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99 台灣大學微積分(C) 第 3 題

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99學年度 · 99台大微積分C · 第 3 題

題目

3. Let Ω={(x,y)∣x2+y2≤1}\Omega=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le 1\}. Given

A=∬Ωsin⁡(x2)cos⁡(y2) dx dyA=\iint_\Omega \sin(x^2)\cos(y^2)\,dx\,dy B=∬Ωcos⁡(x2)sin⁡(y2) dx dy.B=\iint_\Omega \cos(x^2)\sin(y^2)\,dx\,dy.

Let C=A+BC=A+B. Then CC is equal to an iterated integral which is expressed in terms of polar coordinates rr and θ\theta.

i) (10%)(10\%) First derive this iterated integral expression for CC in polar coordinates, then compute the value of CC.

ii) (10%)(10\%) Prove that A=BA=B.

解答

解法一

思路

展開
  • 先以和角公式把 A+BA+B 合成只依賴 x2+y2x^2+y^2 的函數,再改極座標;A=BA=B 則由單位圓盤交換 x,yx,y 的對稱性。

答題過程

展開 C=∬Ωsin⁡(x2+y2) dA=∫02π∫01sin⁡(r2)r dr dθ=π(1−cos⁡1).C=\iint_\Omega\sin(x^2+y^2)\,\mathrm{d}A =\int_0^{2\pi}\int_0^1\sin(r^2)r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta =\boxed{\pi(1-\cos1)}.

對 AA 作變數交換 (x,y)↦(y,x)(x,y)\mapsto(y,x);單位圓盤與面積元素不變,而被積函數變為 cos⁡(x2)sin⁡(y2)\cos(x^2)\sin(y^2),正是 BB 的被積函數。故 A=B\boxed{A=B}。