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108 學年度台綜大微積分 B 第 10 題

考題 / 轉學考微積分 / 台綜大 / 微積分B

108學年度 · 108台綜大微積分B · 第 10 題

題目

Problem

(10) (10 pts) Let a>0a>0. Evaluate the double integral

∫−aa∫−a2−x2a2−x2cos⁡(x2+y2) dy dx.\int_{-a}^{a}\int_{-\sqrt{a^2-x^2}}^{\sqrt{a^2-x^2}}\cos(x^2+y^2)\,dy\,dx.

解答

解法一

積分區域是半徑 aa 的圓盤,且被積函數只含 x2+y2x^2+y^2,改用極座標最直接:

x=rcos⁡θ,y=rsin⁡θ,dA=r dr dθ.x=r\cos\theta,\qquad y=r\sin\theta,\qquad \mathrm{d}A=r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta.

因此

∬x2+y2≤a2cos⁡(x2+y2) dA= ∫02π∫0acos⁡(r2)r dr dθ= 2π12sin⁡(r2)∣0a= πsin⁡(a2).\begin{align*} \iint_{x^2+y^2\le a^2}\cos(x^2+y^2)\,\mathrm{d}A =&\,\int_0^{2\pi}\int_0^a\cos(r^2)r\,\mathrm{d}r\,\mathrm{d}\theta \\[4mm] =&\,2\pi\left.\frac12\sin(r^2)\right|_0^a \\[4mm] =&\,\boxed{\pi\sin(a^2)}. \end{align*}