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== 簡単な重積分の計算 ==

○図1のような立体の体積(縦棒の体積の総和)は,面積要素ds=dxdyに高さz=f(x, y)を掛けて得られる体積要素
dV=f(x, y)ds=f(x, y)dxdy
の総和として,定義域D上の重積分
.wnDwwwf(x, y)dxdy
で求めることができます.
図1
f(x, y)が連続関数で,各変数の定義域がa≦x≦b, α≦y≦βであるとき,この重積分は
.βαwww bawwwf(x, y)dx dy…(1)
または
.bawww βαwwwf(x, y)dy dx…(2)
のように,1変数の積分の繰り返しによって行うことができます.
 (1)は図2のように,まず変数yを固定して,各々のyについて,xで積分し(図で示した壁の面積S(y)を求めて),次にyの関数として表されたその面積をyで積分することによって体積を求めることに対応しています.
図2
 (2)は図3のように,初めにxを固定してyで積分し,図で示した壁の面積S(x)を求めて,次にxで積分するものです.

図3
○変数の定義域が0≦x≦1, 0≦yxのように他の変数に依存しているときは
.10www x0wwwf(x, y)dy dx
または0≦y≦1, yx≦1として
.10www 1ywwwf(x, y)dx dy
のように計算できます.

【基本の確認】
(1) 10wwwkx dx
のようにdxの部分で示されている積分変数x以外の文字(k)は,定数とみなします.だから,この積分は
10wwwkx dx=[n.x22n =.k2n−0=.k2nになります.

(2) 10wwwyx dx
の場合も,yxと独立な変数である限り,同様にして
10wwwyx dx=[n.x22n =.y2nになります.
この結果は,yの関数になるので,「次の段階としてyについて積分する」というようなことができます.
20www.y2ndy=[n.y24n=1
だから
20www(10wwwyx dx)dy=20www(.y2n)dy=[n.y24n =1
となります.
(3) 積分変数がyであるとき,例えば
20wwwxy dy
の場合は,今度はdyの部分で示されている積分変数y以外の文字(x)は,定数とみなします.だから,この積分は
20wwwxy dy=[n.y22n =2x
になります.
この結果は,xの関数になるので,「次の段階としてxについて積分する」というようなことができます.
10www2x dx=[nx2=1
だから
10www(20wwwyx dy)dx=10www(2x)dx=[nx2=1
となります.
【同種の問題が含まれる書籍】
「微分積分学Ⅱ」(共立出版 基礎数学講座7巻/宇野利雄著)
「新編 高専の数学3 問題集」(森北出版/田代嘉宏著)
「理工系基礎 微分積分学」(培風館/堀内龍太郎.川崎廣吉.浦部治一郎共著)
「数学へのアプローチ」(裳華房/八木克已著)

(参考)
(*1) y=x2のとき20wwwy dxを求めよ
というような問題においては,yxの関数になっておりxと独立な変数ではありません.だから,
20wwwy dx=[nyx=2y ←間違い
20wwwy dx=20wwwx2 dx=[n.x33n =.83n ←正しい
(*) 記号
10www(20wwwyx dy)dx
10www20wwwyx dydxとも書かれます.
この場合,各々の積分区間は0≦y≦2, 0≦x≦1となります.
また,0≦y≦2, 0≦x≦1の領域をDで表すとき
wnDwwwyx dydxとも書かれます.
さらに,
10www20wwwyx dydx10wwwdx20wwwyx dy
と書くこともあります.この場合,変数xについて積分するときの被積分関数は,例外的にdxの右に書かれていることになります.

【要点】
 次の各記号は,いずれも領域D : c≦y≦d, a≦x≦bにおいて,はじめにyで,次にxで積分することを表す.
.bawww(dcwwwf(x,y)dy)dx , bawwwdcwwwf(x,y)dydx
.bawwwdxdcwwwf(x,y)dy , wnDwwwf(x,y)dydx

【例1】
重積分10www(20www(x+y)dy)dxを計算してください.
(解答)
.20www(x+y)dy=[nxy+.y22n
↑どの変数に代入するのかを明示するために,このような書き方も可能
=2x+2
.10www(2x+2)dx=[nx2+2x=3 …(答)
【例2】
D : 1≦x≦2, 0≦y≦1のとき
重積分wnDwww(x2+y2)dxdyを計算してください.
(解答)
.21www(x2+y2)dx=[n.x33n+y2x
=(.83n+2y2)−(.13n+y2)=.73n+y2
.10www(.73n+y2)dy=[n.73ny+.13ny3=.83n …(答)

※正しい番号をクリックしてください.
問1次の重積分を計算してください.
.20www(10wwwx2y dx)dy
1.13n 2.23n 31 4.43n 5.53n

問2次の重積分を計算してください.
.20www10www(x2+2y)dydx
12 2.83n 3.103nn 44 5.143nn


問3次の重積分を計算してください.
.π20wwwdxπ20wwwsin(x+y)dy
11 22 33 4.π2n 5π

問4次の重積分を計算してください.
D : 0≦x≦1, 0≦y≦1のとき
.wnDwwwex−ydxdy
1e+1 2e−1 3(e+1)2
4(e−1)2 5e+.1en−2


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簡単な問題もあってよく理解できました
=>[作者]:連絡ありがとう.
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