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113 台聯大微積分(A3/A4/A6) 第 5 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 5 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:
∬R(x+y)ex2−y2 dA ,\iint_{R} (x + y)e^{x^2 - y^2} \,\mathrm{d}A \,,

where RR is the rectangle enclosed by the line x−y=0x - y = 0, x−y=2x - y = 2, x+y=0x + y = 0, and x+y=3x + y = 3.

解答

解法一

思路

展開
  1. 本題要在矩形區域 RR 上計算二重積分 ∬R(x+y)ex2−y2 dA\iint_R (x+y)e^{x^2-y^2} \,\mathrm{d}A。
  2. 觀察邊界條件和被積函數,含有 x+yx+y 與 x−yx-y。這提示我們應使用旋轉變數變換 (Change of Variables)。
  3. 第一步:定義新變數並確定範圍:
    • 令 u=x+yu = x + y 且 v=x−yv = x - y。
    • 由邊界條件:
      • x+y=0  ⟹  u=0x + y = 0 \implies u = 0, x+y=3  ⟹  u=3x + y = 3 \implies u = 3。故 0≤u≤30 \le u \le 3。
      • x−y=0  ⟹  v=0x - y = 0 \implies v = 0, x−y=2  ⟹  v=2x - y = 2 \implies v = 2。故 0≤v≤20 \le v \le 2。
  4. 第二步:計算雅可比行列式 (Jacobian Determinant):
    • 我們可以由 u,vu, v 對 x,yx, y 的偏導求倒數: J−1=∂(u,v)∂(x,y)=det⁡(∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y)=det⁡(111−1)=−2J^{-1} = \frac{\partial(u,v)}{\partial(x,y)} = \det \begin{pmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} & \frac{\partial u}{\partial y} \\ \frac{\partial v}{\partial x} & \frac{\partial v}{\partial y} \end{pmatrix} = \det \begin{pmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{pmatrix} = -2
    • 雅可比行列式絕對值為: ∣J∣=∣1J−1∣=12|J| = \left| \frac{1}{J^{-1}} \right| = \frac{1}{2}。
    • 因此,面積微元為 dA=dxdy=12dudv\mathrm{d}A = \mathrm{d}x\mathrm{d}y = \frac{1}{2} \mathrm{d}u\mathrm{d}v。
  5. 第三步:將被積函數轉換並進行累次積分:
    • 被積函數為 (x+y)ex2−y2=(x+y)e(x−y)(x+y)=ueuv(x+y)e^{x^2-y^2} = (x+y)e^{(x-y)(x+y)} = u e^{uv}。
    • 積分式為: I=∫03∫02ueuv(12)dvduI = \int_0^3 \int_0^2 u e^{uv} \left( \frac{1}{2} \right) \mathrm{d}v\mathrm{d}u
    • 依序對 vv 與 uu 積分。

答題過程

展開

我們引入變數變換,令:

u=x+y,v=x−yu = x + y, \quad v = x - y

根據題目給定的矩形邊界,變換後的積分區域 DuvD_{uv} 範圍為:

  • x+y=0  ⟹  u=0x + y = 0 \implies u = 0
  • x+y=3  ⟹  u=3x + y = 3 \implies u = 3
  • x−y=0  ⟹  v=0x - y = 0 \implies v = 0
  • x−y=2  ⟹  v=2x - y = 2 \implies v = 2 因此,新區域為矩形: 0≤u≤3, 0≤v≤20 \le u \le 3, \ 0 \le v \le 2。

我們計算雅可比行列式(Jacobian)以轉換面積微元。首先計算其逆變換的行列式:

∂(u,v)∂(x,y)=∣∂u∂x∂u∂y∂v∂x∂v∂y∣=∣111−1∣=(1)(−1)−(1)(1)=−2\frac{\partial(u, v)}{\partial(x, y)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial u}{\partial x} & \frac{\partial u}{\partial y} \\[1mm] \frac{\partial v}{\partial x} & \frac{\partial v}{\partial y} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} 1 & 1 \\ 1 & -1 \end{vmatrix} = (1)(-1) - (1)(1) = -2

因此,雅可比行列式的絕對值為:

∣∂(x,y)∂(u,v)∣=∣1−2∣=12  ⟹  dxdy=12dudv\left| \frac{\partial(x, y)}{\partial(u, v)} \right| = \left| \frac{1}{-2} \right| = \frac{1}{2} \implies \mathrm{d}x\mathrm{d}y = \frac{1}{2} \mathrm{d}u\mathrm{d}v

我們將被積函數改寫為 uu 與 vv 的表示式:

(x+y)ex2−y2=(x+y)e(x+y)(x−y)=ueuv(x + y)e^{x^2 - y^2} = (x + y)e^{(x + y)(x - y)} = u e^{uv}

代入二重積分並進行計算:

I= ∫03∫02ueuv(12)dvdu= 12∫03u(∫02euv dv)du\begin{align*} I =&\, \int_0^3 \int_0^2 u e^{uv} \left( \frac{1}{2} \right) \mathrm{d}v\mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_0^3 u \left( \int_0^2 e^{uv} \,\mathrm{d}v \right) \mathrm{d}u \end{align*}

計算內層關於 vv 的積分(此時 uu 視為常數):

∫02euv dv=[euvu]v=0v=2=e2u−1u\int_0^2 e^{uv} \,\mathrm{d}v = \left[ \frac{e^{uv}}{u} \right]_{v=0}^{v=2} = \frac{e^{2u} - 1}{u}

將其代回外層積分式中, uu 被消去:

I= 12∫03u⋅(e2u−1u)du= 12∫03(e2u−1)du= 12[12e2u−u]03= 12((12e6−3)−(12e0−0))= 12(12e6−3−12)= 12(12e6−72)=e6−74\begin{align*} I =&\, \frac{1}{2} \int_0^3 u \cdot \left( \frac{e^{2u} - 1}{u} \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \int_0^3 \left( e^{2u} - 1 \right) \mathrm{d}u \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left[ \frac{1}{2}e^{2u} - u \right]_0^3 \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \left( \frac{1}{2}e^{6} - 3 \right) - \left( \frac{1}{2}e^0 - 0 \right) \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2}e^6 - 3 - \frac{1}{2} \right) \\[4mm] =&\, \frac{1}{2} \left( \frac{1}{2}e^6 - \frac{7}{2} \right) = \frac{e^6 - 7}{4} \end{align*}

結論: 5. 填入 e6−74\displaystyle \frac{e^6 - 7}{4}。