重積分の計算問題

■問題

次の重積分の値を求めよ.

∬ D ( x 2 + y 2 )dxdy    ( D:x+y≦2,x≧0,y≧0 )

■答

8 3

■ヒント

領域 D より変数 x と変数 y の積分範囲を決定する.

次に, x を定数とみなして y について積分し,その結果を更に x で積分する.

■解説

領域 D より

x+y ≦2

y ≦−x+2

y≧0 0≦y≦−x+2

を考慮すると

これを満たす x の条件は

−x+2 ≧0

−x ≧−2

x ≦2

x≧0 を考慮すると

0≦x≦2

以上から領域 D は

D:0≦x≦2,0≦y≦−x+2

と書き換えられる.よって

∬ D ( x 2 + y 2 ) d x d y

= ∫ 0 2 ( ∫ 0 − x + 2 ( x 2 + y 2 ) d y ) d x

まず, ∫ 0 −x+2 x 2 + y 2 dy を計算する. x を定数とみなして y について積分する. 

= ∫ 0 2 [ x 2 y + 1 3 y 3 ] 0 − x + 2 d x

= ∫ 0 2 { x 2 ( − x + 2 ) + 1 3 ( − x + 2 ) 3 − ( x 2 · 0 + 0 3 ) } d x

= ∫ 0 2 { − x 3 + 2 x 2 + 1 3 ( − x 3 + 6 x 2 − 12 x + 8 ) − 0 } d x

= ∫ 0 2 ( − x 3 + 2 x 2 − 1 3 x 3 + 2 x 2 − 4 x + 8 3 ) d x

= ∫ 0 2 ( − 4 3 x 3 + 4 x 2 − 4 x + 8 3 ) d x

更に x で積分する. 

= [ − 1 3 x 4 + 4 3 x 3 − 2 x 2 + 8 3 x ] 0 2

= − 1 3 · 2 4 + 4 3 · 2 3 − 2 · 2 2 + 8 3 · 2 − ( − 1 3 · 0 4 + 4 3 · 0 3 − 2 · 0 2 + 8 3 · 0 )

= − 16 3 + 32 3 − 8 + 16 3 − 0

= − 16 + 32 − 24 + 16 3

= 8 3

 

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最終更新日: 2023年8月3日