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111 政治大學微積分 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

111學年度 · 111微積分 · 第 6 題

題目

Problem

6. Let D1={(x,y):x+y1}D_1 = \{(x,y) : |x+y| \le 1\} and D2={(x,y):yx1}D_2 = \{(x,y) : |y-x| \le 1\}. Which of the following statements is false?

(A) D1D2(x+y)d(x,y)=0\displaystyle\iint_{D_1\cap D_2}(x+y)\,\mathrm{d}(x,y) = 0

(B) D1D2(xy)d(x,y)=0\displaystyle\iint_{D_1\cap D_2}(x-y)\,\mathrm{d}(x,y) = 0

(C) D1D2(x2y2)d(x,y)=0\displaystyle\iint_{D_1\cap D_2}(x^2-y^2)\,\mathrm{d}(x,y) = 0

(D) D1D2x2d(x,y)=1/3\displaystyle\iint_{D_1\cap D_2} x^2\,\mathrm{d}(x,y) = 1/3

(E) D1D2y2d(x,y)=2/3\displaystyle\iint_{D_1\cap D_2} y^2\,\mathrm{d}(x,y) = 2/3

解答

解法一

思路

展開
  1. 積分域 D1D2D_1 \cap D_2 的條件是 x+y1|x+y| \le 1yx1|y-x| \le 1,幾何上這是兩條帶狀區域的交集——一個以直線 x+y=±1x+y = \pm 1 為邊界、一個以 yx=±1y-x = \pm 1 為邊界,交集是個旋轉了 45° 的正方形(菱形)。
  2. 這種積分域的形狀強烈提示做斜向換元:令 u=x+yu = x+yv=yxv = y-x,則 D1D2D_1 \cap D_2(u,v)(u,v) 坐標下變成標準的正方形 [1,1]×[1,1][-1,1]\times[-1,1],積分計算會大幅簡化。
  3. 換元後被積函數用 u,vu, v 表達,其中 x=uv2x = \dfrac{u-v}{2}y=u+v2y = \dfrac{u+v}{2},Jacobian 行列式為  ⁣detJ=12\big|\!\det J\big| = \dfrac{1}{2}
  4. 注意選項 (D) 和 (E):x2x^2y2y^2 在這個換元下具有完全對稱的形式,因此 x2dA=y2dA\iint x^2\,\mathrm{d}A = \iint y^2\,\mathrm{d}A,兩個積分值應該相等,所以 (D) 和 (E) 不可能同時為真。

答題過程

展開

換元。u=x+yu = x+yv=yxv = y-x,則

x=uv2,y=u+v2x = \frac{u-v}{2}, \qquad y = \frac{u+v}{2}

Jacobian 行列式:

(x,y)(u,v)=12121212=12\left|\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)}\right| = \begin{vmatrix}\tfrac{1}{2} & -\tfrac{1}{2} \\ \tfrac{1}{2} & \tfrac{1}{2}\end{vmatrix} = \frac{1}{2}

換元後,D1D2D_1 \cap D_2 對應 (u,v)[1,1]×[1,1](u,v) \in [-1,1]\times[-1,1]


逐一計算各選項:

(A) 被積函數為 x+y=ux+y = u,這是關於 uu 的奇函數,對稱積分域上積分為零:

[1,1]2u12dudv=1211udu11dv=0\iint_{[-1,1]^2} u\cdot\frac{1}{2}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v = \frac{1}{2}\int_{-1}^1 u\,\mathrm{d}u\cdot\int_{-1}^1\mathrm{d}v = 0 \quad ✓

(B) 被積函數為 xy=vx-y = -v,這是關於 vv 的奇函數,同理積分為零。✓

(C) x2y2=(uv)24(u+v)24=uvx^2 - y^2 = \dfrac{(u-v)^2}{4} - \dfrac{(u+v)^2}{4} = -uv,這是 uu 的奇函數(也是 vv 的奇函數),積分為零。✓

(D) x2=(uv2)2=u22uv+v24x^2 = \left(\dfrac{u-v}{2}\right)^2 = \dfrac{u^2 - 2uv + v^2}{4}

D1D2x2dA=1111u22uv+v2412dudv=181111(u2+v2)dudv(奇函數項 2uv 積分為零)=18[11 ⁣11u2dudv+11 ⁣11v2dudv]=18[223+223]=1883=13\begin{align*} \iint_{D_1\cap D_2}x^2\,\mathrm{d}A =&\, \int_{-1}^1\int_{-1}^1\frac{u^2-2uv+v^2}{4}\cdot\frac{1}{2}\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v \\[4mm] =&\, \frac{1}{8}\int_{-1}^1\int_{-1}^1(u^2+v^2)\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v \quad(\text{奇函數項 }2uv\text{ 積分為零}) \\[4mm] =&\, \frac{1}{8}\left[\int_{-1}^1\!\int_{-1}^1 u^2\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v + \int_{-1}^1\!\int_{-1}^1 v^2\,\mathrm{d}u\,\mathrm{d}v\right] \\[4mm] =&\, \frac{1}{8}\left[2\cdot\frac{2}{3} + 2\cdot\frac{2}{3}\right] \\[4mm] =&\, \frac{1}{8}\cdot\frac{8}{3} = \frac{1}{3} \end{align*}

與選項一致。✓

(E) y2=(u+v2)2=u2+2uv+v24y^2 = \left(\dfrac{u+v}{2}\right)^2 = \dfrac{u^2+2uv+v^2}{4},展開後奇函數項 2uv2uv 積分為零,剩餘結構與 x2x^2 完全相同,故:

D1D2y2dA=13\iint_{D_1\cap D_2}y^2\,\mathrm{d}A = \frac{1}{3}

選項宣稱是 23\dfrac{2}{3}不相符。✗


結論: 選項 (E) 為錯誤敘述。x2x^2y2y^2 在此對稱積分域上的積分值相等,均為 13\dfrac{1}{3},而非 23\dfrac{2}{3}