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2重積分例題

2重積分例題

初めに(20210619)

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例題@

以下の図に示される2つの直線に囲まれた面積x > 0に対して重積分を使って求めてみましょう。


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やり方としては、まず求める面積をSとし、それを上図右側のように2つに分割してそれぞれをS1, S2と置きます。

0 ? y ? 1の間では、

0 ? x ? y

 

さらに1 ? y ? 2の間では、

2y - 2 ? x ? y

 

といった感じで積分領域を区分けし、これを計算していきます。

 

分割型2重積分問題例題

 

 

分割型2重積分問題例題

分割型2重積分問題例題

分割型2重積分問題例題

分割型2重積分問題例題

分割型2重積分問題例題

分割型2重積分問題例題


例題A

底辺の長さがa、高さがbの二等辺三角形の面積。

 

3つの頂点の座標点を三角形の面積の頂点とします。

 

 

 

重積分による2と右辺三角形の面積計算過程

 

 

 

領域を図のようにD1, D2の二つに分けて考えます。

 

(i) D1の計算

 

三角形の面積積分問題

 

から、直線の方程式より、

直線の方程式

 

 

直線の方程式

直線の方程式


 

これがy方向の上限になります。

以下のように積分領域を決定して計算していきます。

 

三角形の重積分問題計算過程

 

三角形の重積分問題計算過程

三角形の重積分問題計算過程

三角形の重積分問題計算過程



重積分による2等辺三角形の答え1

 

 

(ii)D2の計算

 

重積分による2等辺三角形の積分範囲2

 

より、先ほどと同様にして直線の方程式に代入して計算していきます。

 

三角形の直線の方程式2

 

三角形の直線の方程式2

三角形の直線の方程式2


 

これがD2におけるy方向の上限になります。

 

同様にして積分範囲を決定して計算していきます。

 

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

 

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

重積分による二等辺三角形の積分計算過程


 

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

 

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

 

 

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

重積分による二等辺三角形の積分計算過程


 

これより以下のように求まります。

重積分による二等辺三角形の積分計算過程

例題B

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角度0 ? θ ? pi/2の範囲の半径が2の円の面積。

 

これの積分領域は、

4分の1の円の面積の積分領域

 

よって積分の式は次のようになります。

 

quarter circle_integral_domein

 

これを計算していきます。

 

4分の1の円の重積分による面積積分計算過程

 

 

4分の1の円の重積分による面積積分計算過程


 

ここで変数変換という変数変換(置換積分)をすると、

 

円の積分領域の変数変換

 

 

円の積分領域の変数変換

円の積分領域の変数変換

円の積分領域の変数変換


 

となるので、

 

円の積分領域の変数変換

 

円の積分領域の変数変換

 

より、

 

円の積分領域の変数変換

 

円の積分領域の変数変換による面積計算

円の積分領域の変数変換による面積計算

円の積分領域の変数変換による面積計算


例題C

半径が2の円の面積。

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重積分による円の面積計算過程

 

重積分による円の面積計算過程


 

ここで先ほどと同じように重積分による円の面積計算過程とする変数変換をすると、

 

円の積分領域の変数変換

となるのでこれを代入して計算していけば、

 

重積分による円の面積計算過程

 

より、

 

重積分による円の面積計算過程

 

 

重積分による円の面積計算過程

重積分による円の面積計算過程

重積分による円の面積計算過程

重積分による円の面積計算過程


 

 

ついでに例題Bと例題Cの積分計算を今度は極座標でやってみましょう。

 

このデカルトから極座標へ移行する場合、

 

極座標変換

 

となることに注意します。

例題B極座標の場合

極座標のときの積分領域は、

 

極座標変換

 

これにより、

 

極座標変換による積分計算過程

 

極座標変換による積分計算過程

極座標変換による積分計算過程

極座標変換による積分計算過程


 

例題C極座標のとき

このときの積分領域は、

 

極座標変換による積分計算過程

 

これにより、

極座標変換による積分計算過程

 

極座標変換による積分計算過程

極座標変換による積分計算過程

極座標変換による積分計算過程


 

 


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