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Calculus · real student question

計算三重積分 4x + 5y − 19z,其中 z 由 7 到 1、y 由 4 到 2、x 由 3 到 2。

Question

計算

∫32∫42∫71(4x+5y−19z)dz dy dx\int_{3}^{2}\int_{4}^{2}\int_{7}^{1}\left(4x+5y-19z\right)dz\,dy\,dx

Step-by-step solution

  1. 注意每一層的上下限都是顛倒的。 每個積分都是從較大的值積到較小的值。由於 ∫ab=−∫ba\int_{a}^{b}=-\int_{b}^{a},這裡有三次變號,而 (−1)3=−1(-1)^{3}=-1:整個答案就是「把所有上下限改成遞增」之後那個積分的相反數。你可以一開始就全部翻過來,也可以像下面這樣就地小心地算。

  2. 先對 zz 積分,把 xx 與 yy 當成常數。 在 zz 方向的一個反導函數是 4xz+5yz−192z24xz+5yz-\tfrac{19}{2}z^{2},所以

    ∫71(4x+5y−19z)dz=(4x+5y−192)−(28x+35y−9312)=−24x−30y+456\int_{7}^{1}\left(4x+5y-19z\right)dz=\left(4x+5y-\tfrac{19}{2}\right)-\left(28x+35y-\tfrac{931}{2}\right)=-24x-30y+456

    順序很重要:最內層的微分 dzdz 要最先積,用的是最內層那一對上下限。

  3. 再把結果對 yy 積分。 取反導函數 (−24x+456)y−15y2(-24x+456)y-15y^{2}:

    ∫42(−24x−30y+456)dy=(−48x+852)−(−96x+1584)=48x−732\int_{4}^{2}\left(-24x-30y+456\right)dy=\left(-48x+852\right)-\left(-96x+1584\right)=48x-732

  4. 最後對 xx 積分。 取反導函數 24x2−732x24x^{2}-732x:

    ∫32(48x−732)dx=(96−1464)−(216−2196)=−1368+1980=612\int_{3}^{2}\left(48x-732\right)dx=\left(96-1464\right)-\left(216-2196\right)=-1368+1980=612

  5. 解讀正負號。 被積函數由 −19z-19z 主導,而在這個區域裡 zz 一路到 7,所以「上下限遞增」的那個積分是很負的;三次顛倒把它翻成正的。舉例來說,若只把 zz 的上下限顛倒回來,得到的會是 −612-612。

  6. 用數值黎曼和檢查。 取 1203120^{3} 個中點、步長帶號寫成 dz=−6/120dz=-6/120、dy=−2/120dy=-2/120、dx=−1/120dx=-1/120,算出來恰好是 612.0612.0 ✓。會完全吻合是因為被積函數是線性的,中點法則對線性函數本來就精確。

Answer

612612

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