題目
Problem
9. a. ∫01∫sin−1y2π1+cos2xcosxdxdy=(13).
b. ∫02∫02x−x2x2+y2dydx=(14).
解答
解法一
思路
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本題包含兩小問,分別考察二重積分中「交換積分順序」與「極座標變換」的技巧。
a. 求解第 (13) 題
- 原積分內層對 x 求導含有 1+cos2xcosx,其原函數不便直接求解。這提示我們應交換積分順序。
- 分析積分區域 D: 0≤y≤1 且 sin−1y≤x≤2π。
- 邊界為 x=sin−1y⟹y=sinx,以及 x=2π。
- 轉換為先積 y、後積 x:外層 x 從 0 到 2π;內層 y 從下邊界 y=0 到上邊界 y=sinx。
- 計算新的二重積分。
b. 求解第 (14) 題
- 被積函數包含 x2+y2,且積分區域邊界為 y=2x−x2⟹x2+y2=2x(這是一個圓心在 (1,0)、半徑為 1 的圓在第一象限的部分)。這提示我們應使用極座標變換。
- 極座標邊界: r2=2rcosθ⟹r=2cosθ。
- 由於 y≥0 且 x∈[0,2],極角 θ 的變化範圍為 [0,2π]。
- 積分式轉化為:
I=∫0π/2∫02cosθr⋅rdrdθ
利用單變數積分與 Wallis 公式計算結果。
答題過程
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a. 求解第 (13) 題:交換積分順序
我們分析原積分的區域 D:
D={(x,y)0≤y≤1, sin−1y≤x≤2π}
此區域邊界由 x=sin−1y⟹y=sinx,以及水平線 y=0, y=1 與垂直線 x=2π 圍成。
我們交換積分順序,改為先對 y 積分、再對 x 積分:
- 橫向來看, x 的範圍為 0 到 2π。
- 對於每一個固定的 x, y 從下邊界 y=0 變化到上邊界曲線 y=sinx。
新積分區域表示為:
D={(x,y)0≤x≤2π, 0≤y≤sinx}
重新寫為累次積分並求解:
Ia===∫02π∫0sinx1+cos2xcosxdydx∫02π1+cos2xcosx(∫0sinxdy)dx∫02π1+cos2xcosxsinxdx
我們使用換元法,令 u=1+cos2x⟹du=−2cosxsinxdx:
- 當 x=0⟹u=1+12=2。
- 當 x=2π⟹u=1+0=1。
代入積分式中:
Ia=∫21u1(−21du)=21∫12u−1/2du=21[2u]12=2−1
b. 求解第 (14) 題:極座標變換
我們分析原積分的區域 D:
D={(x,y)0≤x≤2, 0≤y≤2x−x2}
邊界曲線為:
y=2x−x2⟹y2=2x−x2⟹(x−1)2+y2=1(其中 y≥0)
這是一個圓心在 (1,0)、半徑為 1 的上半圓。
我們引入極座標變換:
x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθ
此時被積函數為:
x2+y2=r
邊界圓的極座標方程式為:
r2=2rcosθ⟹r=2cosθ
由於區域位於第一象限,極角 θ 的變化範圍為:
0≤θ≤2π
對於每個固定的角度 θ,極半徑 r 的範圍為:
0≤r≤2cosθ
代入二重積分公式,寫為累次積分:
Ib===∫02π∫02cosθ(r)⋅rdrdθ∫02π[31r3]02cosθdθ38∫02πcos3θdθ
利用三角積分公式 ∫02πcos3θdθ=32:
Ib=38⋅32=916
結論:
- (13) 處應填入 2−1。
- (14) 處應填入 916。