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114 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

114學年度 · 114微積分B · 第 10 題

題目

Problem

Evaluate the double integral

∬R(x+y) dA,\iint_{R} (x + y) \,\mathrm{d}A,

where RR is the region bounded by y=xy = x and y=x2y = x^2. (10%)

(10) 積分值為 見解答‾\underline{\quad\text{見解答}\quad}.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算二重積分,其積分區域 RR 由直線 y=xy = x 與拋物線 y=x2y = x^2 所圍成。
  2. 第一步:求交點以確定積分範圍:
    • 令 x2=x  ⟹  x(x−1)=0  ⟹  x=0x^2 = x \implies x(x-1) = 0 \implies x = 0 或 x=1x = 1。
    • 對應的交點為 (0,0)(0,0) 與 (1,1)(1,1)。
    • 在區間 x∈[0,1]x \in [0, 1] 內,直線位於拋物線上方,即 x2≤y≤xx^2 \le y \le x。
  3. 第二步:列出累次積分式: 我們將其寫為 yy-型(Type I)區域: ∬R(x+y) dA=∫01∫x2x(x+y) dydx\iint_{R} (x+y) \,\mathrm{d}A = \int_{0}^{1} \int_{x^2}^{x} (x+y) \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x
  4. 先內層積 yy,再外層積 xx 求出數值。

答題過程

展開

第一步:確定積分區域的邊界範圍

我們求出邊界曲線 y=xy = x 與 y=x2y = x^2 的交點:

x2=x  ⟹  x2−x=0  ⟹  x(x−1)=0  ⟹  x=0或x=1x^2 = x \implies x^2 - x = 0 \implies x(x-1) = 0 \implies x = 0 \quad \text{或} \quad x = 1

對應的交點坐標為 (0,0)(0, 0) 與 (1,1)(1, 1)。

在區間 x∈[0,1]x \in [0, 1] 內,直線 y=xy=x 恆在拋物線 y=x2y=x^2 的上方,即:

x2≤y≤xx^2 \le y \le x

第二步:計算累次積分

我們將二重積分展開為累次積分式:

I=∬R(x+y) dA=∫01∫x2x(x+y) dydxI = \iint_{R} (x + y) \,\mathrm{d}A = \int_{0}^{1} \int_{x^2}^{x} (x + y) \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x

先對內層關於 yy 進行積分:

∫x2x(x+y) dy= [xy+12y2]y=x2y=x= (x(x)+12x2)−(x(x2)+12(x2)2)= (x2+12x2)−(x3+12x4)= 32x2−x3−12x4\begin{align*} \int_{x^2}^{x} (x+y) \,\mathrm{d}y =&\, \left[ xy + \frac{1}{2}y^2 \right]_{y=x^2}^{y=x} \\[4mm] =&\, \left( x(x) + \frac{1}{2}x^2 \right) - \left( x\left(x^2\right) + \frac{1}{2}\left(x^2\right)^2 \right) \\[4mm] =&\, \left( x^2 + \frac{1}{2}x^2 \right) - \left( x^3 + \frac{1}{2}x^4 \right) \\[4mm] =&\, \frac{3}{2}x^2 - x^3 - \frac{1}{2}x^4 \end{align*}

接著對外層關於 xx 進行定積分:

I= ∫01(32x2−x3−12x4)dx= [12x3−14x4−110x5]01= (12(1)3−14(1)4−110(1)5)−(0)= 12−14−110= 10−5−220=320\begin{align*} I =&\, \int_{0}^{1} \left( \frac{3}{2}x^2 - x^3 - \frac{1}{2}x^4 \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \left[ \frac{1}{2}x^3 - \frac{1}{4}x^4 - \frac{1}{10}x^5 \right]_{0}^{1} \\[4mm] =&\, \left( \frac{1}{2}(1)^3 - \frac{1}{4}(1)^4 - \frac{1}{10}(1)^5 \right) - (0) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} - \frac{1}{4} - \frac{1}{10} \\[4mm] =&\, \frac{10 - 5 - 2}{20} = \frac{3}{20} \end{align*}

結論: 二重積分值為 320\displaystyle \frac{3}{20}。