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12 極座標変換による2重積分の計算 演習問題解答例

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(1)

12 極座標変換による2重積分の計算 演習問題解答例

基本演習1 (教科書 問題8.4) 次の重積分を極座標になおして求めて下さい。

(1)

ZZ

x2+y2≤1

x2dxdy (2)

ZZ

x2+y2≤4, x≥0,y≥0

xy dxdy

【解答例】 (1)x=pcost, y=psintとおき極座標に変換して計算します。

このとき積分領域である単位円は不等式0≤p≤1,0≤t≤2πで表されます。また 被積分関数はx2=p2cos2tとなり、この変換ではdxdy=pdpdtですから、

Z 2π 0

Z 1 0

p3cos2t dpdt= Z 2π

0

∑1 4p4

∏1 0

cos2t dt

= 1 4

Z 2π 0

cos2t dt

= 1 8

Z 2π 0

(cos 2t+ 1)dt

= 1 8

∑1

2sin 2t+t

∏2π

0

= π 4 が得られます。

(2)x=rcosθ, y=rsinθと置けば積分領域は0≤r≤2,0≤θ≤ π2 と書け、被積 分関数はxy=r2cosθsinθ= 12r2sin 2θです。

更にこの極座標変換においてはdxdy=rdrdθなので題意の積分は Z 2

0

Z π2

0

1

2r3sin 2θdθdr= Z 2

0

1 2r3

∑

−1 2cos 2θ

∏π2

0

dr= Z 2

0

1 2r3dr=

∑1 8r4

∏2 0

= 2

となります。

基本演習2 (1)

ZZ

(x, y≥0 x2+y2≤1

(x+y)dxdy

【解答例】 x=rcosθ, y=rsinθ とおけば積分領域は不等式:

0< r≤1 0≤θ≤ π2

で表され、この極座標変換ではdxdy=rdrdθなので、

ZZ

(x, y≥0 x2+y2≤1

(x+y)dxdy= Z π2

0

Z 1 0

(rcosθ+rsinθ)rdrdθ

= Z π2

0

∑1

3r3(cosθ+ sinθ)

∏1 0

dθ

= 1 3

Z π2

0

(cosθ+ sinθ)dθ

= 1

3[sinθ−cosθ]0π2

= 2 3 となります。

(2)

Z Z

1≤x2+y2≤4

1

x2+y2dxdy

【解答例】 x=rcosθ, y=rsinθとおけば、積分領域は不等式:

1≤r≤2 0< θ≤2π で表され、この極座標変換ではdxdy=rdrdθなので、

ZZ

1≤x2+y2≤4

1

x2+y2dxdy= Z 2

1

Z 2π 0

1

r2rdθdr= 2π Z 2

1

1

rdr= 2πlog 2 です。

(2)

(3)

ZZ

x2+y2≤1

x2y2dxdy

【解答例】 x=rcosθ, y=rsinθとおけば積分領域は不等式:

0< r≤1 0< θ≤2π で表され、この極座標変換ではdxdy=rdrdθなので、

ZZ

x2+y2≤1

x2y2dxdy= Z 2π

0

Z 1 0

r2cos2θ·r2sin2θrdrdθ

= Z 2π

0

∑1 6r6

∏1 0

cos2θ·sin2θdθ

= Z 2π

0

1

6cos2θ·sin2θdθ

= 1 24

Z 2π 0

sin22θdθ

= 1 24

Z 2π 0

Ω

(1−2 sin22θ) µ

−1 2

∂ +1

2 æ

dθ

= 1 24

Z 2π 0

Ωµ

−1 2

∂

cos 4θ+1 2

æ dθ

= 1 48

∑ θ−1

4sin 4θ

∏2π

0

= π 24 ですね。

(4)

ZZ

x2+y2≤x

√x dxdy

【解答例】 積分領域は円:° x−12¢2

+y2 ≤ 212 なのでそのまま極座標でやってみま しょう。

x=rcosθ, y=rsinθ とおけば、積分領域は不等式:

0< r≤cosθ

−π2 < θ < π2 で表され、この極座標変換ではdxdy=rdrdθなので、

ZZ

x2+y2≤x

√x dxdy= Z π2

−π2

Z cosθ 0

√rcosθr drdθ

= Z π2

−π2

√cosθ Z cosθ

0

r√ r drdθ

= Z π2

−π2

√cosθ

∑ 1

3

2+ 1r32+1

∏cosθ 0

dθ

= 2 5

Z π2

−π2

cos3θdθ

= 2 5

Z π2

−π2

cosθ(1−sin2θ)dθ

= 2 5

∑

sinθ−1 3sin3θ

∏π2

−π2

= 2 5

Ω 1−1

3 − µ

−1−1 3

∂æ

= 8 15 です。

(3)

