多元函数积分学综合练习题
本套练习题覆盖多元函数积分学的全部核心内容,共12道综合题,建议在完成各章节学习后集中练习。
练习 1
计算二重积分 ∬Dx2+y2dxdy,其中 D 是由心形线 ρ=a(1+cosθ) 围成的区域。
参考答案(4 个标签)
二重积分极坐标心形线极坐标积分限
解题思路:
心形线围成的区域适合用极坐标,被积函数 x2+y2=ρ,面积元素 dxdy=ρdρdθ。
详细步骤:
- 极坐标下:被积函数 =ρ,面积元素 =ρdρdθ
- 积分区域:0≤ρ≤a(1+cosθ),0≤θ≤2π
- 积分 =∫02πdθ∫0a(1+cosθ)ρ⋅ρdρ=∫02πdθ∫0a(1+cosθ)ρ2dρ
- =∫02π3a3(1+cosθ)3dθ=3a3∫02π(1+3cosθ+3cos2θ+cos3θ)dθ
- 利用 ∫02πcosθdθ=0,∫02πcos3θdθ=0,∫02πcos2θdθ=π
- =3a3(2π+0+3π+0)=3a3⋅5π=35πa3
答案:35πa3
练习 2
交换积分次序并计算:∫01dx∫xxysinydy。
参考答案(4 个标签)
二重积分换序不可积函数积分区域
解题思路:
ysiny 的原函数不是初等函数,必须交换积分次序,先对 x 积分。
详细步骤:
- 原积分区域:0≤x≤1,x≤y≤x
- 注意当 0≤x≤1 时,x≤x,区域在 y=x 和 y=x 之间。
- 交换次序:0≤y≤1,y2≤x≤y
- 积分 =∫01dy∫y2yysinydx=∫01ysiny(y−y2)dy=∫01(1−y)sinydy
- =∫01sinydy−∫01ysinydy=[−cosy]01−[−ycosy+siny]01
- =(1−cos1)−(−cos1+sin1)=1−sin1
答案:1−sin1
练习 3
计算三重积分 ∭Ω(x2+y2)dv,其中 Ω 是由曲面 x2+y2=2z 和平面 z=2 围成的区域。
参考答案(4 个标签)
三重积分柱坐标旋转抛物面截面法
解题思路:
旋转抛物面与平面围成的区域,适合用柱坐标或截面法(先二后一)。
详细步骤:
方法一:柱坐标
- 柱坐标:x2+y2=ρ2,dv=ρdρdθdz
- 区域:0≤θ≤2π,0≤ρ≤2,2ρ2≤z≤2
- 积分 =∫02πdθ∫02ρdρ∫ρ2/22ρ2dz=2π∫02ρ3(2−2ρ2)dρ=2π∫02(2ρ3−2ρ5)dρ
- =2π[2ρ4−12ρ6]02=2π(8−1264)=2π(8−316)=2π⋅38=316π
方法二:截面法(先二后一)
- 当 0≤z≤2 时,截面 Dz:x2+y2≤2z,是半径为 2z 的圆
- 积分 =∫02dz∬Dz(x2+y2)dxdy=∫02dz∫02πdθ∫02zρ2⋅ρdρ
- =∫022π⋅4(2z)4dz=∫022π⋅44z2dz=2π∫02z2dz=2π⋅38=316π
答案:316π
练习 4
计算三重积分 ∭Ωzdv,其中 Ω 是由球面 x2+y2+z2=4 和锥面 z=x2+y2 围成的区域(含 z 轴正方向部分)。
参考答案(4 个标签)
三重积分球坐标球锥锥面
解题思路:
球面与锥面围成的球锥区域,适合用球坐标。锥面 z=x2+y2 对应 ϕ=4π。
详细步骤:
- 球坐标:z=rcosϕ,dv=r2sinϕdrdϕdθ
- 区域:0≤θ≤2π,0≤ϕ≤4π,0≤r≤2
- 积分 =∫02πdθ∫0π/4sinϕdϕ∫02rcosϕ⋅r2dr=2π∫0π/4sinϕcosϕdϕ∫02r3dr
- =2π⋅[2sin2ϕ]0π/4⋅416=2π⋅41⋅4=2π
答案:2π
练习 5
用变量替换计算 ∬Dey+xy−xdxdy,其中 D 是由 x+y=1,x+y=2,x=0,y=0 围成的区域在第一象限的部分。
