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100 台灣大學微積分(C) 第 13 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

100學年度 · 100台大微積分C · 第 13 題

題目

13. (15分)(15\text{分})

I(r)=∬Ωrexp⁡[−(x2+2xy+3y2)] dAI(r)=\iint_{\Omega_r}\exp\left[-(x^2+2xy+3y^2)\right]\,dA

where Ωr={(x,y)∣x2+2xy+3y2≤r2}\Omega_r=\{(x,y)\mid x^2+2xy+3y^2\le r^2\}。

(a) Evaluate I(1)I(1). (10分)(10\text{分})

(b) Find lim⁡r→∞I(r)\lim_{r\to\infty}I(r). (5分)(5\text{分})

解答

解法一

思路

展開
  • 二次型可寫成 (x+y)2+2y2(x+y)^2+2y^2;線性代換後是圓盤上的高斯積分。

答題過程

展開

令 u=x+yu=x+y、v=2yv=\sqrt2y,則 x2+2xy+3y2=u2+v2x^2+2xy+3y^2=u^2+v^2,且

∣∂(x,y)∂(u,v)∣=12.\left|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\right|=\frac1{\sqrt2}.

再用極座標,

I(r)= 12∫02π∫0re−ρ2ρ dρ dθ= π2(1−e−r2).\begin{align*} I(r) =&\,\frac1{\sqrt2}\int_0^{2\pi}\int_0^r e^{-\rho^2}\rho\,\mathrm{d}\rho\,\mathrm{d}\theta\\[4mm] =&\,\frac\pi{\sqrt2}(1-e^{-r^2}). \end{align*}

所以

I(1)=π2(1−e−1),lim⁡r→∞I(r)=π2.\boxed{I(1)=\frac\pi{\sqrt2}(1-e^{-1})},\qquad \boxed{\lim_{r\to\infty}I(r)=\frac\pi{\sqrt2}}.