Calculus · real student question

頂点が (0, 0)、(π, 0)、(π, π) の三角形領域の上で、x cos(x + y) の重積分を計算せよ。

Question

次を計算せよ。

Rxcos(x+y)dA\iint_R x\cos(x+y)\,dA

ここで RR(0,0)(0,0)(π,0)(\pi,0)(π,π)(\pi,\pi) を頂点とする三角形である。

Step-by-step solution

  1. 3つの頂点を境界の式に翻訳する。 (0,0)(0,0) から (π,0)(\pi,0) への辺は y=0y=0 上にあり、(π,0)(\pi,0) から (π,π)(\pi,\pi) への辺は鉛直線 x=πx=\pi(0,0)(0,0) から (π,π)(\pi,\pi) への辺は直線 y=xy=x である。したがってこの三角形は 0xπ0\le x\le\pi かつ 0yx0\le y\le x を満たす点の集合である。

  2. 積分の順序を dydxdy\,dx に選ぶ。 先に yy で積分すれば xx の範囲は定数(00 から π\pi)のままで、yy の範囲は 00xx という簡単な2つの関数になる。さらに内側の積分では xx が定数なので、因子 xx を外に出せるのも都合がよい:

    0π ⁣ ⁣0xxcos(x+y)dydx.\int_0^\pi\!\!\int_0^x x\cos(x+y)\,dy\,dx.

  3. 内側の積分を実行する。 xx を固定すると cos(x+y)dy=sin(x+y)\int\cos(x+y)\,dy=\sin(x+y) なので:

    x[sin(x+y)]y=0y=x=x(sin2xsinx).x\Big[\sin(x+y)\Big]_{y=0}^{y=x}=x\big(\sin 2x-\sin x\big).

  4. 0πxsin2xdx\int_0^\pi x\sin 2x\,dx を部分積分で処理する。 u=xu=xdv=sin2xdxdv=\sin 2x\,dx とすると du=dxdu=dxv=cos2x2v=-\tfrac{\cos 2x}{2} で:

    [xcos2x2]0π+120πcos2xdx=π2+[sin2x4]0π=π2.\left[-\frac{x\cos 2x}{2}\right]_0^\pi+\frac12\int_0^\pi\cos 2x\,dx=-\frac{\pi}{2}+\left[\frac{\sin 2x}{4}\right]_0^\pi=-\frac{\pi}{2}.

  5. 0πxsinxdx\int_0^\pi x\sin x\,dx も同じように処理する。 u=xu=xv=cosxv=-\cos x として:

    [xcosx]0π+0πcosxdx=π+[sinx]0π=π.\Big[-x\cos x\Big]_0^\pi+\int_0^\pi\cos x\,dx=\pi+\Big[\sin x\Big]_0^\pi=\pi.

  6. 2つを組み合わせる。 外側の積分は2つの結果の差である:

    Rxcos(x+y)dA=π2π=3π24.712.\iint_R x\cos(x+y)\,dA=-\frac{\pi}{2}-\pi=-\frac{3\pi}{2}\approx -4.712.

    答えが負になるのは予想通りである。この三角形の大部分で x+yx+yπ2\tfrac{\pi}{2}3π2\tfrac{3\pi}{2} の間にあり、そこで cos(x+y)\cos(x+y) は負であり、しかも重み xx がまさにその領域で最大になるからである。数値積分すると 4.71239-4.71239 となり、3π2-\tfrac{3\pi}{2} と一致する。

Answer

3π24.712-\frac{3\pi}{2}\approx -4.712

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