参考答案(4 个标签)
二重积分变量替换雅可比指数函数
解题思路:
令 u=y−x,v=y+x,则被积函数变为 eu/v,雅可比行列式易求。
详细步骤:
- 令 u=y−x,v=y+x,则 x=2v−u,y=2v+u
- 雅可比:J=∂(u,v)∂(x,y)=−1/21/21/21/2=−41−41=−21,∣J∣=21
- 区域变换:x+y=1→v=1,x+y=2→v=2;x=0→u=v;y=0→u=−v
- 新区域:1≤v≤2,−v≤u≤v
- 积分 =∬D′eu/v⋅21dudv=21∫12dv∫−vveu/vdu=21∫12v[eu/v]−vvdv=21∫12v(e−e−1)dv
- =2e−e−1⋅[2v2]12=2e−e−1⋅23=43(e−e−1)
答案:43(e−e−1)
练习 6
计算曲线积分 ∫L(x2+y2)ds,其中 L 是螺旋线 x=acost,y=asint,z=bt 从 t=0 到 t=2π 的一段。
参考答案(4 个标签)
第一类曲线积分螺旋线参数方程弧长元素
解题思路:
第一类曲线积分,用参数方程计算,ds=x′2+y′2+z′2dt。
详细步骤:
- x′=−asint,y′=acost,z′=b
- ds=a2sin2t+a2cos2t+b2dt=a2+b2dt
- x2+y2=a2cos2t+a2sin2t=a2
- 积分 =∫02πa2⋅a2+b2dt=2πa2a2+b2
答案:2πa2a2+b2
练习 7
计算曲线积分 ∮Lx2+y2xdy−ydx,其中 L 是椭圆 a2x2+b2y2=1 的正向。
参考答案(4 个标签)
第二类曲线积分格林公式奇点挖洞法
解题思路:
被积函数在原点不连续,椭圆包围原点,用”挖洞法”:在椭圆内作小圆周,利用格林公式。
详细步骤:
- P=x2+y2−y,Q=x2+y2x,在 x2+y2=0 处 ∂x∂Q=∂y∂P
- 在椭圆内作小圆周 l:x2+y2=ε2(顺时针),在两曲线之间的区域用格林公式:
∮L+∮l=∬D0=0,所以 ∮L=−∮l
- 在 l 上(逆时针):∮l逆=ε21∮l逆xdy−ydx=ε21⋅2πε2=2π
- 因为 l 取顺时针,∮l=−2π,所以 ∮L=−(−2π)=2π
答案:2π
练习 8
计算曲面积分 ∬Σ(x+y+z)dS,其中 Σ 是平面 x+y+z=1 被三个坐标面截下的三角形部分。
参考答案(4 个标签)
第一类曲面积分平面三角形对称性
解题思路:
第一类曲面积分,利用对称性简化,dS=1+zx2+zy2dxdy。
详细步骤:
- Σ:z=1−x−y,投影到 xOy 平面为三角形 D:x≥0,y≥0,x+y≤1
- zx=−1,zy=−1,dS=1+1+1dxdy=3dxdy
- 由对称性,∬ΣxdS=∬ΣydS=∬ΣzdS
- 所以积分 =3∬ΣxdS=33∬Dxdxdy
- ∬Dxdxdy=∫01dx∫01−xxdy=∫01x(1−x)dx=[2x2−3x3]01=61
- 积分 =33⋅61=23
答案:23
练习 9
计算曲面积分 ∬Σx3dydz+y3dzdx+z3dxdy,其中 Σ 是球面 x2+y2+z2=R2 的外侧。
参考答案(4 个标签)
第二类曲面积分高斯公式球面球坐标
解题思路:
闭曲面外侧,直接用高斯公式,散度为 3(x2+y2+z2)。
详细步骤:
- ∇⋅F=3x2+3y2+3z2=3(x2+y2+z2)
- 由高斯公式:积分 =∭Ω3(x2+y2+z2)dv
- 球坐标:=3∫02πdθ∫0πsinϕdϕ∫0Rr2⋅r2dr=3⋅2π⋅2⋅5R5=512πR5
答案:512πR5
练习 10
验证向量场 F=(2xy+z3,x2,3xz2) 是有势场,求势函数,并计算从 (0,0,0) 到 (1,1,1) 的曲线积分。
