Calculus · real student question

x² + y² − 7y = 0 と x² + y² − 9y = 0 の2つの円、および直線 y = x/√3 と x = 0 で囲まれた図形がある。その面積を極座標の積分で表し、値を求めよ。

Question

平面図形が次の曲線で囲まれている。

x2+y27y=0,x2+y29y=0,y=x3,x=0.x^2+y^2-7y=0,\qquad x^2+y^2-9y=0,\qquad y=\frac{x}{\sqrt{3}},\qquad x=0.

この図形の面積を極座標 (r,φ)(r,\varphi) の積分で表し、その値を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 2つの円を極形式に直す。 x=rcosφx=r\cos\varphiy=rsinφy=r\sin\varphi を代入すると x2+y2x^2+y^2r2r^2 になるので、x2+y27y=0x^2+y^2-7y=0r27rsinφ=0r^2-7r\sin\varphi=0、すなわち r(r7sinφ)=0r(r-7\sin\varphi)=0 となる。極 r=0r=0 を除けば r=7sinφr=7\sin\varphi が得られ、2つ目の円も同じ計算で r=9sinφr=9\sin\varphi となる。どちらも中心が yy 軸上にあり原点を通る円なので、この領域では動径は小さい方から大きい方まで動く:

    7sinφr9sinφ.7\sin\varphi \le r \le 9\sin\varphi.

  2. 2本の直線を角に直す。 原点を通る直線は、極座標では1本の半直線 φ=一定\varphi=\text{一定} になる。直線 x=0x=0yy 軸なので φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2}y=x3y=\tfrac{x}{\sqrt3} には極形式を代入して rsinφ=rcosφ3r\sin\varphi=\tfrac{r\cos\varphi}{\sqrt3}、よって tanφ=13\tan\varphi=\tfrac{1}{\sqrt3} となり φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6}。したがって角は

    π6φπ2\frac{\pi}{6}\le\varphi\le\frac{\pi}{2}

    の範囲を動く。

  3. 面積の積分を組み立てる。 極座標での面積要素は dS=rdrdφdS=r\,dr\,d\varphi である。余分な因子 rr はヤコビアンで、ここで最も忘れられやすい部分である。上で求めた範囲を使うと、

    S=π/6π/27sinφ9sinφrdrdφ.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi.

  4. rr についての内側の積分を実行する。 被積分関数が rr だけなので、内側の積分は平方の差になり、sin2φ\sin^2\varphi がきれいにくくり出せる:

    7sinφ9sinφrdr=(9sinφ)2(7sinφ)22=81492sin2φ=16sin2φ.\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr=\frac{(9\sin\varphi)^2-(7\sin\varphi)^2}{2}=\frac{81-49}{2}\sin^2\varphi=16\sin^2\varphi.

  5. 半角の公式を使って φ\varphi で積分する。 sin2φ\sin^2\varphi はそのままでは原始関数が見えないので、sin2φ=1cos2φ2\sin^2\varphi=\tfrac{1-\cos 2\varphi}{2} と書き直す:

    S=π/6π/216sin2φdφ=8π/6π/2(1cos2φ)dφ=8[φsin2φ2]π/6π/2.S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}16\sin^2\varphi\,d\varphi=8\int_{\pi/6}^{\pi/2}(1-\cos 2\varphi)\,d\varphi=8\left[\varphi-\frac{\sin 2\varphi}{2}\right]_{\pi/6}^{\pi/2}.

  6. 上端・下端で値を求める。 φ=π2\varphi=\tfrac{\pi}{2} では π2sinπ2=π2\tfrac{\pi}{2}-\tfrac{\sin\pi}{2}=\tfrac{\pi}{2}φ=π6\varphi=\tfrac{\pi}{6} では π612sinπ3=π634\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{1}{2}\sin\tfrac{\pi}{3}=\tfrac{\pi}{6}-\tfrac{\sqrt3}{4}。差をとって 88 倍すると:

    S=8(π2π6+34)=8π3+23=8π3+2311.84.S=8\left(\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{6}+\frac{\sqrt3}{4}\right)=8\cdot\frac{\pi}{3}+2\sqrt3=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt3\approx 11.84.

    同じ積分を数値計算すると 11.841711.8417 となり、閉じた形が正しいことが確認できる。

Answer

S=π/6π/27sinφ9sinφrdrdφ=8π3+2311.84S=\int_{\pi/6}^{\pi/2}\int_{7\sin\varphi}^{9\sin\varphi} r\,dr\,d\varphi=\frac{8\pi}{3}+2\sqrt{3}\approx 11.84

Need to solve a different problem like this? Open the solver →