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113 政大微積分 Part B 第 2 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分

113學年度 · 113微積分 · 第 7 題

題目

Problem

Problem 2: (8%) Evaluate

∬R(x+y)ex2−y2 dA\iint_{R} (x + y) e^{x^2 - y^2} \,\mathrm{d}A

where RR is the rectangle enclosed by the lines x−y=0x - y = 0, x−y=2x - y = 2, x+y=0x + y = 0 and x+y=3x + y = 3.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算二重積分,被積函數含有 ex2−y2=e(x−y)(x+y)e^{x^2-y^2} = e^{(x-y)(x+y)},且積分區域由四條直線 x−y=0,x−y=2,x+y=0,x+y=3x-y=0, x-y=2, x+y=0, x+y=3 圍成。
  2. 這強烈提示我們使用變數變換(座標變換),令: u=x+y,v=x−yu = x + y, \quad v = x - y
  3. 第一步:確定新變數的積分區域:
    • x+y=0  ⟹  u=0x+y = 0 \implies u = 0。
    • x+y=3  ⟹  u=3x+y = 3 \implies u = 3。
    • x−y=0  ⟹  v=0x-y = 0 \implies v = 0。
    • x−y=2  ⟹  v=2x-y = 2 \implies v = 2。
    • 在 (u,v)(u, v) 平面上,新積分區域 R∗R^* 是一個簡單的矩形 [0,3]×[0,2][0, 3] \times [0, 2]。
  4. 第二步:計算雅可比行列式 (Jacobian Determinant):
    • 將 x,yx, y 用 u,vu, v 表示: x=u+v2,y=u−v2x = \frac{u+v}{2}, \quad y = \frac{u-v}{2}
    • 雅可比矩陣為: J=∂(x,y)∂(u,v)=det⁡(∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v)=det⁡(1/21/21/2−1/2)=−12J = \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \det \begin{pmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\ \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v} \end{pmatrix} = \det \begin{pmatrix} 1/2 & 1/2 \\ 1/2 & -1/2 \end{pmatrix} = -\frac{1}{2}
    • 面積微元換算關係為: dxdy=∣J∣ dudv=12 dudv\mathrm{d}x\mathrm{d}y = |J| \,\mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{2} \,\mathrm{d}u\mathrm{d}v。
  5. 第三步:進行累次積分:
    • 被積函數化為: (x+y)e(x−y)(x+y)=ueuv(x+y)e^{(x-y)(x+y)} = u e^{uv}。
    • 代入積分式: ∬R∗ueuv(12 dvdu)=12∫03∫02ueuv dvdu\iint_{R^*} u e^{uv} \left( \frac{1}{2} \,\mathrm{d}v\mathrm{d}u \right) = \frac{1}{2} \int_{0}^{3} \int_{0}^{2} u e^{uv} \,\mathrm{d}v\mathrm{d}u
    • 先對 vv 積分(此時 uu 視為常數,正好可以與前面的 uu 抵消),再對 uu 積分。

答題過程

展開

第一步:引入新變數並確定其範圍

根據積分邊界條件與被積函數的指數部分 x2−y2=(x−y)(x+y)x^2-y^2 = (x-y)(x+y),我們引入以下變數變換:

{u=x+yv=x−y\begin{cases} u = x + y \\ v = x - y \end{cases}

原積分區域 RR 在 xyxy 平面上是由四條直線圍成的斜放矩形:

  • x+y=0  ⟹  u=0x + y = 0 \implies u = 0
  • x+y=3  ⟹  u=3x + y = 3 \implies u = 3
  • x−y=0  ⟹  v=0x - y = 0 \implies v = 0
  • x−y=2  ⟹  v=2x - y = 2 \implies v = 2

因此,在新座標系 (u,v)(u, v) 中,積分區域 R∗R^* 是一個平放的矩形,其邊界範圍為:

0≤u≤3,0≤v≤20 \le u \le 3, \quad 0 \le v \le 2

第二步:計算雅可比行列式(Jacobian)

我們需要將 x,yx, y 表示為 u,vu, v 的函數:

x=u+v2,y=u−v2x = \frac{u + v}{2}, \quad y = \frac{u - v}{2}

計算雅可比行列式 JJ:

J=∂(x,y)∂(u,v)=∣∂x∂u∂x∂v∂y∂u∂y∂v∣=∣121212−12∣=(12)(−12)−(12)(12)=−12J = \frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\[2mm] \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\[2mm] \frac{1}{2} & -\frac{1}{2} \end{vmatrix} = \left(\frac{1}{2}\right)\left(-\frac{1}{2}\right) - \left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) = -\frac{1}{2}

在進行二重積分換元時,面積微元的換算關係為:

dA=dxdy=∣J∣ dvdu=12 dvdu\mathrm{d}A = \mathrm{d}x\mathrm{d}y = |J| \,\mathrm{d}v\mathrm{d}u = \frac{1}{2} \,\mathrm{d}v\mathrm{d}u

第三步:將二重積分轉換為累次積分並求解

被積函數可改寫為:

(x+y)ex2−y2=(x+y)e(x+y)(x−y)=ueuv(x+y) e^{x^2 - y^2} = (x+y) e^{(x+y)(x-y)} = u e^{uv}

代入變換後的二重積分式:

I= ∬R∗ueuv(12 dvdu)= 12∫03(∫02ueuv dv)du\begin{align*} I =&\, \iint_{R^*} u e^{uv} \left( \frac{1}{2} \,\mathrm{d}v\mathrm{d}u \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{3} \left( \int_{0}^{2} u e^{uv} \,\mathrm{d}v \right) \mathrm{d}u \end{align*}

首先計算內層關於 vv 的定積分(此時 uu 視為常數,且由於當 u≠0u \neq 0 時, ddv(euv)=ueuv\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}v}(e^{uv}) = u e^{uv}):

∫02ueuv dv=[euv]v=0v=2=e2u−e0=e2u−1\int_{0}^{2} u e^{uv} \,\mathrm{d}v = \Big[ e^{uv} \Big]_{v=0}^{v=2} = e^{2u} - e^0 = e^{2u} - 1

(註:若 u=0u=0,則被積函數為 00,其積分亦為 00,故不影響連續函數的積分結果。)

代回外層積分:

I= 12∫03(e2u−1)du= 12[12e2u−u]03= 12((12e6−3)−(12e0−0))= 12(12e6−3−12)= 12(12e6−72)= 14(e6−7)\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{3} \left( e^{2u} - 1 \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2} e^{2u} - u \right]_{0}^{3} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \frac{1}{2}e^6 - 3 \right) - \left( \frac{1}{2}e^0 - 0 \right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2}e^6 - 3 - \frac{1}{2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2}e^6 - \frac{7}{2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{4} \left( e^6 - 7 \right) \end{align*}

結論: 二重積分的值為 14(e6−7)\displaystyle \frac{1}{4}(e^6 - 7)。