参考答案(5 个标签)
向量场有势场势函数路径无关旋度
解题思路:
验证旋度为零,凑微分求势函数,用势函数的差计算积分。
详细步骤:
- 旋度:
∂y∂R−∂z∂Q=0−0=0
∂z∂P−∂x∂R=3z2−3z2=0
∂x∂Q−∂y∂P=2x−2x=0
旋度为零,在全空间(单连通)是有势场。
- 凑微分:(2xy+z3)dx+x2dy+3xz2dz=d(x2y+xz3)
- 势函数:u=x2y+xz3+C
- 积分 =u(1,1,1)−u(0,0,0)=(1+1)−0=2
答案:势函数为 u=x2y+xz3+C,曲线积分为 2。
练习 11
设均匀薄片占有区域 D:x2+y2≤2ax(a>0),面密度为常数 μ,求薄片对 x 轴和 y 轴的转动惯量。
参考答案(4 个标签)
转动惯量平面薄片极坐标偏心圆
解题思路:
区域是圆心在 (a,0)、半径为 a 的圆,用极坐标 ρ≤2acosθ。
详细步骤:
- 极坐标:x=ρcosθ,y=ρsinθ,区域 0≤ρ≤2acosθ,−2π≤θ≤2π
- 绕 x 轴:Ix=∬Dy2μdxdy=μ∫−π/2π/2dθ∫02acosθρ2sin2θ⋅ρdρ
=μ∫−π/2π/2sin2θ⋅4(2acosθ)4dθ=4μa4∫−π/2π/2sin2θcos4θdθ
=8μa4∫0π/2sin2θcos4θdθ=8μa4⋅32π=4πμa4
- 绕 y 轴:Iy=∬Dx2μdxdy=μ∫−π/2π/2dθ∫02acosθρ2cos2θ⋅ρdρ
=4μa4∫−π/2π/2cos6θdθ=8μa4∫0π/2cos6θdθ=8μa4⋅325π=45πμa4
- 总质量 M=μ⋅πa2,所以 Ix=4Ma2,Iy=45Ma2
答案:Ix=4πμa4=4Ma2,Iy=45πμa4=45Ma2
练习 12
设空间物体占有区域 Ω:x2+y2+z2≤R2,z≥0(上半球体),体密度 ρ=kz(k 为常数),求物体的质量和质心。
参考答案(5 个标签)
质量质心上半球球坐标密度
解题思路:
密度与 z 成正比,用球坐标计算。由对称性 xˉ=yˉ=0。
详细步骤:
- 球坐标:z=rcosϕ,dv=r2sinϕdrdϕdθ,区域 0≤r≤R,0≤ϕ≤2π,0≤θ≤2π
- 质量:
M=∭Ωkzdv=k∫02πdθ∫0π/2sinϕdϕ∫0Rrcosϕ⋅r2dr=k⋅2π∫0π/2sinϕcosϕdϕ∫0Rr3dr
=2πk⋅21⋅4R4=4πkR4
- 由对称性 xˉ=yˉ=0
- zˉ=M1∭Ωz⋅kzdv=Mk∭Ωz2dv
=Mk∫02πdθ∫0π/2sinϕdϕ∫0Rr2cos2ϕ⋅r2dr
=Mk⋅2π∫0π/2cos2ϕsinϕdϕ∫0Rr4dr
=Mk⋅2π⋅31⋅5R5=Mk⋅152πR5
- 代入 M=4πkR4:
zˉ=πkR4/42πkR5/15=152R⋅4=158R
答案:质量 M=4πkR4,质心为 (0,0,158R)。
总结
本套练习题覆盖了多元函数积分学的全部核心内容:
| 题号 | 知识点 | 核心方法 |
|---|
| 1 | 二重积分 | 极坐标、心形线 |
| 2 | 二重积分 | 换序、不可积函数 |
| 3 | 三重积分 | 柱坐标、截面法 |
| 4 | 三重积分 | 球坐标、球锥 |
| 5 | 二重积分 | 变量替换、雅可比 |
| 6 | 第一类曲线积分 | 参数方程、螺旋线 |
| 7 | 第二类曲线积分 | 格林公式、挖洞法 |
| 8 | 第一类曲面积分 | 显函数曲面、对称性 |
| 9 | 第二类曲面积分 | 高斯公式、球坐标 |
| 10 | 向量场 | 有势场、势函数 |
| 11 | 转动惯量 | 平面薄片、极坐标 |
| 12 | 质量与质心 | 三重积分、球坐标 |