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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 4 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A3/A4/A6

113學年度 · 113微積分A3/A4/A6 · 第 4 題

題目

Problem

甲、填充題:共8題,每題8分,共64分。請在答案卷上列出題號依序作答。

  1. Evaluate the double integral:
∬D(x2+y2)3/2 dA ,\iint_{D} (x^2 + y^2)^{3/2} \,\mathrm{d}A \,,

where DD is the region in the first quadrant bounded by the lines y=0y = 0 and y=3xy = \sqrt{3}x and the circle x2+y2=9x^2 + y^2 = 9.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要求計算在區域 DD 上的二重積分 ∬D(x2+y2)3/2 dA\iint_D (x^2+y^2)^{3/2} \,\mathrm{d}A。
  2. 觀察被積函數包含 x2+y2x^2+y^2,且積分區域是由圓和過原點的直線圍成的。這提示我們應使用極座標變換 (Polar Coordinates)。
  3. 第一步:建立極座標變換:
    • x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r drdθx = r\cos\theta, y = r\sin\theta, \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta。
    • 被積函數化為: (r2)3/2=r3(r^2)^{3/2} = r^3。
  4. 第二步:分析積分區域的極半徑 rr 與極角 θ\theta 的範圍:
    • 邊界圓為 x2+y2=9  ⟹  r2=9  ⟹  r=3x^2+y^2 = 9 \implies r^2 = 9 \implies r = 3。所以極半徑範圍為 0≤r≤30 \le r \le 3。
    • 邊界直線一為 y=0  ⟹  θ=0y = 0 \implies \theta = 0。
    • 邊界直線二為 y=3x  ⟹  tan⁡θ=3  ⟹  θ=π3y = \sqrt{3}x \implies \tan\theta = \sqrt{3} \implies \theta = \frac{\pi}{3}(第一象限)。
    • 故極角範圍為 0≤θ≤π30 \le \theta \le \frac{\pi}{3}。
  5. 第三步:寫出累次積分式並計算: I=∫0π/3∫03r3⋅r drdθ=∫0π/3∫03r4 drdθI = \int_0^{\pi/3} \int_0^3 r^3 \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta = \int_0^{\pi/3} \int_0^3 r^4 \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

答題過程

展開

我們引入極座標變換:

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r drdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

將被積函數轉換為極座標表示形式:

(x2+y2)3/2=(r2)3/2=r3(x^2 + y^2)^{3/2} = (r^2)^{3/2} = r^3

接著分析積分區域 DD 在第一象限的極座標範圍:

  1. 極半徑 rr 的範圍: 由圓方程式 x2+y2=9x^2 + y^2 = 9 得到 r2=9  ⟹  r=3r^2 = 9 \implies r = 3。故 0≤r≤30 \le r \le 3。
  2. 極角 θ\theta 的範圍:
    • 由 y=0y = 0(xx 軸)得 θ=0\theta = 0。
    • 由 y=3xy = \sqrt{3}x 得到 tan⁡θ=3\tan\theta = \sqrt{3}。在第一象限內,解得 θ=π3\theta = \frac{\pi}{3}。
    • 故極角範圍為 0≤θ≤π30 \le \theta \le \frac{\pi}{3}。

代入二重積分公式,寫成累次積分:

I= ∫0π3∫03r3⋅r drdθ= ∫0π3∫03r4 drdθ= (∫0π3dθ)(∫03r4 dr)= [θ]0π3⋅[15r5]03= π3⋅2435=81π5\begin{align*} I =&\, \int_0^{\frac{\pi}{3}} \int_0^3 r^3 \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{3}} \int_0^3 r^4 \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \left( \int_0^{\frac{\pi}{3}} \mathrm{d}\theta \right) \left( \int_0^3 r^4 \,\mathrm{d}r \right) \\[4mm] =&\, \Big[ \theta \Big]_0^{\frac{\pi}{3}} \cdot \left[ \frac{1}{5}r^5 \right]_0^3 \\[4mm] =&\, \frac{\pi}{3} \cdot \frac{243}{5} = \frac{81\pi}{5} \end{align*}

結論: 4. 填入 81π5\displaystyle \frac{81\pi}{5}。