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\iint_D \sqrt{x^2+y^2} \, dx\,dy,其中 DD 是由心形线 ρ=a(1+cosθ)\rho = a(1+\cos\theta) 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\sqrt{x^2+y^2} = \rho,面积元素 dxdy=ρdρdθdx\,dy = \rho \, d\rho \, d\theta

详细步骤

  1. 极坐标下:被积函数 =ρ= \rho,面积元素 =ρdρdθ= \rho \, d\rho \, d\theta
  2. 积分区域:0ρa(1+cosθ),0θ2π0 \leq \rho \leq a(1+\cos\theta), \, 0 \leq \theta \leq 2\pi
  3. 积分 =02πdθ0a(1+cosθ)ρρdρ=02πdθ0a(1+cosθ)ρ2dρ= \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{a(1+\cos\theta)} \rho \cdot \rho \, d\rho = \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{a(1+\cos\theta)} \rho^2 d\rho
  4. =02πa3(1+cosθ)33dθ=a3302π(1+3cosθ+3cos2θ+cos3θ)dθ= \int_0^{2\pi} \frac{a^3(1+\cos\theta)^3}{3} d\theta = \frac{a^3}{3}\int_0^{2\pi} (1+3\cos\theta+3\cos^2\theta+\cos^3\theta) d\theta
  5. 利用 02πcosθdθ=0\int_0^{2\pi} \cos\theta \, d\theta = 002πcos3θdθ=0\int_0^{2\pi} \cos^3\theta \, d\theta = 002πcos2θdθ=π\int_0^{2\pi} \cos^2\theta \, d\theta = \pi
  6. =a33(2π+0+3π+0)=a335π=5πa33= \frac{a^3}{3}(2\pi + 0 + 3\pi + 0) = \frac{a^3}{3} \cdot 5\pi = \frac{5\pi a^3}{3}

答案5πa33\frac{5\pi a^3}{3}

练习 2

交换积分次序并计算:01dxxxsinyydy\int_0^1 dx \int_x^{\sqrt{x}} \frac{\sin y}{y} \, dy

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二重积分换序不可积函数积分区域

解题思路sinyy\frac{\sin y}{y} 的原函数不是初等函数,必须交换积分次序,先对 xx 积分。

详细步骤

  1. 原积分区域:0x1,xyx0 \leq x \leq 1, \, x \leq y \leq \sqrt{x}
  2. 注意当 0x10 \leq x \leq 1 时,xxx \leq \sqrt{x},区域在 y=xy=xy=xy=\sqrt{x} 之间。
  3. 交换次序:0y1,y2xy0 \leq y \leq 1, \, y^2 \leq x \leq y
  4. 积分 =01dyy2ysinyydx=01sinyy(yy2)dy=01(1y)sinydy= \int_0^1 dy \int_{y^2}^y \frac{\sin y}{y} dx = \int_0^1 \frac{\sin y}{y}(y - y^2) dy = \int_0^1 (1-y)\sin y \, dy
  5. =01sinydy01ysinydy=[cosy]01[ycosy+siny]01= \int_0^1 \sin y \, dy - \int_0^1 y\sin y \, dy = [-\cos y]_0^1 - [-y\cos y + \sin y]_0^1
  6. =(1cos1)(cos1+sin1)=1sin1= (1-\cos 1) - (-\cos 1 + \sin 1) = 1 - \sin 1

答案1sin11 - \sin 1

练习 3

计算三重积分 Ω(x2+y2)dv\iiint_\Omega (x^2+y^2) \, dv,其中 Ω\Omega 是由曲面 x2+y2=2zx^2+y^2 = 2z 和平面 z=2z=2 围成的区域。

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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

  1. 柱坐标:x2+y2=ρ2x^2+y^2 = \rho^2dv=ρdρdθdzdv = \rho \, d\rho \, d\theta \, dz
  2. 区域:0θ2π,0ρ2,ρ22z20 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \rho \leq 2, \, \frac{\rho^2}{2} \leq z \leq 2
  3. 积分 =02πdθ02ρdρρ2/22ρ2dz=2π02ρ3(2ρ22)dρ=2π02(2ρ3ρ52)dρ= \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^2 \rho \, d\rho \int_{\rho^2/2}^2 \rho^2 \, dz = 2\pi \int_0^2 \rho^3(2 - \frac{\rho^2}{2}) d\rho = 2\pi \int_0^2 (2\rho^3 - \frac{\rho^5}{2}) d\rho
  4. =2π[ρ42ρ612]02=2π(86412)=2π(8163)=2π83=16π3= 2\pi [\frac{\rho^4}{2} - \frac{\rho^6}{12}]_0^2 = 2\pi(8 - \frac{64}{12}) = 2\pi(8 - \frac{16}{3}) = 2\pi \cdot \frac{8}{3} = \frac{16\pi}{3}

