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Calculus · real student question

2 ≤ x ≤ 3、0 ≤ y ≤ 2x-4、0 ≤ z ≤ 5x+5y-3 で表される領域 E 上で、2x - 4yz の三重積分を計算せよ。

Question

次を計算せよ。

∭E(2x−4yz) dV\iiint_E (2x-4yz)\,dV

積分領域は

E={(x,y,z)∣2≤x≤3,  0≤y≤2x−4,  0≤z≤5x+5y−3}E=\{(x,y,z)\mid 2\le x\le 3,\;0\le y\le 2x-4,\;0\le z\le 5x+5y-3\}

である。

Step-by-step solution

  1. 領域の記述から積分の順序を読み取る。 どの範囲も、それより左にある変数にしか依存していないので、この領域はすでに dz dy dxdz\,dy\,dx の形に整っている:

    ∫23∫02x−4∫05x+5y−3(2x−4yz) dz dy dx\int_{2}^{3}\int_{0}^{2x-4}\int_{0}^{5x+5y-3}(2x-4yz)\,dz\,dy\,dx

  2. まず zz で積分する。 xx と yy は定数とみなす。原始関数は 2xz−2yz22xz - 2yz^2 なので、00 から 5x+5y−35x+5y-3 まで評価すると

    2x(5x+5y−3)−2y(5x+5y−3)22x(5x+5y-3)-2y(5x+5y-3)^2

    が得られる。

  3. 被積分関数を展開する。 (5x+5y−3)2=25x2+25y2+9+50xy−30x−30y(5x+5y-3)^2 = 25x^2+25y^2+9+50xy-30x-30y なので、括弧の中は

    10x2+70xy−6x−50x2y−100xy2+60y2−50y3−18y10x^2+70xy-6x-50x^2y-100xy^2+60y^2-50y^3-18y

    になる。

  4. yy について 00 から a=2x−4a = 2x-4 まで積分する。 原始関数は

    (10x2−6x)y+35xy2−25x2y2−100x3y3+20y3−252y4−9y2(10x^2-6x)y+35xy^2-25x^2y^2-\tfrac{100x}{3}y^3+20y^3-\tfrac{25}{2}y^4-9y^2

    である。y=ay=a を代入すると xx だけの多項式が残る(y=0y=0 の側は何も寄与しない)。

  5. 終える前に役立つ確認を1つ。 a=2x−4a = 2x-4 は x=2x=2 で 00 になるので、下端では被積分関数全体が消える。もし式がそうならないなら、ここまでの計算のどこかで間違えている。

  6. 得られた xx の多項式を 22 から 33 まで積分する。 どの項も xx の累乗なので、この最後の手順は定型的である。厳密な有理数のまま計算を通すと

    ∭E(2x−4yz) dV=−268\iiint_E (2x-4yz)\,dV = -268

    が得られる。

  7. 要点。 ここでの本当の難所は計算の管理だけである。不等式が指示する順序で積分し、範囲を1つずつ代入し、次の変数に移る前に完全に展開すること。すべてを厳密な分数のまま保つこと。三重積分の途中で丸めることが、符号や桁の誤りが入り込む最大の原因である。

Answer

−268-268

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