Calculus · real student question

Вычислить двойной интеграл от x·y² по области, где x меняется от 0 до π, а y — от 0 до 2 sin x.

Question

Вычислить двойной интеграл

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. Выбираем порядок dydxdy\,dx. Область снизу ограничена прямой y=0y=0, сверху — кривой y=2sinxy=2\sin x, а xx пробегает фиксированный отрезок [0,π][0,\pi]. Такое описание уже имеет вид «постоянные пределы по xx, функциональные пределы по yy», поэтому интегрирование сначала по yy не требует никакой подготовки:

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

    При обратном порядке пришлось бы обращать зависимость y=2sinxy=2\sin x и разбивать область в точке x=π/2x=\pi/2 — это заметно хуже.

  2. Берём внутренний интеграл, считая xx постоянным.

    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.

    Именно куб делает внешний интеграл неудобным, поэтому им и займёмся дальше.

  3. Понижаем степень sin3x\sin^{3}x формулой тройного угла. Из sin3x=3sinx4sin3x\sin 3x=3\sin x-4\sin^{3}x получаем sin3x=3sinxsin3x4\sin^{3}x=\dfrac{3\sin x-\sin 3x}{4}. Степени синуса нельзя проинтегрировать в произведении с xx напрямую, а вот первые степени синуса берутся по частям, поэтому:

    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. Каждое слагаемое интегрируем по частям, взяв u=xu=x. Для 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.

    Для 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},

    здесь использованы значения cos3π=1\cos 3\pi=-1 и sin3π=0\sin 3\pi=0.

  5. Складываем и проверяем.

    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.

    Численное интегрирование 83xsin3x\tfrac{8}{3}x\sin^{3}x по [0,π][0,\pi] даёт 5.58505365.5850536, что совпадает с 16π9=5.5850536\tfrac{16\pi}{9}=5.5850536. Результат положителен, как и должно быть: во всей области RR выполнено x0x\ge0 и y20y^{2}\ge0.

Answer

16π95.585\frac{16\pi}{9}\approx 5.585

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