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113 台大微積分(B) 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台大 / 微積分(B)

113學年度 · 113微積分(B) · 第 8 題

題目

Problem

3. 續題:

∬Dyx dA=(8)‾ ,\iint_{D} \frac{y}{x} \,\mathrm{d}A = \underline{\quad(8)\quad} \,,

where DD is the region in the first quadrant bounded by x2+y2=14x^2 + y^2 = \frac{1}{4}, x2+y2=xx^2 + y^2 = x, y=xy = x, and y=0y = 0.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求在第一象限區域 DD 上計算二重積分 ∬Dyx dA\iint_D \frac{y}{x} \,\mathrm{d}A。
  2. 積分區域由以下四條曲線圍成:
    • x2+y2=14x^2+y^2 = \frac{1}{4}:以原點為圓心、半徑為 12\frac{1}{2} 的圓。
    • x2+y2=x  ⟹  (x−12)2+y2=14x^2+y^2 = x \implies \left(x - \frac{1}{2}\right)^2 + y^2 = \frac{1}{4}:以 (12,0)\left(\frac{1}{2}, 0\right) 為圓心、半徑為 12\frac{1}{2} 的圓。
    • y=xy = x:斜率為 11 的直線。
    • y=0y = 0:xx 軸。
  3. 第一步:將邊界方程式轉換為極座標:
    • x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r drdθx = r\cos\theta, y = r\sin\theta, \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta。
    • 直線 y=0  ⟹  θ=0y=0 \implies \theta = 0,直線 y=x  ⟹  θ=π4y=x \implies \theta = \frac{\pi}{4}。
    • 圓一 x2+y2=14  ⟹  r=12x^2+y^2 = \frac{1}{4} \implies r = \frac{1}{2}。
    • 圓二 x2+y2=x  ⟹  r2=rcos⁡θ  ⟹  r=cos⁡θx^2+y^2 = x \implies r^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta。
  4. 第二步:分析極角與極徑範圍:
    • 在 θ∈[0,π4]\theta \in \left[0, \frac{\pi}{4}\right] 範圍內,我們有 cos⁡θ≥cos⁡π4=12≈0.707>12\cos\theta \ge \cos\frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}} \approx 0.707 > \frac{1}{2}。
    • 因此,兩圓在第一象限對應射線的截段始終是由內側 r=12r = \frac{1}{2} 到外側 r=cos⁡θr = \cos\theta。
    • 積分區域範圍: 0≤θ≤π40 \le \theta \le \frac{\pi}{4} 且 12≤r≤cos⁡θ\frac{1}{2} \le r \le \cos\theta。
  5. 第三步:進行累次積分計算:
    • 被積函數 yx=rsin⁡θrcos⁡θ=tan⁡θ\frac{y}{x} = \frac{r\sin\theta}{r\cos\theta} = \tan\theta。
    • 積分式: I=∫0π/4∫1/2cos⁡θtan⁡θ⋅r drdθI = \int_{0}^{\pi/4} \int_{1/2}^{\cos\theta} \tan\theta \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta
    • 依序對 rr 與對 θ\theta 積分即可。

答題過程

展開

第一步:轉換邊界至極座標並分析區域

我們引入極座標變換:

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r drdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

將四條圍成邊界的方程式轉換為極座標形式:

  1. 直線 y=0  ⟹  θ=0y = 0 \implies \theta = 0。
  2. 直線 y=x  ⟹  θ=π4y = x \implies \theta = \frac{\pi}{4}。
  3. 圓一 x2+y2=14  ⟹  r=12x^2 + y^2 = \frac{1}{4} \implies r = \frac{1}{2}。
  4. 圓二 x2+y2=x  ⟹  r2=rcos⁡θ  ⟹  r=cos⁡θx^2 + y^2 = x \implies r^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta。

在第一象限的角度範圍 θ∈[0, π4]\theta \in \left[0,\, \frac{\pi}{4}\right] 內,由於:

cos⁡θ≥cos⁡(π4)=22≈0.707>0.5\cos\theta \ge \cos\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2} \approx 0.707 > 0.5

因此,邊界圓 r=cos⁡θr = \cos\theta 始終位於圓 r=12r = \frac{1}{2} 的外側。極座標的積分範圍為:

0≤θ≤π4,12≤r≤cos⁡θ0 \le \theta \le \frac{\pi}{4}, \quad \frac{1}{2} \le r \le \cos\theta

第二步:將二重積分代入並求解

將被積函數 yx=tan⁡θ\frac{y}{x} = \tan\theta 以及面積微元代入:

I= ∫0π4∫12cos⁡θtan⁡θ⋅r drdθ= ∫0π4tan⁡θ(∫12cos⁡θr dr)dθ= ∫0π4tan⁡θ[12r2]12cos⁡θdθ= 12∫0π4tan⁡θ(cos⁡2θ−14)dθ\begin{align*} I =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \int_{\frac{1}{2}}^{\cos\theta} \tan\theta \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan\theta \left( \int_{\frac{1}{2}}^{\cos\theta} r \,\mathrm{d}r \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan\theta \left[ \frac{1}{2} r^2 \right]_{\frac{1}{2}}^{\cos\theta} \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \tan\theta \left( \cos^2\theta - \frac{1}{4} \right) \mathrm{d}\theta \end{align*}

將被積式展開,利用 tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta}:

I= 12∫0π4(sin⁡θcos⁡θcos⁡2θ−14tan⁡θ)dθ= 12∫0π4(sin⁡θcos⁡θ−14tan⁡θ)dθ\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \left( \frac{\sin\theta}{\cos\theta} \cos^2\theta - \frac{1}{4} \tan\theta \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_{0}^{\frac{\pi}{4}} \left( \sin\theta\cos\theta - \frac{1}{4}\tan\theta \right) \mathrm{d}\theta \end{align*}

對兩項分別求定積分:

  • 第一項: ∫sin⁡θcos⁡θ dθ=12sin⁡2θ\displaystyle \int \sin\theta\cos\theta\,\mathrm{d}\theta = \frac{1}{2}\sin^2\theta。
  • 第二項: ∫tan⁡θ dθ=ln⁡∣sec⁡θ∣=−ln⁡∣cos⁡θ∣\displaystyle \int \tan\theta\,\mathrm{d}\theta = \ln|\sec\theta| = -\ln|\cos\theta|。

代入上下限 [0,π4][0, \frac{\pi}{4}]:

I= 12[12sin⁡2θ+14ln⁡∣cos⁡θ∣]0π4= 12((12sin⁡2(π4)+14ln⁡∣cos⁡(π4)∣)−(12sin⁡2(0)+14ln⁡∣cos⁡(0)∣))= 12((12(12)2+14ln⁡(12))−(0+0))= 12(14+14ln⁡(2−1/2))= 12(14−18ln⁡2)=2−ln⁡216\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2}\sin^2\theta + \frac{1}{4}\ln|\cos\theta| \right]_{0}^{\frac{\pi}{4}} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \frac{1}{2}\sin^2\left(\frac{\pi}{4}\right) + \frac{1}{4}\ln\left|\cos\left(\frac{\pi}{4}\right)\right| \right) - \left( \frac{1}{2}\sin^2(0) + \frac{1}{4}\ln|\cos(0)| \right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \frac{1}{2}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^2 + \frac{1}{4}\ln\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right) \right) - (0 + 0) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{4} + \frac{1}{4} \ln(2^{-1/2}) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{4} - \frac{1}{8}\ln 2 \right) = \frac{2 - \ln 2}{16} \end{align*}

結論: (8) 填入 2−ln⁡216\displaystyle \frac{2 - \ln 2}{16}。