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114 台綜大微積分 A 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 A

114學年度 · 114微積分A · 第 10 題

題目

Problem

Let DD be the region in xyxy-plane bounded by x2=yx^2 = y, x2=3yx^2 = 3y, y2=xy^2 = x, y2=3xy^2 = 3x. Use the transformation u=x2yu = \frac{x^2}{y}, v=y2xv = \frac{y^2}{x} to evaluate the double integral

∬Dy2x4+3y2 dA=見解答‾.\iint_{D} \frac{y^2}{x^4 + 3y^2} \,\mathrm{d}A = \underline{\quad\text{見解答}\quad}.

(10) 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}. (10%)

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個複雜的積分區域 DD,由四條拋物線圍成。題目指定使用雅可比變數變換 (Jacobian Transformation): u=x2y,v=y2xu = \frac{x^2}{y}, \quad v = \frac{y^2}{x}
  2. 第一步:確定新變數 u,vu, v 的積分範圍:
    • 邊界 x2=y  ⟹  x2y=1  ⟹  u=1x^2 = y \implies \frac{x^2}{y} = 1 \implies u = 1。
    • 邊界 x2=3y  ⟹  x2y=3  ⟹  u=3x^2 = 3y \implies \frac{x^2}{y} = 3 \implies u = 3。
    • 邊界 y2=x  ⟹  y2x=1  ⟹  v=1y^2 = x \implies \frac{y^2}{x} = 1 \implies v = 1。
    • 邊界 y2=3x  ⟹  y2x=3  ⟹  v=3y^2 = 3x \implies \frac{y^2}{x} = 3 \implies v = 3。 因此,新積分區域在 uvuv 平面上為一個簡單的矩形區域 D∗=[1,3]×[1,3]D^* = [1, 3] \times [1, 3]。
  3. 第二步:計算雅可比行列式 (Jacobian): 我們計算 ∂(u,v)∂(x,y)\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)}: ∂(u,v)∂(x,y)=det⁡(uxuyvxvy)=det⁡(2x/y−x2/y2−y2/x22y/x)=4−1=3\frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)} = \det \begin{pmatrix} u_x & u_y \\ v_x & v_y \end{pmatrix} = \det \begin{pmatrix} 2x/y & -x^2/y^2 \\ -y^2/x^2 & 2y/x \end{pmatrix} = 4 - 1 = 3 因此雅可比行列式值為: dA=∣∂(x,y)∂(u,v)∣dudv=1∣∂(u,v)∂(x,y)∣dudv=13 dudv\mathrm{d}A = \left| \frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} \right| \mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{\left| \frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)} \right|} \mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{3} \,\mathrm{d}u\mathrm{d}v
  4. 第三步:將被積函數轉換為 u,vu, v 形式:
    • 已知 u2v=x4y2⋅y2x=x3  ⟹  x3=u2vu^2 v = \frac{x^4}{y^2} \cdot \frac{y^2}{x} = x^3 \implies x^3 = u^2 v。
    • 已知 uv2=x2y⋅y4x2=y3  ⟹  y3=uv2u v^2 = \frac{x^2}{y} \cdot \frac{y^4}{x^2} = y^3 \implies y^3 = u v^2。
    • 將被積分式分子與分母同除以 y2y^2: y2x4+3y2=1x4y2+3\frac{y^2}{x^4 + 3y^2} = \frac{1}{\frac{x^4}{y^2} + 3} 觀察發現,由於 u=x2y  ⟹  u2=x4y2u = \frac{x^2}{y} \implies u^2 = \frac{x^4}{y^2}。 因此,被積函數可以完美簡化為: 1u2+3\frac{1}{u^2 + 3} 這項完全與 vv 無關!
  5. 進行雙重積分計算,利用 ∫1u2+a2du=1aarctan⁡ua\int \frac{1}{u^2+a^2} \mathrm{d}u = \frac{1}{a}\arctan\frac{u}{a} 公式求解。

答題過程

展開

第一步:確定新變數的範圍

給定變數變換關係:

u=x2y,v=y2xu = \frac{x^2}{y}, \quad v = \frac{y^2}{x}

原積分邊界與新變數的關係如下:

  • 由 x2=y  ⟹  u=1x^2 = y \implies u = 1;由 x2=3y  ⟹  u=3x^2 = 3y \implies u = 3。
  • 由 y2=x  ⟹  v=1y^2 = x \implies v = 1;由 y2=3x  ⟹  v=3y^2 = 3x \implies v = 3。

