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105 台灣大學微積分(C) 第 7 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分C

105學年度 · 105台大微積分C · 第 7 題

題目

7. (15%)(15\%) Let Ω\Omega be the region {(x,y)∣(x−1)2+y2<1}\{(x,y)\mid (x-1)^2+y^2<1\}. Evaluate the double integral ∬Ω1x dxdy\iint_\Omega \dfrac{1}{x}\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y.

解答

解法一

思路

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  • 圓盤以 (1,0)(1,0) 為圓心、半徑為 11;分母 xx 只會在邊界點 (0,0)(0,0) 變成 00。
  • 以圓心為原點改寫成極座標。積分雖須用極限處理邊界奇點,但會收斂。

答題過程

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令

x=1+rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,x=1+r\cos\theta,\qquad y=r\sin\theta,

則 0≤r<10\le r<1、0≤θ≤2π0\le\theta\le2\pi,且面積元素為 r dr dθr\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta。由於 x=0x=0 只出現在邊界點 (0,0)(0,0),先積到半徑 R<1R<1 再取極限:

∬Ω1x dxdy= lim⁡R→1−∫0R∫02πr1+rcos⁡θ dθ dr.\begin{align*} \iint_\Omega\frac1x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =&\,\lim_{R\to1^-}\int_0^R\int_0^{2\pi} \frac{r}{1+r\cos\theta}\,\mathrm{d}\theta\,\mathrm{d}r. \end{align*}

對 0≤r<10\le r<1,標準積分

∫02πdθ1+rcos⁡θ=2π1−r2\int_0^{2\pi}\frac{\mathrm{d}\theta}{1+r\cos\theta}=\frac{2\pi}{\sqrt{1-r^2}}

給出

∬Ω1x dxdy= lim⁡R→1−∫0R2πr1−r2 dr= lim⁡R→1−2π(1−1−R2)= 2π.\begin{align*} \iint_\Omega\frac1x\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y =&\,\lim_{R\to1^-}\int_0^R\frac{2\pi r}{\sqrt{1-r^2}}\,\mathrm{d}r\\[4mm] =&\,\lim_{R\to1^-}2\pi\big(1-\sqrt{1-R^2}\big)\\[4mm] =&\,\boxed{2\pi}. \end{align*}
易錯提醒

雖然被積分函數在圓盤邊界的 (0,0)(0,0) 無定義,但不能只因分母可能為零就斷定積分發散;應以瑕積分的極限判斷,本題的極限確實存在。