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114 台聯大微積分 A2 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台聯大 / 微積分A2

114學年度 · 114微積分A2 · 第 7 題

題目

Problem

Evaluate the double integral

R20x2eydA,\iint_{R} 20x^2 e^{-y} \,\mathrm{d}A,

where R={(x,y):0x3,0y2}R = \big\{ (x,y) : 0 \le x \le 3,\, 0 \le y \le 2 \big\}.

(7) (7)\underline{\quad(7)\quad}.

解答

解法一

思路

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  1. 本題要求在一個矩形區域 R=[0,3]×[0,2]R = [0, 3] \times [0, 2] 上計算二重積分。
  2. 觀察被積分函數 20x2ey20x^2 e^{-y},它可以拆寫為獨立變數的乘積形式,即 f(x,y)=g(x)h(y)f(x, y) = g(x) \cdot h(y),其中 g(x)=20x2g(x) = 20x^2h(y)=eyh(y) = e^{-y}
  3. 根據富比尼定理 (Fubini’s Theorem),在矩形區域上,若被積分函數是獨立變數的乘積形式,則該二重積分可以直接拆成兩個一重定積分的乘積: Rg(x)h(y)dA=(abg(x)dx)(cdh(y)dy)\iint_{R} g(x)h(y)\,\mathrm{d}A = \left( \int_{a}^{b} g(x)\,\mathrm{d}x \right) \left( \int_{c}^{d} h(y)\,\mathrm{d}y \right)
  4. 分別求出這兩個簡單的一元定積分並相乘,即可快速得到答案。

答題過程

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根據富比尼定理,我們將二重積分拆為兩個一重定積分的乘積:

R20x2eydA=03(0220x2eydy)dx=20(03x2dx)(02eydy)\begin{align*} \iint_{R} 20x^2 e^{-y} \,\mathrm{d}A =&\, \int_{0}^{3} \left( \int_{0}^{2} 20x^2 e^{-y} \,\mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, 20 \left( \int_{0}^{3} x^2 \,\mathrm{d}x \right) \left( \int_{0}^{2} e^{-y} \,\mathrm{d}y \right) \end{align*}

接下來分別計算這兩個積分:

  1. 計算關於 xx 的積分: 03x2dx=[13x3]03=13(27)0=9\int_{0}^{3} x^2 \,\mathrm{d}x = \left[ \frac{1}{3}x^3 \right]_{0}^{3} = \frac{1}{3}(27) - 0 = 9
  2. 計算關於 yy 的積分: 02eydy=[ey]02=e2(e0)=1e2\int_{0}^{2} e^{-y} \,\mathrm{d}y = \left[ -e^{-y} \right]_{0}^{2} = -e^{-2} - (-e^0) = 1 - e^{-2}

將兩個積分結果乘回原式中:

R20x2eydA=209(1e2)=180(1e2)\begin{align*} \iint_{R} 20x^2 e^{-y} \,\mathrm{d}A =&\, 20 \cdot 9 \cdot (1 - e^{-2}) \\[4mm] =&\, 180(1 - e^{-2}) \end{align*}

因此,第 (7) 格答案為 180(1 - e^{-2})(或寫 180 - \frac{180}{e^2})。