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Calculus · real student question

x が 0 から π、y が 0 から 2 sin x まで動く領域で、x y^2 の重積分を計算せよ。

Question

次の重積分を計算せよ。

∬Rxy2 dA,R={(x,y):0≤x≤π, 0≤y≤2sin⁡x}.\iint_{R}xy^{2}\,dA,\qquad R=\{(x,y): 0\le x\le\pi,\ 0\le y\le 2\sin x\}.

Step-by-step solution

  1. 積分の順序を dy dxdy\,dx に選ぶ。 領域は下を y=0y=0、上を曲線 y=2sin⁡xy=2\sin x で挟まれ、xx は固定された区間 [0,π][0,\pi] を動く。この記述はすでに「xx の範囲は定数、yy の範囲は関数」という形になっているので、先に yy で積分すれば手間はかからない:

    ∫0π ⁣ ⁣∫02sin⁡xxy2 dy dx.\int_{0}^{\pi}\!\!\int_{0}^{2\sin x}xy^{2}\,dy\,dx.

    順序を逆にすると y=2sin⁡xy=2\sin x を逆に解き、領域を x=π/2x=\pi/2 で分割する必要があり、はるかに面倒である。

  2. xx を定数とみて内側の積分を実行する。

    ∫02sin⁡xxy2 dy=x[y33]02sin⁡x=x(2sin⁡x)33=83xsin⁡3x.\int_{0}^{2\sin x}xy^{2}\,dy=x\left[\frac{y^{3}}{3}\right]_{0}^{2\sin x}=\frac{x(2\sin x)^{3}}{3}=\frac{8}{3}x\sin^{3}x.

    外側の積分を厄介にしているのはこの3乗なので、次にそれを片づける。

  3. 3倍角の公式で sin⁡3x\sin^{3}x を1次に落とす。 sin⁡3x=3sin⁡x−4sin⁡3x\sin 3x=3\sin x-4\sin^{3}x から sin⁡3x=3sin⁡x−sin⁡3x4\sin^{3}x=\dfrac{3\sin x-\sin 3x}{4} が得られる。サインの累乗は xx を掛けたまま直接積分できないが、単独のサインなら部分積分で扱えるので:

    83∫0πxsin⁡3x dx=2∫0πxsin⁡x dx−23∫0πxsin⁡3x dx.\frac{8}{3}\int_{0}^{\pi}x\sin^{3}x\,dx=2\int_{0}^{\pi}x\sin x\,dx-\frac{2}{3}\int_{0}^{\pi}x\sin 3x\,dx.

  4. それぞれを u=xu=x として部分積分する。 ∫xsin⁡x dx=−xcos⁡x+sin⁡x\int x\sin x\,dx=-x\cos x+\sin x より:

    ∫0πxsin⁡x dx=[−xcos⁡x+sin⁡x]0π=π.\int_{0}^{\pi}x\sin x\,dx=\big[-x\cos x+\sin x\big]_{0}^{\pi}=\pi.

    ∫xsin⁡3x dx=−xcos⁡3x3+sin⁡3x9\int x\sin 3x\,dx=-\dfrac{x\cos 3x}{3}+\dfrac{\sin 3x}{9} より:

    ∫0πxsin⁡3x dx=[−xcos⁡3x3+sin⁡3x9]0π=π3,\int_{0}^{\pi}x\sin 3x\,dx=\left[-\frac{x\cos 3x}{3}+\frac{\sin 3x}{9}\right]_{0}^{\pi}=\frac{\pi}{3},

    ここで cos⁡3π=−1\cos 3\pi=-1、sin⁡3π=0\sin 3\pi=0 を使った。

  5. まとめて検算する。

    2(π)−23⋅π3=2π−2π9=16π9≈5.5851.2(\pi)-\frac{2}{3}\cdot\frac{\pi}{3}=2\pi-\frac{2\pi}{9}=\frac{16\pi}{9}\approx 5.5851.

    83xsin⁡3x\tfrac{8}{3}x\sin^{3}x を [0,π][0,\pi] 上で数値積分すると 5.58505365.5850536 となり、16π9=5.5850536\tfrac{16\pi}{9}=5.5850536 と一致する。RR 上ではどこでも x≥0x\ge0 かつ y2≥0y^{2}\ge0 なので、結果が正になるのは当然である。

Answer

16π9≈5.585\frac{16\pi}{9}\approx 5.585

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