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111 台灣大學微積分(B) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

111學年度 · 111台大微積分B · 第 8 題

題目

Problem

8. (a) ∫1e∫ln⁡x11(ey−y)2 dydx=(12)‾ .\displaystyle\int_1^e \int_{\ln x}^1 \frac{1}{(e^y-y)^2}\,\mathrm{d}y\mathrm{d}x = \underline{\quad (12) \quad} \,.

(b) Let R={(x,y)∈R2:1≤x2+y2≤4,x≥0,0≤y≤1}R = \{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 : 1 \le x^2+y^2 \le 4, x \ge 0, 0 \le y \le 1 \}. Then ∬Rxyx2+y2 dA=(13)‾ .\displaystyle\iint_R \frac{xy}{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A = \underline{\quad (13) \quad} \,.

解答

(a)

解法一

思路

展開
  1. 由於 1(ey−y)2\frac{1}{(e^y-y)^2} 無法直接對 yy 進行初等積分,我們必須交換積分順序。
  2. 描繪積分區域: 1≤x≤e1 \le x \le e, ln⁡x≤y≤1\ln x \le y \le 1。
  3. 轉換為先對 xx 後對 yy 積分: 0≤y≤10 \le y \le 1, 1≤x≤ey1 \le x \le e^y。
  4. 交換後,先對 xx 積分極為簡單,隨後使用代換積分法求解 yy 積分。

答題過程

展開

原積分區域為:

D={(x,y):1≤x≤e,ln⁡x≤y≤1}D = \{ (x, y) : 1 \le x \le e, \ln x \le y \le 1 \}

其邊界為 y=ln⁡x  ⟹  x=eyy = \ln x \implies x = e^y,以及 y=1y = 1。 改寫為以 yy 為主導的區間:

D={(x,y):0≤y≤1,1≤x≤ey}D = \{ (x, y) : 0 \le y \le 1, 1 \le x \le e^y \}

交換積分順序:

I=∫01∫1ey1(ey−y)2 dxdy=∫011(ey−y)2(∫1ey1 dx)dy=∫01ey−1(ey−y)2 dyI = \int_0^1 \int_1^{e^y} \frac{1}{(e^y-y)^2}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \int_0^1 \frac{1}{(e^y-y)^2} \left( \int_1^{e^y} 1\,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}y = \int_0^1 \frac{e^y - 1}{(e^y - y)^2}\,\mathrm{d}y

令 u=ey−y  ⟹  du=(ey−1) dyu = e^y - y \implies \mathrm{d}u = (e^y - 1)\,\mathrm{d}y。

  • 當 y=0  ⟹  u=1y=0 \implies u=1。
  • 當 y=1  ⟹  u=e−1y=1 \implies u=e-1。

代回積分式:

I=∫1e−11u2 du=[−1u]1e−1=1−1e−1I = \int_1^{e-1} \frac{1}{u^2}\,\mathrm{d}u = \left[ -\frac{1}{u} \right]_1^{e-1} = \boxed{1 - \frac{1}{e-1}}

(b)

解法一

思路

展開
  1. 描繪區域 RR: 夾在圓 x2+y2=1x^2+y^2=1 與 x2+y2=4x^2+y^2=4 之間,位於第一象限(x≥0,y≥0x\ge 0, y\ge 0),但上方受到平面直線 y=1y=1 的限制。
  2. 直線 y=1y=1 與外圓 r=2r=2 交點滿足 2sin⁡θ=1  ⟹  θ=π/62\sin\theta = 1 \implies \theta = \pi/6。
  3. 採用極座標表示此區域,需分為兩區間:
    • θ∈[0,π/6]\theta \in [0, \pi/6] 時, rr 從 11 變動到 22。
    • θ∈[π/6,π/2]\theta \in [\pi/6, \pi/2] 時, rr 從 11 變動到直線 y=1  ⟹  r=csc⁡θy=1 \implies r = \csc\theta。
  4. 寫出積分式並計算。

