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113 台綜大微積分(B) 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

113學年度 · 113微積分B · 第 10 題

題目

Problem

10. Evaluate the double integral

04x2xsin(y2)y2dydx.(10%)\int_0^4 \int_{\sqrt{x}}^2 \sqrt{x} \frac{\sin(y^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 04x2xsin(y2)y2dydx\int_0^4 \int_{\sqrt{x}}^2 \sqrt{x} \frac{\sin(y^2)}{y^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x
  2. 由於內層積分對 yy 含有 sin(y2)y2\frac{\sin(y^2)}{y^2},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 xx 進行積分。
  3. 第一步:分析積分區域 DD
    • 給定區域: 0x40 \le x \le 4xy2\sqrt{x} \le y \le 2
    • 其邊界為: y=x    x=y2y = \sqrt{x} \implies x = y^2,以及 y=2y = 2x=0x = 0
    • 將區域改寫為先積 xx 的形式:外層 yy0022 變化;內層 xx 從左邊界 x=0x=0 變化到右邊界 x=y2x=y^2
    • 新區域表示: 0y20 \le y \le 20xy20 \le x \le y^2
  4. 第二步:重寫二重積分並進行計算I=020y2xsin(y2)y2dxdy=02sin(y2)y2(0y2x1/2dx)dyI = \int_0^2 \int_0^{y^2} \sqrt{x} \frac{\sin(y^2)}{y^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \int_0^2 \frac{\sin(y^2)}{y^2} \left( \int_0^{y^2} x^{1/2} \,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}y
  5. 第三步:先積內層 xx 並化簡0y2x1/2dx=[23x3/2]0y2=23y3\int_0^{y^2} x^{1/2} \,\mathrm{d}x = \left[ \frac{2}{3}x^{3/2} \right]_0^{y^2} = \frac{2}{3} y^3
  6. 第四步:代回外層求單變數定積分2302ysin(y2)dy\frac{2}{3} \int_0^2 y \sin(y^2) \,\mathrm{d}y 利用代換法 u=y2u = y^2 求解。

答題過程

展開

我們首先分析給定積分的區域 DD

D={(x,y)0x4, xy2}D = \{ (x, y) \mid 0 \le x \le 4, \ \sqrt{x} \le y \le 2 \}

此區域在第一象限內,被拋物線 y=xy = \sqrt{x}(即 x=y2x = y^2)、 yy 軸(x=0x = 0)與水平線 y=2y = 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 xx 積分、再對 yy 積分:

  • 縱向來看, yy 的變化範圍為 0022
  • 對於每一個固定的 yyxx 的橫向變化範圍為從左側邊界 x=0x = 0 到右側拋物線邊界 x=y2x = y^2。 因此新區域表示為:
D={(x,y)0y2, 0xy2}D = \{ (x, y) \mid 0 \le y \le 2, \ 0 \le x \le y^2 \}

重寫為新的累次積分:

I=020y2xsin(y2)y2dxdy=02sin(y2)y2(0y2x1/2dx)dyI = \int_0^2 \int_0^{y^2} \sqrt{x} \frac{\sin\left(y^2\right)}{y^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \int_0^2 \frac{\sin\left(y^2\right)}{y^2} \left( \int_0^{y^2} x^{1/2} \,\mathrm{d}x \right) \mathrm{d}y

我們先計算內層關於 xx 的積分:

0y2x1/2dx=[23x3/2]0y2=23(y2)3/20=23y3\int_0^{y^2} x^{1/2} \,\mathrm{d}x = \left[ \frac{2}{3} x^{3/2} \right]_0^{y^2} = \frac{2}{3} (y^2)^{3/2} - 0 = \frac{2}{3} y^3

將內層積分結果代回外層:

I=02sin(y2)y2(23y3)dy=2302ysin(y2)dyI = \int_0^2 \frac{\sin\left(y^2\right)}{y^2} \left( \frac{2}{3} y^3 \right) \mathrm{d}y = \frac{2}{3} \int_0^2 y \sin\left(y^2\right) \,\mathrm{d}y

我們使用代換積分法。令:

u=y2    du=2ydy    ydy=12duu = y^2 \implies \mathrm{d}u = 2y\,\mathrm{d}y \implies y\,\mathrm{d}y = \frac{1}{2}\mathrm{d}u

更換積分界限:

  • y=0    u=0y = 0 \implies u = 0
  • y=2    u=4y = 2 \implies u = 4

代入得:

I=2304sinu(12du)=1304sinudu=13[cosu]04=13(1cos4)I = \frac{2}{3} \int_0^4 \sin u \left( \frac{1}{2}\mathrm{d}u \right) = \frac{1}{3} \int_0^4 \sin u \,\mathrm{d}u = \frac{1}{3} \Big[ -\cos u \Big]_0^4 = \frac{1}{3} (1 - \cos 4)

結論: 積分值為 13(1cos4)\displaystyle \frac{1}{3}(1 - \cos 4)