方法二:截面法(先二后一)

  1. 0z20 \leq z \leq 2 时,截面 Dz:x2+y22zD_z: x^2+y^2 \leq 2z,是半径为 2z\sqrt{2z} 的圆
  2. 积分 =02dzDz(x2+y2)dxdy=02dz02πdθ02zρ2ρdρ= \int_0^2 dz \iint_{D_z} (x^2+y^2) dx\,dy = \int_0^2 dz \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\sqrt{2z}} \rho^2 \cdot \rho \, d\rho
  3. =022π(2z)44dz=022π4z24dz=2π02z2dz=2π83=16π3= \int_0^2 2\pi \cdot \frac{(\sqrt{2z})^4}{4} dz = \int_0^2 2\pi \cdot \frac{4z^2}{4} dz = 2\pi \int_0^2 z^2 dz = 2\pi \cdot \frac{8}{3} = \frac{16\pi}{3}

答案16π3\frac{16\pi}{3}

练习 4

计算三重积分 Ωzdv\iiint_\Omega z \, dv,其中 Ω\Omega 是由球面 x2+y2+z2=4x^2+y^2+z^2 = 4 和锥面 z=x2+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 围成的区域(含 zz 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+y2z = \sqrt{x^2+y^2} 对应 ϕ=π4\phi = \frac{\pi}{4}

详细步骤

  1. 球坐标:z=rcosϕz = r\cos\phidv=r2sinϕdrdϕdθdv = r^2\sin\phi \, dr \, d\phi \, d\theta
  2. 区域:0θ2π,0ϕπ4,0r20 \leq \theta \leq 2\pi, \, 0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{4}, \, 0 \leq r \leq 2
  3. 积分 =02πdθ0π/4sinϕdϕ02rcosϕr2dr=2π0π/4sinϕcosϕdϕ02r3dr= \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\pi/4} \sin\phi \, d\phi \int_0^2 r\cos\phi \cdot r^2 dr = 2\pi \int_0^{\pi/4} \sin\phi\cos\phi \, d\phi \int_0^2 r^3 dr
  4. =2π[sin2ϕ2]0π/4164=2π144=2π= 2\pi \cdot [\frac{\sin^2\phi}{2}]_0^{\pi/4} \cdot \frac{16}{4} = 2\pi \cdot \frac{1}{4} \cdot 4 = 2\pi

答案2π2\pi

练习 5

用变量替换计算 Deyxy+xdxdy\iint_D e^{\frac{y-x}{y+x}} \, dx\,dy,其中 DD 是由 x+y=1,x+y=2,x=0,y=0x+y=1, \, x+y=2, \, x=0, \, y=0 围成的区域在第一象限的部分。

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二重积分变量替换雅可比指数函数

解题思路: 令 u=yx,v=y+xu = y-x, \, v = y+x,则被积函数变为 eu/ve^{u/v},雅可比行列式易求。

详细步骤

  1. u=yx,v=y+xu = y-x, \, v = y+x,则 x=vu2,y=v+u2x = \frac{v-u}{2}, \, y = \frac{v+u}{2}
  2. 雅可比:J=(x,y)(u,v)=1/21/21/21/2=1414=12J = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} -1/2 & 1/2 \\ 1/2 & 1/2 \end{vmatrix} = -\frac{1}{4} - \frac{1}{4} = -\frac{1}{2}J=12|J| = \frac{1}{2}
  3. 区域变换:x+y=1v=1x+y=1 \to v=1x+y=2v=2x+y=2 \to v=2x=0u=vx=0 \to u=vy=0u=vy=0 \to u=-v
  4. 新区域:1v2,vuv1 \leq v \leq 2, \, -v \leq u \leq v
  5. 积分 =Deu/v12dudv=1212dvvveu/vdu=1212v[eu/v]vvdv=1212v(ee1)dv= \iint_{D'} e^{u/v} \cdot \frac{1}{2} du\,dv = \frac{1}{2}\int_1^2 dv \int_{-v}^v e^{u/v} du = \frac{1}{2}\int_1^2 v[e^{u/v}]_{-v}^v dv = \frac{1}{2}\int_1^2 v(e - e^{-1}) dv
  6. =ee12[v22]12=ee1232=3(ee1)4= \frac{e-e^{-1}}{2} \cdot [\frac{v^2}{2}]_1^2 = \frac{e-e^{-1}}{2} \cdot \frac{3}{2} = \frac{3(e-e^{-1})}{4}