(5)

ZZ

(x−2)2+(y−1)2≤1

xy dxdy

【解答例】 被積分関数をf とします。平行移動しても積分の値は変わらないので、

x−2 =v, y−1 =w

と置けば、平行移動後の積分領域はv2+w2≤1となり、また平行移動後の被積分関数 f˜(v, w)は

f˜(v, w) =f(v+ 2, w+ 1) = (v+ 2)(w+ 1) となるので、

Z Z

(x−2)2+(y−1)2≤1

xy dxdy= Z Z

v2+w2≤1

(v+ 2)(w+ 1)dvdw

です。ここでv=rcosθ, w=rsinθと極座標変換すれば、積分領域はrとθの不等式:

0< r≤1 0< θ≤2π で表され、この極座標変換ではdxdy=rdrdθなので

= Z 2π

0

Z 1 0

(rcosθ+ 2)(rsinθ+ 1)rdrdθ

= Z 2π

0

Z 1 0

(r3cosθsinθ+r2cosθ+ 2r2sinθ+ 2r)drdθ

= Z 2π

0

∑1

4r4cosθsinθ+1

3r3cosθ+2

3r3sinθ+r2)

∏1 0

dθ

= Z 2π

0

µ1

4cosθsinθ+1

3cosθ+2

3sinθ+ 1)

∂ dθ

= Z 2π

0

µ1

8sin 2θ+1

3cosθ+2

3sinθ+ 1)

∂ dθ

=

∑

−1

16cos 2θ+1

3sinθ−2

3cosθ+θ)

∏2π

0

= 2π

が得られます。

基本演習3 ZZ

0≤x≤1,0≤y≤π

px2+y2dxdy

【解答例その1 そのまま逐次積分で】

Z px2+A dx=1 2

nxp

x2+A+Alog|x+p

x2+A|o

によれば、

ZZ

0≤x≤1,0≤y≤π

px2+y2dxdy

= Z π

0

ΩZ 1 0

px2+y2dx æ

dy

= Z π

0

1 2

hxp

x2+y2+y2log|x+p

x2+y2|i1 0dy

=1 2

Z π 0

np1 +y2+y2log|1 +p

1 +y2| −y2log|y|o dy

=1 2

Z π 0

p1 +y2dy+1 2

Z π 0

y2log≥ 1 +p

1 +y2¥ dy−1

2 Z π

0

y2logy dy

ですが、右辺の3つの積分をJ1, J2, J3とすれば、

J1=1 2

Z π 0

p1 +y2dy

=1 4

hyp

1 +y2+ log|y+p

1 +y2|iπ 0

=1 4

nπp

1 +π2+ log≥ π+p

1 +π2¥o J3=−1

2 Z π

0

y2logy dy

=−1 2

Ω∑1 3y3logy

∏π 0

− Z π

0

1 3y31

ydy æ

=−1

6π3logπ+1 6

Z π 0

y2dy

=−1

6π3logπ+ 1 18π3

(4)

です。残りのJ2は、部分積分して

J2=1 2

Z π 0

y2log≥ 1 +p

1 +y2¥ dy

=1 2

(∑1 3y3log≥

1 +p

1 +y2¥∏π

0

− Z π

0

1

3y3 1 1 +p

1 +y2 · y p1 +y2dy

)

=1

6π3log≥ 1 +p

1 +π2¥

−1 6

Z π 0

y4

p1 +y2+ 1 +y2dy

です。ここで右辺の積分をJ4として、更にp

1 +y2=t−yと置換すれば、

1 +y2= (t−y)2 1 =t2−2ty y=t2−1 p 2t

1 +y2=t−y=t−t2−1

2t = t2+ 1 2t dy

dt =2t(2t)−(t2−1)2

4t2 =t2+ 1 2t2

から、

J4=−1 6

Z π 0

y4

p1 +y2+ 1 +y2dy

=−1 6

Z π+√ 1+π2

1

(t2−1)4 (2t)4 t2+1

2t +(t(2t)2+1)22

t2+ 1 2t2 dt

=−1 6

Z π+√ 1+π2

1

(t−1)4(t+ 1)2 8t4 dt

=−1 48

Z π+√ 1+π2

1

t6−2t5−t4+ 4t3−t2−2t+ 1

t4 dt

=−1 48

Z π+√ 1+π2

1

µ

t2−2t−1 +4 t − 1

t2 − 2 t3 + 1

t4

∂ dt

なので、

=−1 48

∑1

3t3−t2−t+ 4 logt+1 t + 1

t2− 1 3t3

∏π+√ 1+π2

1

=−1

12[logt]π+

√1+π2

1 − 1

48

∑1

3(t3−t−3)−(t2−t−2)−(t−t−1)

