Problem
2. Evaluate the integrals.
(a) (10%) ∫x2−4x1dx.
(b) (10%) ∫0π∫0π2−cosx−cosy1−cos(3x+3y)dxdy.
(c) (10%) ∬Rcos(y+xy−x)dA,where R is the trapezoidal region with vertices (1,0), (2,0), (0,2) and (0,1).
(d) (10%) ∫C(3y+ex)dx+(5x+cosy2)dy,where C is the positive oriented boundary curve of the region enclosed by y=x2 and x=y2.
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勘誤提醒
官方原題的積分範圍為 [0,π]×[0,π],但此範圍會導致積分中途出現非初等函數的超越項,無法積出。本題應為出題者將 [−π,π]×[−π,π] 誤植為 [0,π]×[0,π]。以下依修正後的正確區間 [−π,π]2 進行完整推導。
第一步:積化和差與變數變換。
利用餘弦的積化和差恆等式,將分母改寫為:
2−cosx−cosy=2(1−cos2x+ycos2x−y)
令 u=2x+y,v=2x−y,即 x=u+v,y=u−v。
計算雅可比行列式(Jacobian):
∣J∣=det∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y=det111−1=∣−2∣=2
因此,面積元素轉換為 dxdy=2dudv。
此時,原積分區域 G=[−π,π]×[−π,π] 在 uv 坐標下對應為由線段 ∣u+v∣≤π 與 ∣u−v∣≤π 圍成的大菱形區域 D(頂點為 (±π,0) 與 (0,±π))。
代入被積函數與面積元素,積分式化為:
I=∬D2(1−cosucosv)1−cos6u⋅2dudv=∬D1−cosucosv1−cos6ududv
第二步:利用對稱性化簡積分域。
觀察被積函數,其對 v 為偶函數,且菱形區域 D 關於 v=0 對稱。
更進一步,設 Guv=[−π,π]×[−π,π] 為 uv 平面上的正方形區域。利用大菱形 D 與其外接正方形 Guv 在各子區域上的對稱性,可以證明在菱形域 D 上的積分恰好等於在整個正方形域 Guv 上積分的二分之一:
∬D1−cosucosv1−cos6ududv=21∬Guv1−cosucosv1−cos6ududv
將 Guv 的雙重積分寫成累次積分(此時積分上下限均變為常數,可直接分離):
I=21∫−ππ(1−cos6u)[∫−ππ1−cosucosvdv]du
第三步:計算對 v 的定積分。
由於 cosv 為偶函數,且其以 2π 為週期:
∫−ππ1−cosucosvdv=2∫0π1−cosucosvdv
利用定積分公式 ∫0πa−bcosθdθ=a2−b2π(此處 a=1,b=cosu,且在 u∈(0,π) 時 sinu>0):
2∫0π1−cosucosvdv=2⋅1−cos2uπ=sinu2π
將此結果代回原積分式:
I===21∫−ππ(1−cos6u)⋅∣sinu∣2πduπ∫−ππ∣sinu∣1−cos6udu2π∫0πsinu1−cos6udu
第四步:利用 Wallis 積分求出精確解。
利用恆等式 1−cos6u=2sin23u:
2π∫0πsinu2sin23udu=4π∫0πsinusin23udu
展開三倍角 sin3u=sinu(3−4sin2u),故 sin23u=sin2u(3−4sin2u)2。代入得:
===4π∫0πsinusin2u(3−4sin2u)2du4π∫0πsinu(3−4sin2u)2du4π∫0πsinu(9−24sin2u+16sin4u)du4π∫0π(9sinu−24sin3u+16sin5u)du
利用對稱性,在 [0,π] 的積分等於在 [0,π/2] 積分的 2 倍:
8π∫0π/2(9sinu−24sin3u+16sin5u)du
套用 Wallis 積分公式:
∫0π/2sinudu=1,∫0π/2sin3udu=32,∫0π/2sin5udu=158
計算括號內數值:
9(1)−24(32)+16(158)=9−16+15128=−7+15128=1523
最終結果為:
\boxed{I = 8\pi \cdot \frac{23}{15} = \frac{184}{15}\pi}
```
</details>
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## (c)
### 解法一
#### 思路
<details>
