題目
Problem
Evaluate the double integral
∬R20x2e−ydA,
where R={(x,y):0≤x≤3,0≤y≤2}.
(7) (7).
解答
解法一
思路
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- 本題要求在一個矩形區域 R=[0,3]×[0,2] 上計算二重積分。
- 觀察被積分函數 20x2e−y,它可以拆寫為獨立變數的乘積形式,即 f(x,y)=g(x)⋅h(y),其中 g(x)=20x2,h(y)=e−y。
- 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)
- 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:
∬R20x2e−ydA==∫03(∫0220x2e−ydy)dx20(∫03x2dx)(∫02e−ydy)
接下來分別計算這兩個積分:
- 計算關於 x 的積分:
∫03x2dx=[31x3]03=31(27)−0=9
- 計算關於 y 的積分:
∫02e−ydy=[−e−y]02=−e−2−(−e0)=1−e−2
將兩個積分結果乘回原式中:
∬R20x2e−ydA==20⋅9⋅(1−e−2)180(1−e−2)
因此,第 (7) 格答案為 180(1 - e^{-2})(或寫 180 - \frac{180}{e^2})。