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109 台灣大學微積分(B) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 台灣大學 / 微積分B

109學年度 · 109台大微積分B · 第 6 題

題目

Problem

  1. (a) ∬Dy dA=(15)‾\displaystyle\iint_D y\,dA = \underline{\quad(15)\quad}, where DD is the region in the first quadrant that lies between the circles x2+y2=4x^2+y^2=4 and (x−1)2+y2=1(x-1)^2+y^2=1.

(b) The volume of the solid RR lying below the plane z=3−2yz=3-2y and above the paraboloid z=x2+y2z=x^2+y^2 is (16)‾\underline{\quad(16)\quad}.

解答

解法一

思路

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  • (a) 兩圓在第一象限間的區域以極座標表示最直接:外圓是 r=2r=2,內圓是 r=2cos⁡θr=2\cos\theta。
  • (b) 先求平面與拋物面的交線,投影區域恰是一個圓盤;平移圓心後用極座標算體積。

答題過程

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(a) 在極座標中,x2+y2=4x^2+y^2=4 給出 r=2r=2,而

(x−1)2+y2=1⟹r=2cos⁡θ.(x-1)^2+y^2=1 \quad\Longrightarrow\quad r=2\cos\theta.

因此

∬Dy dA= ∫0π/2∫2cos⁡θ2(rsin⁡θ)r dr dθ= 2.\begin{align*} \iint_Dy\,\mathrm{d}A =&\,\int_0^{\pi/2}\int_{2\cos\theta}^2(r\sin\theta)r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\\[2mm] =&\,2. \end{align*}

故

(15)=2.\boxed{(15)=2}.

(b) 交線由 x2+y2=3−2yx^2+y^2=3-2y 決定,亦即

x2+(y+1)2=4.x^2+(y+1)^2=4.

令 u=x,v=y+1u=x,v=y+1,則兩曲面高度差為 4−u2−v24-u^2-v^2,投影區域為 u2+v2≤4u^2+v^2\le4。所以

V= ∫02π∫02(4−r2)r dr dθ= 8π.\begin{align*} V =&\,\int_0^{2\pi}\int_0^2(4-r^2)r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta\\[2mm] =&\,8\pi. \end{align*}

因此

(16)=8π.\boxed{(16)=8\pi}.