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112 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

112學年度 · 112微積分A3/A4/A6 · 第 7 題

題目

Problem

一、填充題:共 8 題,每題 8 分,共 64 分。

  1. Evaluate the integral ∬Rx2+y2 dA\iint_R \sqrt{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}A, where RR is the region inside the upper semicircle of radius 2 centered at the origin, but outside the circle x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2 = 1.

解答

解法一:極座標變換與區域對稱法

思路

展開
  1. 本題求 ∬Rx2+y2 dA\iint_R \sqrt{x^2+y^2} \,\mathrm{d}A 的值。
  2. 由於邊界是圓且被積函數為 x2+y2=r\sqrt{x^2+y^2} = r,最適合使用極座標變換。
  3. 第一步:確定極座標下的邊界方程式:
    • 原點中心、半徑 2 的上半圓: r=2r = 2 且 θ∈[0,π]\theta \in [0, \pi]。
    • 圓 x2+(y−1)2=1  ⟹  x2+y2−2y=0  ⟹  r2−2rsin⁡θ=0  ⟹  r=2sin⁡θx^2 + (y-1)^2 = 1 \implies x^2 + y^2 - 2y = 0 \implies r^2 - 2r\sin\theta = 0 \implies r = 2\sin\theta。
  4. 第二步:描述積分區域 RR:
    • 區域 RR 位於大圓 r=2r = 2 內部且在小圓 r=2sin⁡θr = 2\sin\theta 外部。
    • 因此,對於每個確定的角度 θ∈[0,π]\theta \in [0, \pi], rr 的範圍是 2sin⁡θ≤r≤22\sin\theta \le r \le 2。
  5. 第三步:利用 yy 軸對稱性簡化計算:
    • 被積函數 x2+y2\sqrt{x^2+y^2} 與區域 RR 皆對稱於 yy 軸(即對稱於 θ=π/2\theta = \pi/2)。
    • 故 I=2∫0π/2∫2sin⁡θ2r⋅r drdthetaI = 2 \int_0^{\pi/2} \int_{2\sin\theta}^2 r \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}theta。
  6. 第四步:積分求解:
    • 內層積分: ∫2sin⁡θ2r2 dr=[r33]2sin⁡θ2=13(8−8sin⁡3θ)\int_{2\sin\theta}^2 r^2 \,\mathrm{d}r = \left[ \frac{r^3}{3} \right]_{2\sin\theta}^2 = \frac{1}{3}(8 - 8\sin^3\theta)。
    • 外層積分: 163∫0π/2(1−sin⁡3θ) dθ\frac{16}{3} \int_0^{\pi/2} (1 - \sin^3\theta) \,\mathrm{d}\theta。
    • 利用 Wallis 積分公式: ∫0π/2sin⁡3θ dθ=23\int_0^{\pi/2} \sin^3\theta \,\mathrm{d}\theta = \frac{2}{3}。
    • 最終結果: 163(π2−23)=8π3−329\frac{16}{3} \left( \frac{\pi}{2} - \frac{2}{3} \right) = \frac{8\pi}{3} - \frac{32}{9}。

答題過程

展開

給定二重積分為:

I=∬Rx2+y2 dAI = \iint_R \sqrt{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}A

我們使用極座標變換(Polar Coordinates):

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r drdθ,x2+y2=rx = r \cos\theta, \quad y = r \sin\theta, \quad \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta, \quad \sqrt{x^2 + y^2} = r

1. 確定極座標下的積分區域 RR

  • 上半圓 x2+y2≤4x^2 + y^2 \le 4 (y≥0y \ge 0):在極座標中為 r≤2r \le 2 且 θ∈[0,π]\theta \in [0, \pi]。
  • 圓 x2+(y−1)2=1x^2 + (y-1)^2 = 1 的邊界方程式為: x2+y2−2y=0  ⟹  r2−2rsin⁡θ=0  ⟹  r=2sin⁡θx^2 + y^2 - 2y = 0 \implies r^2 - 2r\sin\theta = 0 \implies r = 2\sin\theta

區域 RR 是在上半圓內部,且在小圓外部。因此極座標的範圍為:

0≤θ≤π,2sin⁡θ≤r≤20 \le \theta \le \pi, \quad 2\sin\theta \le r \le 2

2. 利用對稱性簡化計算

因為區域 RR 與被積函數 rr 關於 yy 軸(即 θ=π2\theta = \frac{\pi}{2})對稱,我們只計算第一象限的半邊區域(θ∈[0,π2]\theta \in [0, \frac{\pi}{2}])再乘以 2:

I=2∫0π2∫2sin⁡θ2r⋅(r dr)dθ=2∫0π2∫2sin⁡θ2r2 drdθI = 2 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_{2\sin\theta}^2 r \cdot (r\,\mathrm{d}r) \mathrm{d}\theta = 2 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_{2\sin\theta}^2 r^2 \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

3. 計算累次積分

先計算內層關於 rr 的積分:

∫2sin⁡θ2r2 dr=[r33]2sin⁡θ2=83−8sin⁡3θ3=83(1−sin⁡3θ)\int_{2\sin\theta}^2 r^2 \,\mathrm{d}r = \left[ \frac{r^3}{3} \right]_{2\sin\theta}^2 = \frac{8}{3} - \frac{8\sin^3\theta}{3} = \frac{8}{3}(1 - \sin^3\theta)

代回外層關於 θ\theta 的積分:

I=2∫0π283(1−sin⁡3θ) dθ=163(∫0π21 dθ−∫0π2sin⁡3θ dθ)I = 2 \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{8}{3}(1 - \sin^3\theta) \,\mathrm{d}\theta = \frac{16}{3} \left( \int_0^{\frac{\pi}{2}} 1\,\mathrm{d}\theta - \int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\theta \,\mathrm{d}\theta \right)

第一項積分為:

∫0π21 dθ=π2\int_0^{\frac{\pi}{2}} 1\,\mathrm{d}\theta = \frac{\pi}{2}

第二項我們可以使用 Wallis 積分公式,或者直接展開 sin⁡3θ=sin⁡θ(1−cos⁡2θ)\sin^3\theta = \sin\theta(1 - \cos^2\theta) 計算:

∫0π2sin⁡3θ dθ=∫0π2(1−cos⁡2θ)sin⁡θ dθ\int_0^{\frac{\pi}{2}} \sin^3\theta \,\mathrm{d}\theta = \int_0^{\frac{\pi}{2}} (1 - \cos^2\theta)\sin\theta \,\mathrm{d}\theta

令 u=cos⁡θ  ⟹  du=−sin⁡θ dθu = \cos\theta \implies \mathrm{d}u = -\sin\theta\,\mathrm{d}\theta:

=∫01(1−u2) du=[u−u33]01=1−13=23= \int_0^1 (1 - u^2)\,\mathrm{d}u = \left[ u - \frac{u^3}{3} \right]_0^1 = 1 - \frac{1}{3} = \frac{2}{3}

代回 II 的表達式:

I=163(π2−23)=8π3−329I = \frac{16}{3} \left( \frac{\pi}{2} - \frac{2}{3} \right) = \frac{8\pi}{3} - \frac{32}{9}

結論: 7. 填入 8π3−329\displaystyle \frac{8\pi}{3} - \frac{32}{9}。