答案3(ee1)4\frac{3(e-e^{-1})}{4}

练习 6

计算曲线积分 L(x2+y2)ds\int_L (x^2+y^2) \, ds,其中 LL 是螺旋线 x=acost,y=asint,z=btx = a\cos t, \, y = a\sin t, \, z = btt=0t=0t=2πt=2\pi 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=x2+y2+z2dtds = \sqrt{x'^2+y'^2+z'^2} \, dt

详细步骤

  1. x=asint,y=acost,z=bx' = -a\sin t, \, y' = a\cos t, \, z' = b
  2. ds=a2sin2t+a2cos2t+b2dt=a2+b2dtds = \sqrt{a^2\sin^2 t + a^2\cos^2 t + b^2} \, dt = \sqrt{a^2+b^2} \, dt
  3. x2+y2=a2cos2t+a2sin2t=a2x^2+y^2 = a^2\cos^2 t + a^2\sin^2 t = a^2
  4. 积分 =02πa2a2+b2dt=2πa2a2+b2= \int_0^{2\pi} a^2 \cdot \sqrt{a^2+b^2} \, dt = 2\pi a^2 \sqrt{a^2+b^2}

答案2πa2a2+b22\pi a^2 \sqrt{a^2+b^2}

练习 7

计算曲线积分 Lxdyydxx2+y2\oint_L \frac{x \, dy - y \, dx}{x^2+y^2},其中 LL 是椭圆 x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2}+\frac{y^2}{b^2}=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

  1. P=yx2+y2,Q=xx2+y2P = \frac{-y}{x^2+y^2}, \, Q = \frac{x}{x^2+y^2},在 x2+y20x^2+y^2 \neq 0Qx=Py\frac{\partial Q}{\partial x} = \frac{\partial P}{\partial y}
  2. 在椭圆内作小圆周 l:x2+y2=ε2l: x^2+y^2 = \varepsilon^2(顺时针),在两曲线之间的区域用格林公式: L+l=D0=0\oint_L + \oint_l = \iint_D 0 = 0,所以 L=l\oint_L = -\oint_l
  3. ll 上(逆时针):l=1ε2lxdyydx=1ε22πε2=2π\oint_{l_{逆}} = \frac{1}{\varepsilon^2}\oint_{l_{逆}} x\,dy-y\,dx = \frac{1}{\varepsilon^2} \cdot 2\pi\varepsilon^2 = 2\pi
  4. 因为 ll 取顺时针,l=2π\oint_l = -2\pi,所以 L=(2π)=2π\oint_L = -(-2\pi) = 2\pi

答案2π2\pi

练习 8

计算曲面积分 Σ(x+y+z)dS\iint_\Sigma (x+y+z) \, dS,其中 Σ\Sigma 是平面 x+y+z=1x+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+zy2dxdydS = \sqrt{1+z_x^2+z_y^2} \, dx\,dy

详细步骤

  1. Σ:z=1xy\Sigma: z = 1-x-y,投影到 xOyxOy 平面为三角形 D:x0,y0,x+y1D: x\geq0, y\geq0, x+y\leq1
  2. zx=1,zy=1z_x = -1, \, z_y = -1dS=1+1+1dxdy=3dxdydS = \sqrt{1+1+1} \, dx\,dy = \sqrt{3} \, dx\,dy
  3. 由对称性,ΣxdS=ΣydS=ΣzdS\iint_\Sigma x \, dS = \iint_\Sigma y \, dS = \iint_\Sigma z \, dS
  4. 所以积分 =3ΣxdS=33Dxdxdy= 3\iint_\Sigma x \, dS = 3\sqrt{3}\iint_D x \, dx\,dy
  5. Dxdxdy=01dx01xxdy=01x(1x)dx=[x22x33]01=16\iint_D x \, dx\,dy = \int_0^1 dx \int_0^{1-x} x \, dy = \int_0^1 x(1-x) dx = [\frac{x^2}{2}-\frac{x^3}{3}]_0^1 = \frac{1}{6}
  6. 积分 =3316=32= 3\sqrt{3} \cdot \frac{1}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}

