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112 台灣大學微積分(C) 第 9 題

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112學年度 · 112台大微積分C · 第 9 題

題目

Problem

9. a. 01sin1yπ2cosx1+cos2xdxdy=(13)\int_0^1 \int_{\sin^{-1}y}^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\sqrt{1 + \cos^2 x}} \,\mathrm{d}x \mathrm{d}y = \underline{\quad (13) \quad} . b. 0202xx2x2+y2dydx=(14)\int_0^2 \int_0^{\sqrt{2x - x^2}} \sqrt{x^2 + y^2} \,\mathrm{d}y \mathrm{d}x = \underline{\quad (14) \quad} .

解答

解法一

思路

展開

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 xx 求導含有 cosx1+cos2x\frac{\cos x}{\sqrt{1+\cos^2 x}},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 DD0y10 \le y \le 1sin1yxπ2\sin^{-1}y \le x \le \frac{\pi}{2}
  • 邊界為 x=sin1y    y=sinxx = \sin^{-1}y \implies y = \sin x,以及 x=π2x = \frac{\pi}{2}
  • 轉換為先積 yy、後積 xx:外層 xx00π2\frac{\pi}{2};內層 yy 從下邊界 y=0y=0 到上邊界 y=sinxy=\sin x
  • 計算新的二重積分。

b. 求解第 (14) 題

  • 被積函數包含 x2+y2\sqrt{x^2+y^2},且積分區域邊界為 y=2xx2    x2+y2=2xy = \sqrt{2x-x^2} \implies x^2+y^2 = 2x(這是一個圓心在 (1,0)(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=2cosθr^2 = 2r\cos\theta \implies r = 2\cos\theta
  • 由於 y0y \ge 0x[0,2]x \in [0, 2],極角 θ\theta 的變化範圍為 [0,π2]\left[ 0, \frac{\pi}{2} \right]
  • 積分式轉化為: I=0π/202cosθrrdrdθI = \int_0^{\pi/2} \int_0^{2\cos\theta} r \cdot r \,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta 利用單變數積分與 Wallis 公式計算結果。

答題過程

展開

a. 求解第 (13) 題:交換積分順序

我們分析原積分的區域 DD

D={(x,y)  |  0y1, sin1yxπ2}D = \left\{ (x, y) \;\middle|\; 0 \le y \le 1, \ \sin^{-1}y \le x \le \frac{\pi}{2} \right\}

此區域邊界由 x=sin1y    y=sinxx = \sin^{-1}y \implies y = \sin x,以及水平線 y=0y = 0, y=1y = 1 與垂直線 x=π2x = \frac{\pi}{2} 圍成。

我們交換積分順序,改為先對 yy 積分、再對 xx 積分:

  • 橫向來看, xx 的範圍為 00π2\frac{\pi}{2}
  • 對於每一個固定的 xxyy 從下邊界 y=0y = 0 變化到上邊界曲線 y=sinxy = \sin x。 新積分區域表示為:
D={(x,y)  |  0xπ2, 0ysinx}D = \left\{ (x, y) \;\middle|\; 0 \le x \le \frac{\pi}{2}, \ 0 \le y \le \sin x \right. \}

重新寫為累次積分並求解:

Ia=0π20sinxcosx1+cos2xdydx=0π2cosx1+cos2x(0sinxdy)dx=0π2cosxsinx1+cos2xdx\begin{align*} I_a =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{\sin x} \frac{\cos x}{\sqrt{1 + \cos^2 x}} \,\mathrm{d}y \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x}{\sqrt{1 + \cos^2 x}} \left( \int_0^{\sin x} \mathrm{d}y \right) \mathrm{d}x \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \frac{\cos x \sin x}{\sqrt{1 + \cos^2 x}} \,\mathrm{d}x \end{align*}

我們使用換元法,令 u=1+cos2x    du=2cosxsinxdxu = 1 + \cos^2 x \implies \mathrm{d}u = -2\cos x \sin x \,\mathrm{d}x

  • x=0    u=1+12=2x = 0 \implies u = 1 + 1^2 = 2
  • x=π2    u=1+0=1x = \frac{\pi}{2} \implies u = 1 + 0 = 1

代入積分式中:

Ia=211u(12du)=1212u1/2du=12[2u]12=21I_a = \int_2^1 \frac{1}{\sqrt{u}} \left( -\frac{1}{2} \mathrm{d}u \right) = \frac{1}{2} \int_1^2 u^{-1/2} \,\mathrm{d}u = \frac{1}{2} \left[ 2\sqrt{u} \right]_1^2 = \sqrt{2} - 1

b. 求解第 (14) 題:極座標變換

我們分析原積分的區域 DD

D={(x,y)  |  0x2, 0y2xx2}D = \left\{ (x, y) \;\middle|\; 0 \le x \le 2, \ 0 \le y \le \sqrt{2x - x^2} \right\}

邊界曲線為:

y=2xx2    y2=2xx2    (x1)2+y2=1(其中 y0)y = \sqrt{2x - x^2} \implies y^2 = 2x - x^2 \implies (x-1)^2 + y^2 = 1 \quad (\text{其中 } y \ge 0)

這是一個圓心在 (1,0)(1,0)、半徑為 11 的上半圓。

我們引入極座標變換:

x=rcosθ,y=rsinθ,dA=rdrdθx = r\cos\theta, \quad y = r\sin\theta, \quad \mathrm{d}A = r\,\mathrm{d}r\mathrm{d}\theta

此時被積函數為:

x2+y2=r\sqrt{x^2 + y^2} = r

邊界圓的極座標方程式為:

r2=2rcosθ    r=2cosθr^2 = 2r\cos\theta \implies r = 2\cos\theta

由於區域位於第一象限,極角 θ\theta 的變化範圍為:

0θπ20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}

對於每個固定的角度 θ\theta,極半徑 rr 的範圍為:

0r2cosθ0 \le r \le 2\cos\theta

代入二重積分公式,寫為累次積分:

Ib=0π202cosθ(r)rdrdθ=0π2[13r3]02cosθdθ=830π2cos3θdθ\begin{align*} I_b =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \int_0^{2\cos\theta} (r) \cdot r \,\mathrm{d}r \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \int_0^{\frac{\pi}{2}} \left[ \frac{1}{3} r^3 \right]_0^{2\cos\theta} \mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\, \frac{8}{3} \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta \end{align*}

利用三角積分公式 0π2cos3θdθ=23\displaystyle \int_0^{\frac{\pi}{2}} \cos^3\theta \,\mathrm{d}\theta = \frac{2}{3}

Ib=8323=169I_b = \frac{8}{3} \cdot \frac{2}{3} = \frac{16}{9}

結論:

  • (13) 處應填入 21\sqrt{2} - 1
  • (14) 處應填入 169\displaystyle \frac{16}{9}