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113 台綜大微積分(C) 第 9 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分C

113學年度 · 113微積分C · 第 9 題

題目

Problem

9. Evaluate ∬Dcos⁡(x+y) dA\iint_D \cos(x + y) \,\mathrm{d}A, where D={(x,y)∈R2∣∣x∣+∣y∣≤π/6}D = \{ (x, y) \in \mathbb{R}^2 \mid |x| + |y| \le \pi/6 \}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要在旋轉對稱的方形區域 D:∣x∣+∣y∣≤π/6D: |x|+|y| \le \pi/6 上計算二重積分 ∬Dcos⁡(x+y) dA\iint_D \cos(x+y)\,\mathrm{d}A。
  2. 觀察被積函數包含 x+yx+y,且區域邊界為斜直線 ∣x∣+∣y∣=π/6|x|+|y| = \pi/6。這提示我們應使用變數變換 (Change of Variables)。
  3. 第一步:定義新變數並確定邊界範圍:
    • 令 u=x+yu = x + y, v=x−yv = x - y。
    • 原邊界可展開為四條直線:
      • x+y=±π/6  ⟹  u=±π/6x + y = \pm \pi/6 \implies u = \pm \pi/6。
      • x−y=±π/6  ⟹  v=±π/6x - y = \pm \pi/6 \implies v = \pm \pi/6。
    • 因此,新區域 DuvD_{uv} 為一個正方形: −π/6≤u≤π/6-\pi/6 \le u \le \pi/6 且 −π/6≤v≤π/6-\pi/6 \le v \le \pi/6。
  4. 第二步:計算 Jacobian 行列式:
    • 雅可比逆變換行列式為: J−1=det⁡(uxuyvxvy)=det⁡(111−1)=−2J^{-1} = \det \begin{pmatrix} u_x & u_y \\ v_x & v_y \end{pmatrix} = \det \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -2
    • 雅可比行列式絕對值為: ∣J∣=1∣J−1∣=12|J| = \frac{1}{|J^{-1}|} = \frac{1}{2}。
    • 故 dA=dxdy=12dudv\mathrm{d}A = \mathrm{d}x\mathrm{d}y = \frac{1}{2} \mathrm{d}u\mathrm{d}v。
  5. 第三步:寫出累次積分並求解: I=∫−π/6π/6∫−π/6π/6cos⁡u(12)dudv=12∫−π/6π/6dv⋅∫−π/6π/6cos⁡u duI = \int_{-\pi/6}^{\pi/6} \int_{-\pi/6}^{\pi/6} \cos u \left(\frac{1}{2}\right) \mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{2} \int_{-\pi/6}^{\pi/6} \mathrm{d}v \cdot \int_{-\pi/6}^{\pi/6} \cos u \,\mathrm{d}u

答題過程

展開

我們引入變數變換以簡化被積函數與積分區域。令:

u=x+y,v=x−yu = x + y, \quad v = x - y

我們分析積分區域 D:∣x∣+∣y∣≤π6D: |x| + |y| \le \frac{\pi}{6}。此區域是一個以原點為中心、四個頂點為 (±π6,0)\left(\pm\frac{\pi}{6}, 0\right) 與 (0,±π6)\left(0, \pm\frac{\pi}{6}\right) 的旋轉正方形。 其邊界可由下列四條直線方程式表示:

  • x+y=π6  ⟹  u=π6x + y = \frac{\pi}{6} \implies u = \frac{\pi}{6}
  • x+y=−π6  ⟹  u=−π6x + y = -\frac{\pi}{6} \implies u = -\frac{\pi}{6}
  • x−y=π6  ⟹  v=π6x - y = \frac{\pi}{6} \implies v = \frac{\pi}{6}
  • x−y=−π6  ⟹  v=−π6x - y = -\frac{\pi}{6} \implies v = -\frac{\pi}{6}

因此,變換後的積分區域 DuvD_{uv} 為一個以 uu 軸和 vv 軸為平行對稱軸的正方形:

Duv={(u,v)∣−π6≤u≤π6, −π6≤v≤π6}D_{uv} = \left\{ (u, v) \mid -\frac{\pi}{6} \le u \le \frac{\pi}{6}, \ -\frac{\pi}{6} \le v \le \frac{\pi}{6} \right\}

我們計算雅可比行列式(Jacobian)來進行面積微元轉換:

∂(u,v)∂(x,y)=∣∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y∣=∣111−1∣=−2\frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} & \frac{\partial u}{\partial y} \\[1.5mm] \frac{\partial v}{\partial x} & \frac{\partial v}{\partial y} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{vmatrix} = -2

因此其絕對值為:

∣∂(x,y)∂(u,v)∣=1∣−2∣=12  ⟹  dA=12dudv\left| \frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)} \right| = \frac{1}{|-2|} = \frac{1}{2} \implies \mathrm{d}A = \frac{1}{2} \mathrm{d}u\mathrm{d}v

代入新變數,將二重積分化為累次積分:

I= ∬Duvcos⁡u(12dudv)= 12(∫−π6π6dv)(∫−π6π6cos⁡u du)= 12(π6−(−π6))⋅[sin⁡u]−π6π6= 12(π3)⋅(sin⁡(π6)−sin⁡(−π6))= π6⋅(12−(−12))=π6⋅1=π6\begin{align*} I =&\, \iint_{D_{uv}} \cos u \left( \frac{1}{2} \mathrm{d}u\mathrm{d}v \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \int_{-\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{6}} \mathrm{d}v \right) \left( \int_{-\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{6}} \cos u \,\mathrm{d}u \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{6} - \left( -\frac{\pi}{6} \right) \right) \cdot \Big[ \sin u \Big]_{-\frac{\pi}{6}}^{\frac{\pi}{6}} \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{\pi}{3} \right) \cdot \left( \sin\left(\frac{\pi}{6}\right) - \sin\left(-\frac{\pi}{6}\right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{6} \cdot \left( \frac{1}{2} - \left( -\frac{1}{2} \right) \right) = \frac{\pi}{6} \cdot 1 = \frac{\pi}{6} \end{align*}

結論: 積分值為 π6\displaystyle \frac{\pi}{6}。