∏π+√ 1+π2

1

=−1 12log≥

π+p

1 +π2¥

− 1 48

∑

(t−t−1) Ω1

3(t2+ 1 +t−2)−(t+t−1)−1 æ∏π+√

1+π2

1

となりますが、T =π+√

1 +π2としたとき、

T−1= 1 π+√

1 +π2 =p

1 +π2−π

なので、

T−T−1= 2π, T2+ 1 +T−2= 4π2+ 3, T +T−1= 2p 1 +π2 がわかり、従って

J4=− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1 48

∑

(t−t−1) Ω1

3(t2+ 1 +t−2)−(t+t−1)−1 æ∏T

1

=− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1

48(T−T−1) Ω1

3(T2+ 1 +T−2)−(T+T−1)−1 æ

=− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1 482π

Ω1

3(4π2+ 3)−2p

1 +π2−1 æ

=− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1 24π

Ω4

3π2−2p 1 +π2

æ

=− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1

18π3+ 1 12πp

1 +π2 なので、結局、

J2= 1

6π3log≥ 1 +p

1 +π2¥ +J4

= 1

6π3log≥ 1 +p

1 +π2¥

− 1 12log≥

π+p

1 +π2¥

− 1

18π3+ 1 12πp

1 +π2 です。

(5)

以上を合わせれば、求める積分Jは J=J1+J3+J2

= 1 4

n πp

1 +π2+ log≥ π+p

1 +π2¥o

−1

6π3logπ+ 1 18π3 +1

6π3log≥ 1 +p

1 +π2¥

− 1 12log≥

π+p 1 +π2¥

− 1

18π3+ 1 12πp

1 +π2

= 1 3πp

1 +π2+1 6log≥

π+p 1 +π2¥

−1

6π3logπ+1

6π3log≥ 1 +p

1 +π2¥ となります。

【解答例その2 極座標で】 下図の様に問題の積分領域(長方形)を2つの3角形 D1, D2に分割すると、

D1:

0< r≤ cos1θ,

0≤θ≤Tan−1π , D2:

0< r≤ sinπθ, Tan−1π≤θ≤ π2

と書く事が出来ます。そこでx=rcosθ, y=rsinθと置けば、問題の積分Jは、

J =

Z Tan−1π 0

Z cos1θ

0

r2drdθ+ Z π2

Tan−1π

Z sinπθ

0

r2drdθ

= 1 3

Z Tan−1π 0

[r3]0cosθ1 dθ+1 3

Z π2

Tan−1π

[r3]0sinπθdθ

= 1 3

Z Tan−1π 0

1

cos3θdθ+π3 3

Z π2

Tan−1π

1 sin3θdθ

= 1 3

Z Tan−1π 0

cosθ

(1−sin2θ)2dθ−π3 3

Z π2

Tan−1π

−sinθ (1−cos2θ)2dθ

= 1 3

Z √π

1+π2

0

1

(1−t2)2dt−π3 3

Z 0

√1 1+π2

1 (1−t2)2dt ですが、部分分数分解

1

(1−t2)2 =1 4

Ω 1

1−t+ 1

(1−t)2 + 1

1 +t + 1 (1 +t)2

æ

によれば、右辺の2つの積分(これをJ5, J6とします)は、

J5= 1 3

Z √π

1+π2

0

1 (1−t2)2dt

= 1 12

∑

−log(1−t) + 1

1−t+ log(1 +t)− 1 1 +t

∏√π

1+π2

0

= 1 12

∑

log1 +t 1−t + 2t

1−t2

∏√π

1+π2

0

= 1 12

√ log

√1 +π2+π

√1 +π2−π+ 2πp 1 +π2

!

= 1 12

n log(p

1 +π2+π)2+ 2πp

1 +π2o

= 1 6

n log≥p

1 +π2+π¥ +πp

1 +π2o J6=−π3

3 Z 0

√1 1+π2

1 (1−t2)2dt

= π3 3

Z √1

1+π2

0

1 (1−t2)2dt

= π3 12

∑

log1 +t 1−t + 2t

1−t2

∏√1

1+π2

0

= π3 12

√ log

√1 +π2+ 1

√1 +π2−1+2√ 1 +π2

π2

!

= π3 12

( log(√

1 +π2+ 1)2 π2 +2√

1 +π2 π2

)

= π3

6 log≥p

1 +π2+ 1¥

−1

6π3logπ+1 6πp

1 +π2

と計算出来ますので、結局、

J = 1 6

n log≥p

1 +π2+π¥ +πp

1 +π2o +π3

6 log≥p

1 +π2+ 1¥

−1

6π3logπ+1 6πp

1 +π2

= 1 6log≥p

1 +π2+π¥ +1

3πp

1 +π2+1

6π3log≥p

1 +π2+ 1¥

−1

6π3logπ が分かります。

参照

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