Calculus · real student question

一个平面图形由圆 x² + y² − 7y = 0、x² + y² − 9y = 0 以及直线 y = x/√3、x = 0 围成。写出用极坐标表示它面积的积分,并求出面积。

Question

一个平面图形由下列曲线围成:

x2+y27y=0,x2+y29y=0,y=x3,x=0.x^2+y^2-7y=0,\qquad x^2+y^2-9y=0,\qquad y=\frac{x}{\sqrt{3}},\qquad x=0.

写出用极坐标 (r,φ)(r,\varphi) 表示它面积的积分,并求出这个积分的值。

Step-by-step solution

  1. 先把两个圆化成极坐标形式。 代入 x=rcosφx=r\cos\varphiy=rsinφy=r\sin\varphix2+y2x^2+y^2 就变成 r2r^2,于是 x2+y27y=0x^2+y^2-7y=0 化为 r27rsinφ=0r^2-7r\sin\varphi=0,即 r(r7sinφ)=0r(r-7\sin\varphi)=0。舍掉极点 r=0r=0 就得到 r=7sinφr=7\sin\varphi,对第二个圆做同样的处理得到 r=9sinφr=9\sin\varphi。两条都是过原点、圆心在 yy 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:

    7sinφr9sinφ.7\sin\varphi \le r \le 9\sin\varphi.

  2. 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 φ=常数\varphi=\text{常数}。直线 x=0x=0 就是 yy 轴,对应 φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}。对 y=x3y=\tfrac{x}{\sqrt3} 代入极坐标形式:rsinφ=rcosφ3r\sin\varphi=\tfrac{r\cos\varphi}{\sqrt3},得 tanφ=13\tan\varphi=\tfrac{1}{\sqrt3},即 φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}。所以极角扫过的范围是

    π6φπ2.\frac{\pi}{6}\le\varphi\le\frac{\pi}{2}.

  3. 把面积积分组装起来。 极坐标下的面积元是 dS=rdrdφdS=r\,dr\,d\varphi —— 多出来的因子 rr 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:

    S=π/6π/27sinφ9sinφrdrdφ.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi.

  4. 先对 rr 做内层积分。 被积函数就是 rr,内层积分是一个平方差,所以 sin2φ\sin^2\varphi 能干净地提出来:

    7sinφ9sinφrdr=(9sinφ)2(7sinφ)22=81492sin2φ=16sin2φ.\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr=\frac{(9\sin\varphi)^2-(7\sin\varphi)^2}{2}=\frac{81-49}{2}\sin^2\varphi=16\sin^2\varphi.

  5. 再对 φ\varphi 积分,用降幂公式。 sin2φ\sin^2\varphi 一眼看不出原函数,所以改写成 sin2φ=1cos2φ2\sin^2\varphi=\tfrac{1-\cos 2\varphi}{2}

    S=π/6π/216sin2φdφ=8π/6π/2(1cos2φ)dφ=8[φsin2φ2]π/6π/2.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}16\sin^2\varphi\,d\varphi=8\int_{\pi/6}^{\pi/2}(1-\cos 2\varphi)\,d\varphi=8\left[\varphi-\frac{\sin 2\varphi}{2}\right]_{\pi/6}^{\pi/2}.

  6. 代入上下限。φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2} 处:π2sinπ2=π2\tfrac{\pi}{2}-\tfrac{\sin\pi}{2}=\tfrac{\pi}{2}。在 φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6} 处:π612sinπ3=π634\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{1}{2}\sin\tfrac{\pi}{3}=\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{\sqrt3}{4}。两者相减再乘以 88

    S=8(π2π6+34)=8π3+23=8π3+2311.84.S=8\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt3}{4}\right)=8\cdot\frac{\pi}{3}+2\sqrt3=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt3\approx 11.84.

    对同一个积分做数值计算得到 11.841711.8417,说明这个闭式结果是对的。

Answer

S=π/6π/27sinφ9sinφrdrdφ=8π3+2311.84S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt{3}\approx 11.84

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