因此,在新座標系中,積分區域 D∗D^* 為:

1≤u≤3,1≤v≤31 \le u \le 3, \quad 1 \le v \le 3

第二步:計算雅可比行列式

我們計算偏導數矩陣:

∂(u,v)∂(x,y)=(∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y)=(2xy−x2y2−y2x22yx)\frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} = \begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} & \frac{\partial u}{\partial y} \\[2mm] \frac{\partial v}{\partial x} & \frac{\partial v}{\partial y} \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} \frac{2x}{y} & -\frac{x^2}{y^2} \\[2mm] -\frac{y^2}{x^2} & \frac{2y}{x} \end{pmatrix}

計算其行列式值:

det⁡(∂(u,v)∂(x,y))=(2xy)(2yx)−(−x2y2)(−y2x2)=4−1=3\det\left( \frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} \right) = \left(\frac{2x}{y}\right)\left(\frac{2y}{x}\right) - \left(-\frac{x^2}{y^2}\right)\left(-\frac{y^2}{x^2}\right) = 4 - 1 = 3

因此,雅可比行列式(Jacobian)為:

dxdy=∣∂(x,y)∂(u,v)∣dudv=1∣det⁡(∂(u,v)∂(x,y))∣dudv=13 dudv\mathrm{d}x\mathrm{d}y = \left| \frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)} \right| \mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{\left| \det\left( \frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} \right) \right|} \mathrm{d}u\mathrm{d}v = \frac{1}{3} \,\mathrm{d}u\mathrm{d}v

第三步:代入被積函數並求解積分

我們觀察被積函數:

y2x4+3y2\frac{y^2}{x^4 + 3y^2}

將分子分母同除以 y2y^2:

y2/y2(x4/y2)+3=1(x2y)2+3=1u2+3\frac{y^2/y^2}{(x^4/y^2) + 3} = \frac{1}{\left(\frac{x^2}{y}\right)^2 + 3} = \frac{1}{u^2 + 3}

將雅可比行列式與變量代入原雙重積分式中:

∬Dy2x4+3y2 dxdy= ∫13∫131u2+3(13 dudv)= 13(∫131 dv)(∫131u2+3 du)= 13⋅(3−1)⋅[13arctan⁡(u3)]13= 233(arctan⁡(33)−arctan⁡(13))= 233(arctan⁡(3)−arctan⁡(13))\begin{align*} \iint_{D} \frac{y^2}{x^4 + 3y^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =&\, \int_{1}^{3} \int_{1}^{3} \frac{1}{u^2 + 3} \left( \frac{1}{3} \,\mathrm{d}u\mathrm{d}v \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{3} \left( \int_{1}^{3} 1 \,\mathrm{d}v \right) \left( \int_{1}^{3} \frac{1}{u^2 + 3} \,\mathrm{d}u \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{3} \cdot (3 - 1) \cdot \left[ \frac{1}{\sqrt{3}} \arctan\left(\frac{u}{\sqrt{3}}\right) \right]_{1}^{3} \\[4mm] =&\, \frac{2}{3\sqrt{3}} \left( \arctan\left(\frac{3}{\sqrt{3}}\right) - \arctan\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{2}{3\sqrt{3}} \left( \arctan\left(\sqrt{3}\right) - \arctan\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) \right) \end{align*}

利用基本反三角函數特殊值 arctan⁡3=π3\arctan\sqrt{3} = \frac{\pi}{3} 且 arctan⁡13=π6\arctan\frac{1}{\sqrt{3}} = \frac{\pi}{6}:

∬Dy2x4+3y2 dxdy= 233(π3−π6)= 233(π6)= π93=3π27\begin{align*} \iint_{D} \frac{y^2}{x^4 + 3y^2} \,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =&\, \frac{2}{3\sqrt{3}} \left( \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{6} \right) \\[4mm] =&\, \frac{2}{3\sqrt{3}} \left( \frac{\pi}{6} \right) \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{9\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{3}\pi}{27} \end{align*}

結論: 積分值為 π93\displaystyle \frac{\pi}{9\sqrt{3}}(或寫成 3π27\displaystyle \frac{\sqrt{3}\pi}{27})。