Skip to content
CalcGospel 微積分福音
返回

114 台綜大微積分 C 第 8 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分 C

114學年度 · 114微積分C · 第 8 題

題目

Problem

Evaluate the following integral

010xx2x2+y2dydx.\int_{0}^{1} \int_{0}^{\sqrt{x - x^2}} \sqrt{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}y\mathrm{d}x.

(The formula cos3θ=cos(3θ)+3cosθ4\cos^3\theta = \frac{\cos(3\theta) + 3\cos\theta}{4} may be useful.) (10%)

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

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題給出一個累次二重積分,其被積函數為 x2+y2\sqrt{x^2+y^2}。積分上限 y=xx2y = \sqrt{x-x^2} 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
  2. 第一步:分析積分區域 DD
    • 範圍為 0x10 \le x \le 10yxx20 \le y \le \sqrt{x-x^2}
    • yy 的上限平方整理: y2=xx2    x2+y2=xy^2 = x - x^2 \implies x^2 + y^2 = x 這是一個以 (1/2,0)(1/2, 0) 為圓心、 1/21/2 為半徑的圓,且 y0y \ge 0 表示其上半圓。
  3. 第二步:轉換至極座標
    • 直角座標與極座標關係: x2+y2=r2x^2+y^2 = r^2,且 x=rcosθx = r\cos\theta
    • 邊界圓方程式化為: r2=rcosθ    r=cosθr^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta
    • 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]\theta \in [0, \pi/2],極徑範圍為 r[0,cosθ]r \in [0, \cos\theta]
    • 被積函數為 x2+y2=r\sqrt{x^2+y^2} = r,雅可比微元為 dA=rdrdθ\mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta
  4. 第三步:進行積分計算I=0π/20cosθrrdrdθ=0π/2[13r3]0cosθdθ=130π/2cos3θdθI = \int_{0}^{\pi/2} \int_{0}^{\cos\theta} r \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta = \int_{0}^{\pi/2} \left[ \frac{1}{3}r^3 \right]_{0}^{\cos\theta} \mathrm{d}\theta = \frac{1}{3} \int_{0}^{\pi/2} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta 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:

0x1,0yxx20 \le x \le 1, \quad 0 \le y \le \sqrt{x - x^2}

我們分析區域 DD 的邊界曲線:

y=xx2    y2=xx2    x2+y2=x(y0)y = \sqrt{x - x^2} \implies y^2 = x - x^2 \implies x^2 + y^2 = x \quad (y \ge 0)

這是一個以 (1/2,0)(1/2, 0) 為圓心, 1/21/2 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=rdrdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}y\mathrm{d}x = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

邊界圓方程式在極座標下為:

r2=rcosθ    r=cosθr^2 = r\cos\theta \implies r = \cos\theta

由於 xx[0,1][0, 1]y0y \ge 0,此區域完全落在第一象限內。對應的極角與極徑範圍為:

0θπ2,0rcosθ0 \le \theta \le \frac{\pi}{2}, \quad 0 \le r \le \cos\theta

第三步:計算定積分

將被積函數 x2+y2=r\sqrt{x^2+y^2} = r 代入極座標積分式中:

I=0π20cosθr(rdrdθ)=0π2(0cosθr2dr)dθ=0π2[13r3]r=0r=cosθdθ=130π2cos3θdθ\begin{align*} I =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \int_{0}^{\cos\theta} r \cdot \left( r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \right) \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left( \int_{0}^{\cos\theta} r^2 \,\mathrm{d}r \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left[ \frac{1}{3} r^3 \right]_{r=0}^{r=\cos\theta} \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{3} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta \end{align*}

利用題目提示的公式 cos3θ=cos3θ+3cosθ4\cos^3\theta = \frac{\cos 3\theta + 3\cos\theta}{4} 進行降次:

I=130π2(cos3θ+3cosθ4)dθ=1120π2(cos3θ+3cosθ)dθ=112[13sin3θ+3sinθ]0π2=112((13sin3π2+3sinπ2)(0))\begin{align*} I =&\, \frac{1}{3} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} \left( \frac{\cos 3\theta + 3\cos\theta}{4} \right) \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{12} \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} (\cos 3\theta + 3\cos\theta) \,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{1}{12} \left[ \frac{1}{3}\sin 3\theta + 3\sin\theta \right]_{0}^{\frac{\pi}{2}} \\[4mm] =&\, \frac{1}{12} \left( \left( \frac{1}{3}\sin\frac{3\pi}{2} + 3\sin\frac{\pi}{2} \right) - (0) \right) \end{align*}

代入特殊三角正弦值(sin3π2=1\sin\frac{3\pi}{2} = -1sinπ2=1\sin\frac{\pi}{2} = 1):

I=112(13(1)+3(1))=112(13+3)=112(83)=836=29I = \frac{1}{12} \left( \frac{1}{3}(-1) + 3(1) \right) = \frac{1}{12} \left( -\frac{1}{3} + 3 \right) = \frac{1}{12} \left( \frac{8}{3} \right) = \frac{8}{36} = \frac{2}{9}

結論: 積分值為 29\displaystyle \frac{2}{9}