題目
Problem
Evaluate the following integral
∫01∫0x−x2x2+y2dydx.
(The formula cos3θ=4cos(3θ)+3cosθ may be useful.) (10%)
(8) 積分值為 見解答.
解答
解法一
思路
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- 本題給出一個累次二重積分,其被積函數為 x2+y2。積分上限 y=x−x2 是一個含有圓弧邊界的區域,這高度暗示我們使用極座標變換。
- 第一步:分析積分區域 D:
- 範圍為 0≤x≤1,0≤y≤x−x2。
- 將 y 的上限平方整理:
y2=x−x2⟹x2+y2=x
這是一個以 (1/2,0) 為圓心、 1/2 為半徑的圓,且 y≥0 表示其上半圓。
- 第二步:轉換至極座標:
- 直角座標與極座標關係: x2+y2=r2,且 x=rcosθ。
- 邊界圓方程式化為: r2=rcosθ⟹r=cosθ。
- 由於區域位於第一象限且被該圓限制,極角範圍為 θ∈[0,π/2],極徑範圍為 r∈[0,cosθ]。
- 被積函數為 x2+y2=r,雅可比微元為 dA=rdrdθ。
- 第三步:進行積分計算:
I=∫0π/2∫0cosθr⋅rdrdθ=∫0π/2[31r3]0cosθdθ=31∫0π/2cos3θdθ
利用題目提示的餘弦三倍角降次公式,將其化簡並計算定積分。
答題過程
展開
第一步:分析並描述積分區域
直角座標下的積分累次限為:
0≤x≤1,0≤y≤x−x2
我們分析區域 D 的邊界曲線:
y=x−x2⟹y2=x−x2⟹x2+y2=x(y≥0)
這是一個以 (1/2,0) 為圓心, 1/2 為半徑之圓的 Upper Half。
第二步:將積分區域與被積函數轉換至極座標
我們引入極座標代換:
x=rcosθ,y=rsinθ,dydx=rdrdθ
邊界圓方程式在極座標下為:
r2=rcosθ⟹r=cosθ
由於 x 在 [0,1] 且 y≥0,此區域完全落在第一象限內。對應的極角與極徑範圍為:
0≤θ≤2π,0≤r≤cosθ
第三步:計算定積分
將被積函數 x2+y2=r 代入極座標積分式中:
I====∫02π∫0cosθr⋅(rdrdθ)∫02π(∫0cosθr2dr)dθ∫02π[31r3]r=0r=cosθdθ31∫02πcos3θdθ
利用題目提示的公式 cos3θ=4cos3θ+3cosθ 進行降次:
I====31∫02π(4cos3θ+3cosθ)dθ121∫02π(cos3θ+3cosθ)dθ121[31sin3θ+3sinθ]02π121((31sin23π+3sin2π)−(0))
代入特殊三角正弦值(sin23π=−1 且 sin2π=1):
I=121(31(−1)+3(1))=121(−31+3)=121(38)=368=92
結論:
積分值為 92。