Calculus · real student question

交換積分順序,並計算 e 的 y 三次方的二重積分,其中 x 從 0 到 2、y 從根號 2x 到 2。

Question

交換積分順序並求值:

02 ⁣ ⁣2x2ey3dydx.\int_0^2\!\!\int_{\sqrt{2x}}^{2} e^{y^3}\,dy\,dx.

Step-by-step solution

  1. 先看清為什麼原本的順序走不通。 內層積分要算 ey3dy\int e^{y^3}\,dy,而 ey3e^{y^3} 沒有初等反導函數。這裡交換順序不是風格選擇,而是唯一能算完的路:先對 xx 積分會多出一個 y2y^2 因子,那正是代換 u=y3u=y^3 所需要的。

  2. 由積分上下限描述出區域。 上下限說的是 0x20\le x\le 22xy2\sqrt{2x}\le y\le 2。下邊界 y=2xy=\sqrt{2x} 是拋物線 y2=2xy^2=2x 的右半部,也就是 x=y22x=\dfrac{y^2}{2}。注意在 x=2x=2 處下限已經等於上限 y=2y=2,區域在那裡閉合。

  3. 改成水平切片。 對固定在 0022 之間的 yy,區域從左邊界 x=0x=0 一路延伸到拋物線 x=y22x=\dfrac{y^2}{2}。所以

    R={(x,y):0y2, 0xy22},02 ⁣ ⁣0y2/2ey3dxdy.R=\left\{(x,y):0\le y\le 2,\ 0\le x\le \tfrac{y^2}{2}\right\},\qquad \int_0^2\!\!\int_0^{y^2/2} e^{y^3}\,dx\,dy.

  4. 算內層積分。 ey3e^{y^3}xx 而言是常數,所以它只是乘上切片的寬度:

    0y2/2ey3dx=y22ey3.\int_0^{y^2/2}e^{y^3}\,dx=\frac{y^2}{2}\,e^{y^3}.

  5. 代換 u=y3u=y^3du=3y2dydu=3y^2\,dy,即 y2dy=du3y^2\,dy=\tfrac{du}{3},而上下限 y=0,2y=0,2 變成 u=0,8u=0,8

    02y22ey3dy=1608eudu=16[eu]08=e816.\int_0^2\frac{y^2}{2}e^{y^3}\,dy=\frac{1}{6}\int_0^8 e^{u}\,du=\frac{1}{6}\left[e^u\right]_0^8=\frac{e^8-1}{6}.

  6. 檢查數量級。 e816496.66\dfrac{e^8-1}{6}\approx 496.66,而直接對原本的逐次積分做數值計算也得到 496.66496.66,可見換序時區域描述得沒錯。

Answer

e816496.66\frac{e^{8}-1}{6}\approx 496.66

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