一个平面图形由下列曲线围成:
写出用极坐标 表示它面积的积分,并求出这个积分的值。
先把两个圆化成极坐标形式。 代入 、, 就变成 ,于是 化为 ,即 。舍掉极点 就得到 ,对第二个圆做同样的处理得到 。两条都是过原点、圆心在 轴上的圆,所以在这块区域里极径从小的那条跑到大的那条:
再把两条直线化成角度。 过原点的直线在极坐标里就是一条射线 。直线 就是 轴,对应 。对 代入极坐标形式:,得 ,即 。所以极角扫过的范围是
把面积积分组装起来。 极坐标下的面积元是 —— 多出来的因子 是雅可比行列式,也是这里最容易漏掉的东西。配上刚才求出的上下限:
先对 做内层积分。 被积函数就是 ,内层积分是一个平方差,所以 能干净地提出来:
再对 积分,用降幂公式。 一眼看不出原函数,所以改写成 :
代入上下限。 在 处:。在 处:。两者相减再乘以 :
对同一个积分做数值计算得到 ,说明这个闭式结果是对的。
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