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第一卦限内抛物面下方体积的二重积分限确定问题

关于第一卦限内抛物面下方体积的积分限问题

你变量替换的思路是对的,我帮你理清楚积分限的确定逻辑,顺便补上容易忽略的关键细节:

  • θ的积分限:你判断的完全正确!因为是第一卦限,要求$x≥0$、$y≥0$,代入替换式$x=2r\cos\theta$和$y=9r\sin\theta$,就需要$\cos\theta≥0$且$\sin\theta≥0$,对应的θ范围就是$0 \rightarrow \frac{\pi}{2}$,不用考虑$0 \rightarrow 2\pi$(那是整个xOy平面的范围)。

  • r的积分限:这里你之前的猜想有偏差,正确范围应该是$0 \rightarrow 1$,理由是:
    我们要计算的是抛物面下方且z≥0的区域体积(第一卦限内z自然非负),代入变量替换后,$z=1 - r2(\cos2\theta + \sin2\theta)=1-r2$,当z=0时,$1-r^2=0$,解得$r=1$(r是非负的,舍去负解),因此r的上限是1,下限是0。

另外补充一个容易遗漏的点:你写的积分式$\iint (1-r^2)r drd\theta$少了雅可比行列式的系数。变量替换时,$dxdy$需要替换为雅可比行列式的绝对值乘以$drd\theta$,计算这个替换的雅可比行列式:
$$
J = \begin{vmatrix}
\frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} \
\frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta}
\end{vmatrix} = \begin{vmatrix}
2\cos\theta & -2r\sin\theta \
9\sin\theta & 9r\cos\theta
\end{vmatrix} = 18r\cos^2\theta + 18r\sin^2\theta = 18r
$$
所以正确的积分式应该是:
$$
\int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{1} (1-r^2) \cdot 18r \ drd\theta
$$
后续计算也很直观:先对r积分,$\int_{0}{1}18r(1-r2)dr=18\left[\frac{r2}{2}-\frac{r4}{4}\right]_01=\frac{9}{2}$;再对θ积分,$\int_{0}{\frac{\pi}{2}}d\theta=\frac{\pi}{2}$,最终体积就是$\frac{9}{2}\times\frac{\pi}{2}=\frac{9\pi}{4}$。

内容的提问来源于stack exchange,提问作者novo

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最近更新时间:2026.05.19 09:06:13