求积分∫∫√(x^4+y^2)-1dxdy,其中x^2+y^2≤1/n*n

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Leekite
2023-02-23 · ( ・`ω・´)看...
Leekite
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这个积分可以用极坐标来计算,即将x和y用极坐标表示:x = rcosθ, y = rsinθ。同时,由于积分区域为圆形,可以将积分限改写为:0 ≤ r ≤ 1/n,0 ≤ θ ≤ 2π。

将x和y用极坐标表示,积分式也要做出相应的改写:

∫∫√(x^4+y^2)-1dxdy = ∫∫√(r^4cos^4θ+r^2sin^2θ)-1 rdrdθ

接下来需要对r进行积分。将根号中的cos^4θ提取出来,并将r^2sin^2θ用1-cos^2θ来代替,得到:

∫∫√(r^4cos^4θ+r^2sin^2θ)-1 rdrdθ = ∫0^(2π)∫0^(1/n)√(cos^4θ+r^2(1-cos^2θ))-1 r drdθ

对于这个积分式,由于积分区域和被积函数都具有对称性,可以将积分式改写为:

4∫0^(π/2)∫0^(1/n)√(cos^4θ+r^2(1-cos^2θ))-1 r drdθ

接下来考虑如何对r进行积分。将被积函数中的cos^4θ拆开,并将r^2与1-cos^2θ相加减,得到:

√(cos^4θ+r^2(1-cos^2θ))-1 = √(r^2sin^2θ+cos^4θ) / √(r^2cos^2θ+cos^4θ) = sinθ / √(cos^2θ+r^2)

将这个式子带回到积分式中,得到:

4∫0^(π/2)∫0^(1/n)sinθ/√(cos^2θ+r^2) r drdθ

接下来考虑如何对r进行积分。这里可以使用代换法,令u = cosθ+r,则du/dθ = -sinθ,r^2 = u^2-2ucosθ+cos^2θ。将这个式子代入原积分式中,得到:

4∫0^(π/2)∫cosθ^(1/n)-sinθ^(1/n) sinθ/√(u^2) (u^2-2ucosθ+cos^2θ-du/dθ) dudθ

对u进行积分,得到:

4∫0^(π/2)[-cosθ^(1/n)+sinθ^(1/n)]ln|u| |cosθ^(1/n)-sinθ^(1/n)| dθ

代入积分限计算,得到:

4∫0^(π/2)[(sinθ^(1/n)-cosθ^(1/n))ln(sinθ^(1/n)-cosθ^(1/n))+(sinθ^(1/n)+cosθ^(1/n))ln(sinθ^(1/n)+2(cosθ^(1/n)-sinθ^(1/n))]dθ

由于这个积分式没有解析解,需要用数值积分的方法进行计算。可以用高斯-勒让德数值积分公式进行数值积分,得到最终的数值结果。

总结起来,求解这个积分的步骤如下:

  • 将x和y用极坐标表示,并改写积分限。

  • 将积分式中的根号中的cos^4θ提取出来,并将r^2sin^2θ用1-cos^2θ来代替。

  • 对于这个积分式,由于积分区域和被积函数都具有对称性,将积分式改写为对θ的积分式,并将θ的积分限改为0到π/2。

  • 将被积函数中的cos^4θ拆开,并将r^2与1-cos^2θ相加减。

  • 使用代换法,令u = cosθ+r,并对u进行积分。

  • 代入积分限计算,得到最终的积分式。

  • 使用数值积分的方法进行计算,例如高斯-勒让德数值积分公式。

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