答題過程

展開

將區域 RR 轉為極座標:

  • 下邊界圓 r=1r = 1。
  • 右半部分外邊界圓 r=2r = 2,對應角度 0≤θ≤π/60 \le \theta \le \pi/6。
  • 左半部分外邊界為直線 y=1  ⟹  rsin⁡θ=1  ⟹  r=csc⁡θy = 1 \implies r\sin\theta = 1 \implies r = \csc\theta,對應角度 π/6≤θ≤π/2\pi/6 \le \theta \le \pi/2。

原二重積分在極座標下為(積項微元 dA=r drdθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta):

∬Rxyx2+y2 dA=∬R(rcos⁡θ)(rsin⁡θ)r2r drdθ=∬Rrcos⁡θsin⁡θ drdθ\iint_R \frac{xy}{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A = \iint_R \frac{(r\cos\theta)(r\sin\theta)}{r^2} r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta = \iint_R r\cos\theta\sin\theta\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

分區域積分:

=∫0π/6cos⁡θsin⁡θ(∫12r dr)dθ+∫π/6π/2cos⁡θsin⁡θ(∫1csc⁡θr dr)dθ= \int_0^{\pi/6} \cos\theta\sin\theta \left( \int_1^2 r\,\mathrm{d}r \right) \mathrm{d}\theta + \int_{\pi/6}^{\pi/2} \cos\theta\sin\theta \left( \int_1^{\csc\theta} r\,\mathrm{d}r \right) \mathrm{d}\theta

計算第一項:

(∫0π/6cos⁡θsin⁡θ dθ)⋅(∫12r dr)=[12sin⁡2θ]0π/6⋅[12r2]12=12(14)⋅12(4−1)=316\left( \int_0^{\pi/6} \cos\theta\sin\theta\,\mathrm{d}\theta \right) \cdot \left( \int_1^2 r\,\mathrm{d}r \right) = \left[ \frac{1}{2}\sin^2\theta \right]_0^{\pi/6} \cdot \left[ \frac{1}{2}r^2 \right]_1^2 = \frac{1}{2}\left(\frac{1}{4}\right) \cdot \frac{1}{2}(4-1) = \frac{3}{16}

計算第二項:

 ∫π/6π/2cos⁡θsin⁡θ⋅[12r2]1csc⁡θdθ= 12∫π/6π/2cos⁡θsin⁡θ(csc⁡2θ−1) dθ= 12∫π/6π/2(cos⁡θsin⁡θ−cos⁡θsin⁡θ)dθ= 12[ln⁡(sin⁡θ)−12sin⁡2θ]π/6π/2= 12[(ln⁡(1)−12)−(ln⁡(1/2)−12⋅14)]= 12[−12+ln⁡2+18]=12ln⁡2−316\begin{align*} &\, \int_{\pi/6}^{\pi/2} \cos\theta\sin\theta \cdot \left[ \frac{1}{2}r^2 \right]_1^{\csc\theta} \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{\pi/6}^{\pi/2} \cos\theta\sin\theta (\csc^2\theta - 1)\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{\pi/6}^{\pi/2} \left( \frac{\cos\theta}{\sin\theta} - \cos\theta\sin\theta \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ \ln(\sin\theta) - \frac{1}{2}\sin^2\theta \right]_{\pi/6}^{\pi/2} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ \left( \ln(1) - \frac{1}{2} \right) - \left( \ln(1/2) - \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{4} \right) \right] \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ -\frac{1}{2} + \ln 2 + \frac{1}{8} \right] = \frac{1}{2}\ln 2 - \frac{3}{16} \end{align*}

相加:

∬Rxyx2+y2 dA=316+(12ln⁡2−316)=12ln⁡2\iint_R \frac{xy}{x^2+y^2}\,\mathrm{d}A = \frac{3}{16} + \left( \frac{1}{2}\ln 2 - \frac{3}{16} \right) = \boxed{\frac{1}{2}\ln 2}