変数変換

■問題

適当な変数変換を行って次の重積分を計算せよ.

∬ D ( x 2 + y 2 ) e −x−y dxdy    (D:−2<x+y<2,−2<x−y<2)

■答

2 3 ( 5 e 2 − 17 e 2 )

■ヒント

x+y=u , x−y=v とおく変数変換により,積分の計算を簡単化する。ヤコビアンの計算式も参考にする.

■解き方

領域 D  

領域 D ′  

x+y=u , x−y=v とおくと

x= 1 2 ( u+v ) , y= 1 2 ( u−v )

となる.よって,この変数変換によるヤコビアンは

J( u,v )=| ∂x ∂u ∂x ∂v ∂y ∂u ∂y ∂v |=| 1 2 1 2 1 2 − 1 2 |=− 1 2

となる.変数変換によって x,y の領域 D は u,v の領域 D ′

D ′ :−2≦u≦2,−2≦v≦2 (長方形)

に変換される.よって

(与式) = ∬ D ′ 1 2 ( u 2 + v 2 ) e −u · 1 2 dudv

= 1 4 ∬ D ′ ( u 2 + v 2 ) e −u dudv

= 1 4 ∫ −2 2 ∫ −2 2 e −u u 2 + v 2 dv du

= 1 4 ∫ −2 2 e −u [ u 2 v+ 1 3 v 3 ] −2 2 du

= 1 4 ∫ −2 2 e −u { ( 2 u 2 + 8 3 )−( −2 u 2 − 8 3 ) }du

= 1 4 ∫ −2 2 e −u ( 4 u 2 + 16 3 )du

= ∫ −2 2 e −u ( u 2 + 4 3 )du

部分積分法を用いて計算をする

= ∫ −2 2 − e −u ′ u 2 + 4 3 du

= − e −u u 2 + 4 3 −2 2 − ∫ −2 2 − e −u ·2udu

={ − e −2 ( 4+ 4 3 )+ e 2 ( 4+ 4 3 ) } + ∫ −2 2 2u e −u du

最後の項の積分は部分積分法を用いて計算をする

= 16 3 e 2 − 16 3 e −2 − ∫ −2 2 2u e −u ′ du

= 16 3 e 2 − 16 3 e −2 − [ 2u e −u ] −2 2 + ∫ −2 2 2 e −u du

= 16 3 e 2 − 16 3 e −2 − { 4 e −2 −( −4 e 2 ) } + ∫ −2 2 2 e −u du

= 16 3 e 2 − 16 3 e −2 −4 e −2 −4 e 2 + ∫ −2 2 2 e −u du

= 4 3 e 2 − 28 3 e −2 +2 ∫ −2 2 e −u du

= 4 3 e 2 − 28 3 e −2 −2 [ e −u ] −2 2

= 4 3 e 2 − 28 3 e −2 −2( e −2 − e 2 )

= 10 3 e 2 − 34 3 e −2

= 2 3 ( 5 e 2 − 17 e 2 )

 

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最終更新日: 2023年10月19日