Calculus · real student question

Вычислить двойной интеграл от x·cos(x + y) по треугольной области с вершинами (0, 0), (π, 0) и (π, π).

Question

Вычислить

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

где RR — треугольник с вершинами (0,0)(0,0), (π,0)(\pi,0) и (π,π)(\pi,\pi).

Step-by-step solution

  1. Переводим три вершины в уравнения границ. Сторона от (0,0)(0,0) до (π,0)(\pi,0) лежит на прямой y=0y=0; сторона от (π,0)(\pi,0) до (π,π)(\pi,\pi) — вертикальная прямая x=πx=\pi; сторона от (0,0)(0,0) до (π,π)(\pi,\pi) — прямая y=xy=x. Значит, треугольник есть множество точек, для которых 0xπ0\le x\le\pi и 0yx0\le y\le x.

  2. Выбираем порядок dydxdy\,dx. При интегрировании сначала по yy пределы по xx остаются постоянными (от 00 до π\pi), а пределами по yy становятся две простые функции 00 и xx. Помогает и то, что во внутреннем интегрировании xx — постоянная, поэтому множитель xx выносится за знак интеграла:

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

  3. Берём внутренний интеграл. При фиксированном xx имеем cos(x+y)dy=sin(x+y)\int\cos(x+y)\,dy=\sin(x+y), поэтому

    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. Считаем 0πxsin2xdx\int_0^\pi x\sin 2x\,dx по частям. Возьмём u=xu=x, dv=sin2xdxdv=\sin 2x\,dx, тогда du=dxdu=dx и v=cos2x2v=-\tfrac{\cos 2x}{2}:

    [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. Так же считаем 0πxsinxdx\int_0^\pi x\sin x\,dx. При u=xu=x, v=cosxv=-\cos x:

    [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. Соединяем оба куска. Внешний интеграл равен разности полученных значений:

    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.

    Ответ отрицателен, и это ожидаемо: на большей части треугольника сумма x+yx+y лежит между π2\tfrac{\pi}{2} и 3π2\tfrac{3\pi}{2}, где cos(x+y)\cos(x+y) отрицателен, а вес xx как раз там наибольший. Численное интегрирование даёт 4.71239-4.71239, что совпадает с 3π2-\tfrac{3\pi}{2}.

Answer

3π24.712-\frac{3\pi}{2}\approx -4.712

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