Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

113 台綜大微積分(A) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分A

113學年度 · 113微積分A · 第 9 題

題目

Problem

9. Evaluate the integral

∫01∫0x−x2x2+y2 dydx .(10%)\int_0^1 \int_0^{\sqrt{x - x^2}} \sqrt{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x \,. \quad (10\%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算二重積分 ∫01∫0x−x2x2+y2 dydx\int_0^1 \int_0^{\sqrt{x-x^2}} \sqrt{x^2+y^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x。
  2. 被積函數包含 x2+y2\sqrt{x^2+y^2},且積分區域邊界含有圓弧。這強烈提示我們應使用極座標變換 (Polar Coordinates)。
  3. 第一步:分析積分區域 DD 的邊界:
    • 區域為: 0≤x≤10 \le x \le 1,且對於固定的 xx, 0≤y≤x−x20 \le y \le \sqrt{x-x^2}。
    • 邊界曲線為 y=x−x2  ⟹  y2=x−x2  ⟹  x2+y2=xy = \sqrt{x-x^2} \implies y^2 = x - x^2 \implies x^2 + y^2 = x(由於 y≥0y \ge 0,這是一個位於 xx 軸上方、圓心在 (1/2,0)(1/2, 0)、半徑為 1/21/2 的半圓)。
  4. 第二步:轉換為極座標方程式:
    • x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dydx=r drdθx = r\cos\theta, y = r\sin\theta, \mathrm{d}y\mathrm{d}x = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta。
    • 邊界圓為 r2=rcos⁡θ  ⟹  r=cos⁡θr^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta。
    • 極角範圍:此半圓位於第一象限,所以 θ\theta 從 00 到 π2\frac{\pi}{2}。
    • 對於每個固定的 θ\theta,極半徑 rr 從 00 變化到圓邊界 r=cos⁡θr = \cos\theta。
    • 故極座標區域為: 0≤θ≤π2, 0≤r≤cos⁡θ0 \le \theta \le \frac{\pi}{2}, \ 0 \le r \le \cos\theta。
  5. 第三步:寫出新累次積分並求解: I=∫0π/2∫0cos⁡θr⋅r drdθ=∫0π/2[13r3]0cos⁡θdθ=13∫0π/2cos⁡3θ dθI = \int_0^{\pi/2} \int_0^{\cos\theta} r \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta = \int_0^{\pi/2} \left[ \frac{1}{3}r^3 \right]_0^{\cos\theta} \mathrm{d}\theta = \frac{1}{3} \int_0^{\pi/2} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta 利用常用公式或 Wallis 公式計算餘弦奇數次方積分。

答題過程

展開

我們首先分析積分區域 DD:

D={(x,y)∣0≤x≤1, 0≤y≤x−x2}D = \{ (x, y) \mid 0 \le x \le 1, \ 0 \le y \le \sqrt{x - x^2} \}

區域的上方邊界為:

y=x−x2  ⟹  y2=x−x2  ⟹  x2+y2=xy = \sqrt{x - x^2} \implies y^2 = x - x^2 \implies x^2 + y^2 = x

這是一個以 (12,0)\left(\frac{1}{2}, 0\right) 為圓心、半徑為 12\frac{1}{2} 的圓。因為 y≥0y \ge 0,故此區域代表該圓位於第一象限的半圓區域。

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

此時被積函數為:

x2+y2=r\sqrt{x^2 + y^2} = r

邊界圓的極座標方程式為:

r2=rcos⁡θ  ⟹  r=cos⁡θr^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta

由於區域落在第一象限,極角 θ\theta 的範圍為:

0≤θ≤π20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

對於每一個固定的角度 θ\theta,極半徑 rr 的變化範圍為:

0≤r≤cos⁡θ0 \le r \le \cos\theta

代入極座標二重積分公式,寫為累次積分:

I= ∫0π2∫0cos⁡θ(r)⋅r drdθ= ∫0π2[13r3]0cos⁡θdθ= 13∫0π2cos⁡3θ dtheta\begin{align*} I =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{\cos\theta} (r) \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left[ \frac{1}{3} r^3 \right]_0^{\cos\theta} \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta \,\mathrm{d}theta \end{align*}

為求解此單變數積分,我們使用三角恆等式 cos⁡3θ=cos⁡θ(1−sin⁡2θ)\cos^3\theta = \cos\theta(1 - \sin^2\theta) 進行換元(令 u=sin⁡θ  ⟹  du=cos⁡θ dθu = \sin\theta \implies \mathrm{d}u = \cos\theta\,\mathrm{d}\theta):

∫0π2cos⁡3θ dθ= ∫0π2(1−sin⁡2θ)cos⁡θ dθ= [sin⁡θ−13sin⁡3θ]0π2= (sin⁡π2−13sin⁡3π2)−0= 1−13=23\begin{align*} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} (1 - \sin^2\theta) \cos\theta \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \left[ \sin\theta - \frac{1}{3}\sin^3\theta \right]_0^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, \left( \sin\frac{\pi}{2} - \frac{1}{3}\sin^3\frac{\pi}{2} \right) - 0 \\[4mm] =&\, 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3} \end{align*}

因此,二重積分的值為:

I=13⋅23=49I = \frac{1}{3} \cdot \frac{2}{3} = \frac{4}{9}

結論: 積分值為 49\displaystyle \frac{4}{9}。