答案32\frac{\sqrt{3}}{2}

练习 9

计算曲面积分 Σx3dydz+y3dzdx+z3dxdy\oiint_\Sigma x^3 \, dy\,dz + y^3 \, dz\,dx + z^3 \, dx\,dy,其中 Σ\Sigma 是球面 x2+y2+z2=R2x^2+y^2+z^2 = R^2 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)3(x^2+y^2+z^2)

详细步骤

  1. F=3x2+3y2+3z2=3(x2+y2+z2)\nabla \cdot \vec{F} = 3x^2 + 3y^2 + 3z^2 = 3(x^2+y^2+z^2)
  2. 由高斯公式:积分 =Ω3(x2+y2+z2)dv= \iiint_\Omega 3(x^2+y^2+z^2) dv
  3. 球坐标:=302πdθ0πsinϕdϕ0Rr2r2dr=32π2R55=12πR55= 3\int_0^{2\pi} d\theta \int_0^\pi \sin\phi \, d\phi \int_0^R r^2 \cdot r^2 dr = 3 \cdot 2\pi \cdot 2 \cdot \frac{R^5}{5} = \frac{12\pi R^5}{5}

答案12πR55\frac{12\pi R^5}{5}

练习 10

验证向量场 F=(2xy+z3,x2,3xz2)\vec{F} = (2xy+z^3, \, x^2, \, 3xz^2) 是有势场,求势函数,并计算从 (0,0,0)(0,0,0)(1,1,1)(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

  1. 旋度: RyQz=00=0\frac{\partial R}{\partial y}-\frac{\partial Q}{\partial z} = 0-0=0 PzRx=3z23z2=0\frac{\partial P}{\partial z}-\frac{\partial R}{\partial x} = 3z^2-3z^2=0 QxPy=2x2x=0\frac{\partial Q}{\partial x}-\frac{\partial P}{\partial y} = 2x-2x=0 旋度为零,在全空间(单连通)是有势场。
  2. 凑微分:(2xy+z3)dx+x2dy+3xz2dz=d(x2y+xz3)(2xy+z^3)dx + x^2 dy + 3xz^2 dz = d(x^2y + xz^3)
  3. 势函数:u=x2y+xz3+Cu = x^2y + xz^3 + C
  4. 积分 =u(1,1,1)u(0,0,0)=(1+1)0=2= u(1,1,1) - u(0,0,0) = (1+1) - 0 = 2

答案:势函数为 u=x2y+xz3+Cu = x^2y + xz^3 + C,曲线积分为 22

练习 11

设均匀薄片占有区域 D:x2+y22axD: x^2+y^2 \leq 2axa>0a>0),面密度为常数 μ\mu,求薄片对 xx 轴和 yy 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)(a,0)、半径为 aa 的圆,用极坐标 ρ2acosθ\rho \leq 2a\cos\theta

