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Calculus · real student question

円 x^2 + y^2 = 4 の右半分に沿って、y が増加する向きに (e^x sin y - xy) dx + (xy + e^x cos y) dy の線積分を計算せよ。

Question

次を計算せよ。

∫L(exsin⁡y−xy)dx+(xy+excos⁡y)dy,\int_L \left(e^{x}\sin y-xy\right)dx+\left(xy+e^{x}\cos y\right)dy,

ここで LL は円 x2+y2=4x^2+y^2=4 の右半分(すなわち x≥0x\ge 0 の部分)で、yy が増加する向きにたどるものとする。

Step-by-step solution

  1. 経路とその端点を確定する。 x2+y2=4x^2+y^2=4 の右半分は (2,0)(2,0) を通って (0,−2)(0,-2) と (0,2)(0,2) を結ぶ。yy が増加する向きということは、(0,−2)(0,-2) から出発して (0,2)(0,2) で終わるということである。端点を押さえておくことが大事なのは、被積分式の一部が経路によらないことが後で分かるからである。

  2. 媒介変数表示の前に完全性を調べる。 P=exsin⁡y−xyP=e^x\sin y-xy、Q=xy+excos⁡yQ=xy+e^x\cos y とすると、

    Py=excos⁡y−x,Qx=y+excos⁡y.P_y=e^x\cos y-x,\qquad Q_x=y+e^x\cos y.

    これらは等しくないので、このベクトル場は保存場ではなく、積分全体が経路によらないとは言えない。しかし食い違っているのは −xy-xy と xyxy の項だけである。

  3. 完全微分の部分を切り出す。 次に注意する:

    d ⁣(exsin⁡y)=exsin⁡y dx+excos⁡y dy,d\!\left(e^x\sin y\right)=e^x\sin y\,dx+e^x\cos y\,dy,

    つまりこの2項は完全微分をなし、端点だけで決まる:

    ∫Lexsin⁡y dx+excos⁡y dy=[exsin⁡y](0,−2)(0,2)=sin⁡2−sin⁡(−2)=2sin⁡2.\int_L e^x\sin y\,dx+e^x\cos y\,dy=\Big[e^x\sin y\Big]_{(0,-2)}^{(0,2)}=\sin 2-\sin(-2)=2\sin 2.

  4. 残りの部分を媒介変数表示する。 ∫L−xy dx+xy dy\displaystyle\int_L -xy\,dx+xy\,dy には x=2cos⁡tx=2\cos t、y=2sin⁡ty=2\sin t、tt は −π2-\tfrac{\pi}{2} から π2\tfrac{\pi}{2} までを使う(これで x≥0x\ge 0 が保たれ yy が増加するので、指定された向きと合う)。すると dx=−2sin⁡t dtdx=-2\sin t\,dt、dy=2cos⁡t dtdy=2\cos t\,dt、xy=4sin⁡tcos⁡txy=4\sin t\cos t となり:

    ∫−π/2π/2(8sin⁡2tcos⁡t+8sin⁡tcos⁡2t)dt.\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\left(8\sin^2 t\cos t+8\sin t\cos^2 t\right)dt.

  5. 対称性を使い、それから置換する。 sin⁡tcos⁡2t\sin t\cos^2 t は対称な区間で奇関数なので、その積分は 00 である。もう一方の項には u=sin⁡tu=\sin t と置く:

    8∫−11u2 du=8⋅23=163.8\int_{-1}^{1}u^2\,du=8\cdot\frac{2}{3}=\frac{16}{3}.

  6. 2つの寄与を足す。 線積分は

    163+2sin⁡2≈7.1519,\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.1519,

    となり、媒介変数表示した積分を直接数値計算した値と小数第5位まで一致する。

Answer

163+2sin⁡2≈7.152\frac{16}{3}+2\sin 2\approx 7.152

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