) r sin f (r cos )
解出r
r g( )
例如: 直线 y 3x 2
转换 x , y
r sin 3r cos 2
r
2
sin 3cos
即此直线的极坐标方程为 r g( )
2
.
例如 : 曲线(圆) x2 y 2 1
4
4
x+y 4
D
4
5. 二重积分在极坐标系下的累次积分公式
6. 用极坐标计算二重积分操作步骤与实例
i) 画出区域的草图； ii) 写出二重积分区域 D 在极坐标下 的表示形式 ( 这是关键）;
iii) 把二重积分化为极坐标下的累次积分（先积 r 后积 的内外两个 定积分）;
iv) 视 为参数，先对 r 计算内层定积分; 再对 计算外层定积分。
§8. 二重积分在极坐标系下的计算方法 1. 极坐标的意义和极坐标与直角坐标的转换公式
x P(x, y) x r cos ,
r
y
y r sin ;
d
d r dr
2. 二重积分在极坐标系下的形式
3. 平面曲线与平面区域在极坐标系下的表示形式
平面曲线的极坐标方程：r g( ) , 其中 g 为已知函数。
例 计算二重积分：
x2 y 2 d
D 4a2 x2 y2
，其中 D 是由曲线
y a a2 x2 (a 0)
和直线 y = - x 围成的区域。（2000年考研数学试题）
解 :易见，D { (r, ) 0 , 0 r 2a sin }
4
I
D
x2 y 2
0
2 a sin
0
2
2
2
cos
2
r
5 2
5
d cos
0
2 5
2
cos3
d
2
2 5
2
(1
sin 2 )d (sin
)
8. 15
2
7. 用极坐标系下计算二重积分的判断原则 i) 积分区域是圆的一部分或与圆有关； ii) 被积函数适合在极坐标下的定积分计算（在直角坐标 iii) 下的定积分计算不便或根本无法计算）。
1
2
直角坐标区域表示形式转换为极坐标区域表示形式：
D D {(x, y) a x b,h(x) y g(x)} x
转换x , y
D {(r, ) , g ( ) r g ( )}
1
2
2 1
-2
-1
-1
-2 2
1
4. 平面区域的极坐标表示法实例
将平面区域视为分布在某个角度内的
1
cos 4
2
)d
2
2
4 2 ( sin 2
sin 4
)
4
.
3
2
8
2
2
9. 极坐标系下累次积分与直角坐标系下累次积分的互 换问题
b
g(x)
dx f (x, y)dy f (x, y)d
a
h(x)
D
( )
f (r cos ,r sin ) rdrd d f (r cos ,r sin ) r dr
2
sin cos
sin
e x y d d e rdr sin cos
D
0
0
1
2
sin
e sin cos
(
1
) 2 d
1
sin
e sin cos
20
sin cos
2
2 0
e 1 2
.
8. 利用函数可加性和区域可加性分别用直角坐标和极坐 标计算二重积分的实例 （1）利用被积函数可加性问题
D
( )
(1) 直角坐标系下累次积分化为极坐标系下累次积分问题
2 1.5
1 0.5
0.2 0.4 0.6 0.8 1
2 1.5
1 0.5
0.5 1 1.5 2
(2) 极坐标系下累次积分化为直角坐标系下累次积分
2 1.5
1 0.5
0.5 1 1.5 2
计算 I r 2 sin 1 r 2 cos 2 drd ,
)d
a2 ( 2 1).
16 2
4
设 D { (x, y) x2 y 2 x }, 求 xdxdy.
D
1/2
1
（1998年考研数学试题） 解：区域 D 如图所示.
易见，D { (r, ) , 0 r cos }
2
2
2
cos
I xd d r cos rdr
D
（2）利用区域可加性分别用直角坐标和极坐标计算问题
例 计算二重积分 ydxdy ，其中 D 是由曲线 x 2 y y2
D
和直线 x = -2 , x 轴， y = 2 围成的区域。（1999年考研数学试题）
2
D D1 1
-2
解：区域 D 如图所示.
记 D1 { (r, )
2
, 0 r 2sin }
易见，D D1 { (x, y) 2 x 0 , 0 y 2 }
ydxdy ydxdy ydxdy
D
D D1
D1
0
2
2sin
dx ydy d r sin rdr
2 0
0
0
2dx
2
sin
r3 3
2 s4
d
4
8 12
(1
2 cos
2
2