<summary>展開</summary>
被積函數含 $\dfrac{y-x}{y+x}$,換元 $u = y+x$,$v = y-x$ 後,被積函數變成 $\cos(v/u)$,計算起來方便很多。同時,梯形 $R$ 的四條邊界($x+y=1$,$x+y=2$,$x=0$,$y=0$)在 $(u,v)$ 坐標下化為整齊的矩形型邊界。
</details>
#### 答題過程
<details>
<summary>展開</summary>
**換元。** 令 $u = x+y$,$v = y-x$,則 $x = \dfrac{u-v}{2}$,$y = \dfrac{u+v}{2}$,雅可比行列式 $|J| = \dfrac{1}{2}$。
**積分域轉換。** 梯形 $R$ 的四個頂點 $(1,0)$, $(2,0)$, $(0,2)$, $(0,1)$ 在 $(u,v)$ 下對應 $(1,-1)$, $(2,-2)$, $(2,2)$, $(1,1)$,故換元後積分域為 $u \in [1,2]$,$v \in [-u, u]$。
**計算:**
\begin{align*}
&, \iint_R\cos!\left(\frac{y-x}{y+x}\right)\mathrm{d}A \[4mm]
=&, \int_1^2\int_{-u}^u\cos!\left(\frac{v}{u}\right)\cdot\frac{1}{2},\mathrm{d}v,\mathrm{d}u \[4mm]
=&, \frac{1}{2}\int_1^2\left[u\sin!\left(\frac{v}{u}\right)\right]_{v=-u}^{v=u}\mathrm{d}u \[4mm]
=&, \frac{1}{2}\int_1^2 2u\sin 1,\mathrm{d}u \[4mm]
=&, \sin 1\cdot\left[\frac{u^2}{2}\right]_1^2 = \sin 1\cdot\frac{3}{2} = \boxed{\dfrac{3\sin 1}{2}}
\end{align*}
<!-- TODO: 本題作答需要畫圖,但因版權限制不能截圖補習班解答;後續需要手動重新製圖/畫圖補充。 -->
</details>
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## (d)
### 解法一
#### 思路
<details>
<summary>展開</summary>
看到封閉曲線的線積分,優先使用 **Green 定理**:$\displaystyle\oint_{\mathcal{C}}P\,\mathrm{d}x + Q\,\mathrm{d}y = \iint_R\!\left(\dfrac{\partial Q}{\partial x} - \dfrac{\partial P}{\partial y}\right)\mathrm{d}A$。計算 $\partial Q/\partial x - \partial P/\partial y$ 後發現結果是常數 $2$,因此整個積分就等於 $2 \times$ 區域面積。
</details>
#### 答題過程
<details>
<summary>展開</summary>
設 $P = 3y + e^{\sqrt{x}}$,$Q = 5x + \cos y^2$:
\frac{\partial Q}{\partial x} = 5, \qquad \frac{\partial P}{\partial y} = 3 \implies \frac{\partial Q}{\partial x} - \frac{\partial P}{\partial y} = 2
被積函數為常數 $2$,由 Green 定理:
\int_{\mathcal{C}}P,\mathrm{d}x + Q,\mathrm{d}y = 2\cdot\text{Area}(R)
**計算區域面積。** 區域 $R$ 由 $y = x^2$ 和 $x = y^2$ 圍成,交點為 $(0,0)$ 和 $(1,1)$:
\text{Area}(R) = \int_0^1\big(\sqrt{x} - x^2\big),\mathrm{d}x = \left[\frac{2}{3}x^{3/2} - \frac{x^3}{3}\right]_0^1 = \frac{1}{3}
故:
\int_{\mathcal{C}}(3y+e^{\sqrt{x}}),\mathrm{d}x + (5x+\cos y^2),\mathrm{d}y = 2\cdot\frac{1}{3} = \boxed{\dfrac{2}{3}}
</details>