Calculus · real student question

จงหาค่าปริพันธ์สองชั้นของ x y^2 บนบริเวณที่ x วิ่งจาก 0 ถึง pi และ y วิ่งจาก 0 ถึง 2 sin x

Question

จงหาค่าปริพันธ์สองชั้น

Rxy2dA,R={(x,y):0xπ, 0y2sinx}.\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. เลือกลำดับ dydxdy\,dx บริเวณนี้ถูกล้อมด้านล่างด้วย y=0y=0 และด้านบนด้วยเส้นโค้ง y=2sinxy=2\sin x โดย xx วิ่งบนช่วงคงที่ [0,π][0,\pi] คำบรรยายนี้อยู่ในรูป "ขอบเขต xx เป็นค่าคงตัว ขอบเขต yy เป็นฟังก์ชัน" อยู่แล้ว การอินทิเกรตตาม yy ก่อนจึงไม่ต้องเตรียมอะไรเพิ่ม

    0π ⁣ ⁣02sinxxy2dydx.\int_{0}^{\pi}\!\!\int_{0}^{2\sin x}xy^{2}\,dy\,dx.

    ถ้ากลับลำดับ เราจะต้องหาฟังก์ชันผกผันของ y=2sinxy=2\sin x และแบ่งบริเวณที่ x=π/2x=\pi/2 ซึ่งแย่กว่ามาก

  2. หาปริพันธ์ชั้นใน โดยมอง xx เป็นค่าคงตัว

    02sinxxy2dy=x[y33]02sinx=x(2sinx)33=83xsin3x.\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.

    กำลังสามนี่แหละที่ทำให้ปริพันธ์ชั้นนอกยุ่งยาก จึงต้องจัดการมันเป็นลำดับต่อไป

  3. ทำ sin3x\sin^{3}x ให้เป็นเชิงเส้นด้วยเอกลักษณ์มุมสามเท่า จาก sin3x=3sinx4sin3x\sin 3x=3\sin x-4\sin^{3}x จะได้ sin3x=3sinxsin3x4\sin^{3}x=\dfrac{3\sin x-\sin 3x}{4} กำลังของไซน์อินทิเกรตคู่กับ xx ตรง ๆ ไม่ได้ แต่ไซน์ เดี่ยว ๆ จัดการได้ด้วยการอินทิเกรตทีละส่วน ดังนั้น

    830πxsin3xdx=20πxsinxdx230πxsin3xdx.\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. อินทิเกรตทีละส่วนกับแต่ละก้อน โดยให้ u=xu=x สำหรับ xsinxdx=xcosx+sinx\int x\sin x\,dx=-x\cos x+\sin x

    0πxsinxdx=[xcosx+sinx]0π=π.\int_{0}^{\pi}x\sin x\,dx=\big[-x\cos x+\sin x\big]_{0}^{\pi}=\pi.

    สำหรับ xsin3xdx=xcos3x3+sin3x9\int x\sin 3x\,dx=-\dfrac{x\cos 3x}{3}+\dfrac{\sin 3x}{9}

    0πxsin3xdx=[xcos3x3+sin3x9]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},

    โดยใช้ cos3π=1\cos 3\pi=-1 และ sin3π=0\sin 3\pi=0

  5. รวมผลและตรวจคำตอบ

    2(π)23π3=2π2π9=16π95.5851.2(\pi)-\frac{2}{3}\cdot\frac{\pi}{3}=2\pi-\frac{2\pi}{9}=\frac{16\pi}{9}\approx 5.5851.

    การอินทิเกรตเชิงตัวเลขของ 83xsin3x\tfrac{8}{3}x\sin^{3}x บน [0,π][0,\pi] ให้ 5.58505365.5850536 ตรงกับ 16π9=5.5850536\tfrac{16\pi}{9}=5.5850536 ผลลัพธ์เป็นบวกตามที่ควรจะเป็น เพราะ x0x\ge0 และ y20y^{2}\ge0 ทุกจุดบน RR

Answer

16π95.585\frac{16\pi}{9}\approx 5.585

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