題目
Problem
10. Evaluate the double integral
∫04∫x2xy2sin(y2)dydx.(10%)
解答
解法一
思路
展開
- 本題要求計算二重積分 ∫04∫x2xy2sin(y2)dydx。
- 由於內層積分對 y 含有 y2sin(y2),這無法用初等函數積出來。這提示我們必須交換積分順序,先對 x 進行積分。
- 第一步:分析積分區域 D:
- 給定區域: 0≤x≤4 且 x≤y≤2。
- 其邊界為: y=x⟹x=y2,以及 y=2 與 x=0。
- 將區域改寫為先積 x 的形式:外層 y 從 0 到 2 變化;內層 x 從左邊界 x=0 變化到右邊界 x=y2。
- 新區域表示: 0≤y≤2 且 0≤x≤y2。
- 第二步:重寫二重積分並進行計算:
I=∫02∫0y2xy2sin(y2)dxdy=∫02y2sin(y2)(∫0y2x1/2dx)dy
- 第三步:先積內層 x 並化簡:
∫0y2x1/2dx=[32x3/2]0y2=32y3
- 第四步:代回外層求單變數定積分:
32∫02ysin(y2)dy
利用代換法 u=y2 求解。
答題過程
展開
我們首先分析給定積分的區域 D:
D={(x,y)∣0≤x≤4, x≤y≤2}
此區域在第一象限內,被拋物線 y=x(即 x=y2)、 y 軸(x=0)與水平線 y=2 所圍成。
為了能夠積出該式,我們必須交換積分順序。
將其改寫為先對 x 積分、再對 y 積分:
- 縱向來看, y 的變化範圍為 0 到 2。
- 對於每一個固定的 y, x 的橫向變化範圍為從左側邊界 x=0 到右側拋物線邊界 x=y2。
因此新區域表示為:
D={(x,y)∣0≤y≤2, 0≤x≤y2}
重寫為新的累次積分:
I=∫02∫0y2xy2sin(y2)dxdy=∫02y2sin(y2)(∫0y2x1/2dx)dy
我們先計算內層關於 x 的積分:
∫0y2x1/2dx=[32x3/2]0y2=32(y2)3/2−0=32y3
將內層積分結果代回外層:
I=∫02y2sin(y2)(32y3)dy=32∫02ysin(y2)dy
我們使用代換積分法。令:
u=y2⟹du=2ydy⟹ydy=21du
更換積分界限:
- 當 y=0⟹u=0。
- 當 y=2⟹u=4。
代入得:
I=32∫04sinu(21du)=31∫04sinudu=31[−cosu]04=31(1−cos4)
結論:
積分值為 31(1−cos4)。