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数学
题目

设函数 f(x,y) 在 D: x^2 + y^2 leq a^2 上连续,则 iint_(D) f(x,y), dx , dy=() A. 4 int_(0)^a dx int_(0)^sqrt(a^2-x^2) f(x,y), dyB. int_(-a)^a dx int_(0)^sqrt(a^2-x^2) f(x,y), dyC. 4 int_(0)^2pi dx int_(0)^a f(r sin theta, r cos theta), drD. 4 int_(0)^2pi dx int_(0)^a f(r sin theta, r cos theta), dr

设函数 $f(x,y)$ 在 $D: x^2 + y^2 \leq a^2$ 上连续,则 $\iint_{D} f(x,y)\, dx \, dy=$()

  • A. $4 \int_{0}^{a} dx \int_{0}^{\sqrt{a^2-x^2}} f(x,y)\, dy$
  • B. $\int_{-a}^{a} dx \int_{0}^{\sqrt{a^2-x^2}} f(x,y)\, dy$
  • C. $4 \int_{0}^{2\pi} dx \int_{0}^{a} f(r \sin \theta, r \cos \theta)\, dr$
  • D. $4 \int_{0}^{2\pi} dx \int_{0}^{a} f(r \sin \theta, r \cos \theta)\, dr$

题目解答

答案

为了求解二重积分 $\iint\limits_{D} f(x, y) \, dx \, dy$,其中 $D: x^2 + y^2 \leq a^2$,即 $D$ 是一个半径为 $a$ 的圆盘,我们可以使用极坐标系来简化计算。在极坐标系中,变量 $x$ 和 $y$ 可以表示为 $x = r \cos \theta$ 和 $y = r \sin \theta$,其中 $r$ 是径向距离,$\theta$ 是角度。 Jacobian 行列式 $J$ 为 $r$,因此 $dx \, dy = r \, dr \, d\theta$。 积分区域 $D$ 在极坐标系中表示为 $0 \leq r \leq a$ 和 $0 \leq \theta \leq 2\pi$。因此,二重积分可以写为: \[ \iint\limits_{D} f(x, y) \, dx \, dy = \int_{0}^{2\pi} \int_{0}^{a} f(r \cos \theta, r \sin \theta) \, r \, dr \, d\theta. \] 由于函数 $f(x, y)$ 在 $D$ 上连续,且 $D$ 是一个对称的圆盘,我们可以将积分区域分成四个相同的象限,每个象限的积分是整个积分的四分之一。在每个象限中,$\theta$ 的范围是 $[0, \frac{\pi}{2}]$。因此,我们有: \[ \iint\limits_{D} f(x, y) \, dx \, dy = 4 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{a} f(r \cos \theta, r \sin \theta) \, r \, dr \, d\theta. \] 但是,选项中没有 $r$ 的因子,所以需要仔细检查选项。选项中没有 $r$ 的因子,所以需要仔细检查选项。选项中没有 $r$ 的因子,所以需要仔细检查选项。 选项 A: $4 \int_{0}^{a} \, dx \int_{0}^{\sqrt{a^2 - x^2}} f(x, y) \, dy$。这个选项是正确的,因为 $D$ 是一个圆盘,可以分成四个相同的象限,每个象限中 $x$ 的范围是 $[0, a]$, $y$ 的范围是 $[0, \sqrt{a^2 - x^2}]$。 选项 B: $4 \int_{-a}^{a} \, dx \int_{b}^{\sqrt{a^2 - x^2}} f(x, y) \, dy$。这个选项是错误的,因为 $b$ 没有定义,且 $x$ 的范围是 $[-a, a]$ 时, $y$ 的范围是 $[0, \sqrt{a^2 - x^2}]$。 选项 C: $4 \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \, dx \int_{0}^{a} f(r \sin \theta, r \cos \theta) \, dr$。这个选项是错误的,因为 $dx$ 和 $dr$ 的顺序错误,且没有 $r$ 的因子。 选项 D: $4 \int_{0}^{2\pi} \, dx \int_{0}^{a} f(r \sin \theta, r \cos \theta) \, dr$。这个选项是错误的,因为 $dx$ 和 $dr$ 的顺序错误,且没有 $r$ 的因子。 因此,正确答案是 $\boxed{A}$。

解析

本题考查二重积分在直角坐标系与极坐标系下的转换,关键在于理解积分区域的对称性及坐标变换的Jacobian行列式。

  • 核心思路:圆域$x^2 + y^2 \leq a^2$在直角坐标系下积分较复杂,但可利用对称性分解为四个象限,或直接转换为极坐标系简化计算。
  • 破题关键:
    1. 直角坐标系下的对称性:若积分区域关于坐标轴对称,可将积分分解为四个象限的积分之和,再乘以4。
    2. 极坐标系转换:需正确写出$x = r\cos\theta$,$y = r\sin\theta$,并包含Jacobian因子$r$。
    3. 选项辨析:注意积分变量顺序、积分限范围及是否遗漏$r$因子。

选项分析

选项A

正确。

  • 积分区域$x \in [0, a]$,$y \in [0, \sqrt{a^2 - x^2}]$对应第一象限的部分。
  • 由于积分区域关于坐标轴对称,四个象限的积分值相等,故总积分等于第一象限积分的4倍。

选项B

错误。

  • 积分下限$b$未定义,且若下限为$0$,则积分区域为上半圆,需乘以2而非4。

选项C

错误。

  • 积分变量应为$d\theta$而非$dx$,且缺少Jacobian因子$r$。

选项D

错误。

  • 积分变量顺序错误(应为$d\theta$),且同样缺少$r$因子。

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