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Calculus · real student question

領域 −1 ≤ x ≤ 1、x² ≤ y ≤ 1 上での y の二重積分を求めよ。

Question

次を求めよ。

∫−11 ⁣ ⁣∫x21y dy dx\int_{-1}^{1}\!\!\int_{x^2}^{1} y\,dy\,dx

Step-by-step solution

  1. 領域を特定する。 [−1,1][-1,1] の各 xx について、切片は放物線 y=x2y=x^2 から直線 y=1y=1 まで伸びる。2 曲線は x2=1x^2=1 すなわち x=±1x=\pm 1 で交わるので、領域はちょうど放物線と水平な直線で囲まれた部分——閉じていて有界、しかも yy 軸について対称である。

  2. 積分区間が xx に依存するので、まず yy で積分する。

    ∫x21y dy=[y22]y=x2y=1=12−(x2)22=1−x42\int_{x^2}^{1} y\,dy=\left[\frac{y^2}{2}\right]_{y=x^2}^{y=1}=\frac{1}{2}-\frac{\left(x^2\right)^2}{2}=\frac{1-x^4}{2}

    (x2)2=x4\left(x^2\right)^2=x^4 であって x2x^2 ではない点に注意する——下端を 2 乗する段階が 4 次を生む。

  3. 偶関数の対称性で手間を半分にする。 関数 1−x42\tfrac{1-x^4}{2} は偶関数なので

    ∫−111−x42 dx=2∫011−x42 dx=∫01(1−x4)dx\int_{-1}^{1}\frac{1-x^4}{2}\,dx=2\int_0^1\frac{1-x^4}{2}\,dx=\int_0^1\left(1-x^4\right)dx

  4. 外側の積分を仕上げる。

    ∫01(1−x4)dx=[x−x55]01=1−15=45\int_0^1\left(1-x^4\right)dx=\left[x-\frac{x^5}{5}\right]_0^1=1-\frac15=\frac45

  5. 重心の解釈で検算する。 領域の面積は ∫−11(1−x2)dx=2−23=43\int_{-1}^1\left(1-x^2\right)dx=2-\tfrac23=\tfrac43 である。∬y dA=yˉ⋅面積\iint y\,dA=\bar y\cdot\text{面積} なので、この答えは重心の高さ

    yˉ=4/54/3=35=0.6\bar y=\frac{4/5}{4/3}=\frac{3}{5}=0.6

    を意味する。これは筋の通る値である。領域は y=1y=1 の近くで最も幅広く、y=0y=0 では 1 点に絞られるので、重心は中点の y=0.5y=0.5 より上にあるはずである ✓\checkmark。

Answer

45\frac{4}{5}

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