題目
Problem
3. Sketch the region of integration and evaluate the integral ∫01∫3y1x22πsin(πx2)dxdy. (12 points)
解答
解法一:交換積分順序法
思路
展開
- 描繪區域:積分區域由 0≤y≤1 以及 3y≤x≤1 給定。
其左邊界為 x=3y⟹y=x3,右邊界為 x=1。
- 交換積分順序:由於被積函數 x2sin(πx2) 無法直接對 x 進行初等積分,我們必須交換為先對 y 後對 x 積分。
- 轉換後的積分區域為: 0≤x≤1, 0≤y≤x3。
- 積分 y 後將與 x3 相乘,消去分母 x2,即可用代換積分法完成。
答題過程
展開
第一步:描繪積分區域並交換順序
原積分區域為:
D={(x,y)∈R2:0≤y≤1,3y≤x≤1}
其邊界曲線為:
- 左邊界: x=y1/3⟹y=x3
- 下邊界: y=0
- 右邊界: x=1
區域示意圖如下:
y
| / (1,1)
1 |*-------* (y = x^3)
| \ |
| \ D |
| \ |
-------|----*---|-----> x
0 1
將區域改寫為先對 y 積分的形式:
D={(x,y)∈R2:0≤x≤1,0≤y≤x3}
第二步:計算積分
交換積分順序後:
I====∫01∫0x3x22πsin(πx2)dydx∫01x22πsin(πx2)(∫0x31dy)dx∫01x22πsin(πx2)⋅x3dx2π∫01xsin(πx2)dx
使用代換積分法,令 u=πx2⟹du=2πxdx:
- 當 x=0⟹u=0。
- 當 x=1⟹u=π。
代回積分:
I=∫0πsinudu=[−cosu]0π=−cosπ−(−cos0)=−(−1)−(−1)=2