題目
Problem
2. Evaluate the following integral (8%)
∫01(∫y1ex3dx)dy.
解答
解法一
思路
展開
- 被積函數 ex3 對自變數 x 的原函數是非初等函數,無法直接計算內層積分。
- 這提示我們必須交換二重積分的順序,改為先對 y 積分、再對 x 積分。
- 第一步:寫出當前積分區域的邊界不等式:
- 0≤y≤1。
- y≤x≤1。
- 第二步:繪製或分析區域特徵,改寫為先積 y 形式:
- 邊界曲線為 x=y⟹y=x2。
- 自變數 x 範圍為 [0,1]。
- 對於每個固定的 x, y 的變化範圍從下邊界 y=0 至上邊界曲線 y=x2。
- 新的積分範圍表示為: 0≤x≤1 且 0≤y≤x2。
- 第三步:寫出新累次積分並求值:
∫01∫0x2ex3dydx=∫01x2ex3dx
使用換元積分法 u=x3 即可輕鬆解出。
答題過程
展開
原積分為先對 x 後對 y 的累次積分,我們寫出其積分區域 D:
D={(x,y)∣0≤y≤1, y≤x≤1}
邊界曲線 x=y 在 y≥0 時可寫為 y=x2。
我們交換積分順序,將區域改寫為先對 y 後對 x 積分的表示方式:
- 自變數 x 的範圍由 0 變化到 1。
- 對於任意固定的 x, y 軸向上的積分範圍從下底線 y=0 開始,到曲線 y=x2 為止。
因此交換順序後的積分區域表示為:
D={(x,y)0≤x≤1, 0≤y≤x2}
將其寫為累次積分並計算:
I===∫01∫0x2ex3dydx∫01ex3(∫0x2dy)dx∫01x2ex3dx
我們進行變數代換,令 u=x3⟹du=3x2dx⟹x2dx=31du。
- 當 x=0⟹u=0。
- 當 x=1⟹u=1。
代入得:
I=∫01eu(31du)=31[eu]01=31(e−1)
結論:
積分值為 3e−1。