详细步骤

  1. 极坐标:x=ρcosθ,y=ρsinθx = \rho\cos\theta, \, y = \rho\sin\theta,区域 0ρ2acosθ,π2θπ20 \leq \rho \leq 2a\cos\theta, \, -\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2}
  2. xx 轴:Ix=Dy2μdxdy=μπ/2π/2dθ02acosθρ2sin2θρdρI_x = \iint_D y^2 \mu \, dx\,dy = \mu \int_{-\pi/2}^{\pi/2} d\theta \int_0^{2a\cos\theta} \rho^2\sin^2\theta \cdot \rho \, d\rho =μπ/2π/2sin2θ(2acosθ)44dθ=4μa4π/2π/2sin2θcos4θdθ= \mu \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \sin^2\theta \cdot \frac{(2a\cos\theta)^4}{4} d\theta = 4\mu a^4 \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \sin^2\theta\cos^4\theta \, d\theta =8μa40π/2sin2θcos4θdθ=8μa4π32=πμa44= 8\mu a^4 \int_0^{\pi/2} \sin^2\theta\cos^4\theta \, d\theta = 8\mu a^4 \cdot \frac{\pi}{32} = \frac{\pi\mu a^4}{4}
  3. yy 轴:Iy=Dx2μdxdy=μπ/2π/2dθ02acosθρ2cos2θρdρI_y = \iint_D x^2 \mu \, dx\,dy = \mu \int_{-\pi/2}^{\pi/2} d\theta \int_0^{2a\cos\theta} \rho^2\cos^2\theta \cdot \rho \, d\rho =4μa4π/2π/2cos6θdθ=8μa40π/2cos6θdθ=8μa45π32=5πμa44= 4\mu a^4 \int_{-\pi/2}^{\pi/2} \cos^6\theta \, d\theta = 8\mu a^4 \int_0^{\pi/2} \cos^6\theta \, d\theta = 8\mu a^4 \cdot \frac{5\pi}{32} = \frac{5\pi\mu a^4}{4}
  4. 总质量 M=μπa2M = \mu \cdot \pi a^2,所以 Ix=Ma24I_x = \frac{Ma^2}{4}Iy=5Ma24I_y = \frac{5Ma^2}{4}

答案Ix=πμa44=Ma24I_x = \frac{\pi\mu a^4}{4} = \frac{Ma^2}{4}Iy=5πμa44=5Ma24I_y = \frac{5\pi\mu a^4}{4} = \frac{5Ma^2}{4}

练习 12

设空间物体占有区域 Ω:x2+y2+z2R2,z0\Omega: x^2+y^2+z^2 \leq R^2, \, z \geq 0(上半球体),体密度 ρ=kz\rho = kzkk 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 zz 成正比,用球坐标计算。由对称性 xˉ=yˉ=0\bar{x} = \bar{y} = 0

详细步骤

  1. 球坐标:z=rcosϕz = r\cos\phidv=r2sinϕdrdϕdθdv = r^2\sin\phi \, dr \, d\phi \, d\theta,区域 0rR,0ϕπ2,0θ2π0 \leq r \leq R, \, 0 \leq \phi \leq \frac{\pi}{2}, \, 0 \leq \theta \leq 2\pi
  2. 质量: M=Ωkzdv=k02πdθ0π/2sinϕdϕ0Rrcosϕr2dr=k2π0π/2sinϕcosϕdϕ0Rr3drM = \iiint_\Omega kz \, dv = k \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\pi/2} \sin\phi \, d\phi \int_0^R r\cos\phi \cdot r^2 dr = k \cdot 2\pi \int_0^{\pi/2} \sin\phi\cos\phi \, d\phi \int_0^R r^3 dr =2πk12R44=πkR44= 2\pi k \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{R^4}{4} = \frac{\pi k R^4}{4}
  3. 由对称性 xˉ=yˉ=0\bar{x} = \bar{y} = 0
  4. zˉ=1MΩzkzdv=kMΩz2dv\bar{z} = \frac{1}{M}\iiint_\Omega z \cdot kz \, dv = \frac{k}{M}\iiint_\Omega z^2 \, dv =kM02πdθ0π/2sinϕdϕ0Rr2cos2ϕr2dr= \frac{k}{M} \int_0^{2\pi} d\theta \int_0^{\pi/2} \sin\phi \, d\phi \int_0^R r^2\cos^2\phi \cdot r^2 dr =kM2π0π/2cos2ϕsinϕdϕ0Rr4dr= \frac{k}{M} \cdot 2\pi \int_0^{\pi/2} \cos^2\phi\sin\phi \, d\phi \int_0^R r^4 dr =kM2π13R55=kM2πR515= \frac{k}{M} \cdot 2\pi \cdot \frac{1}{3} \cdot \frac{R^5}{5} = \frac{k}{M} \cdot \frac{2\pi R^5}{15}
  5. 代入 M=πkR44M = \frac{\pi k R^4}{4}zˉ=2πkR5/15πkR4/4=2R154=8R15\bar{z} = \frac{2\pi k R^5 / 15}{\pi k R^4 / 4} = \frac{2R}{15} \cdot 4 = \frac{8R}{15}

答案:质量 M=πkR44M = \frac{\pi k R^4}{4},质心为 (0,0,8R15)(0, 0, \frac{8R}{15})


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