与えられた重積分を、変数変換を用いて計算する問題です。具体的には以下の5つの積分を解きます。 (1) $\iint_D x^2 dxdy$, $D = \{(x,y); 0 \le x - y \le 1, 0 \le x + y \le 1\}$ (2) $\iint_D (x - y)^2 dxdy$, $D = \{(x, y); -1 \le x + 2y \le 1, -1\le x - y \le 1\}$ (3) $\iint_D (x^2 + y^2)dxdy$, $D = \{(x,y); x^2 + y^2 \le 1\}$ (4) $\iint_D \sqrt{a^2-x^2-y^2} dxdy$, $D= \{(x, y); x^2 + y^2 \le a^2, x \ge 0, y \ge 0\} \quad (a>0)$ (5) $\iint_D xy dxdy$, $D = \{(x,y); \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} \le 1\} \quad (a>0,b>0)$

解析学重積分変数変換ヤコビアン極座標変換
2025/7/27
## 問題の回答

1. 問題の内容

与えられた重積分を、変数変換を用いて計算する問題です。具体的には以下の5つの積分を解きます。
(1) Dx2dxdy\iint_D x^2 dxdy, D={(x,y);0xy1,0x+y1}D = \{(x,y); 0 \le x - y \le 1, 0 \le x + y \le 1\}
(2) D(xy)2dxdy\iint_D (x - y)^2 dxdy, D={(x,y);1x+2y1,1xy1}D = \{(x, y); -1 \le x + 2y \le 1, -1\le x - y \le 1\}
(3) D(x2+y2)dxdy\iint_D (x^2 + y^2)dxdy, D={(x,y);x2+y21}D = \{(x,y); x^2 + y^2 \le 1\}
(4) Da2x2y2dxdy\iint_D \sqrt{a^2-x^2-y^2} dxdy, D={(x,y);x2+y2a2,x0,y0}(a>0)D= \{(x, y); x^2 + y^2 \le a^2, x \ge 0, y \ge 0\} \quad (a>0)
(5) Dxydxdy\iint_D xy dxdy, D={(x,y);x2a2+y2b21}(a>0,b>0)D = \{(x,y); \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} \le 1\} \quad (a>0,b>0)

2. 解き方の手順

それぞれの積分について、変数変換と計算手順を以下に示します。
**(1) Dx2dxdy\iint_D x^2 dxdy, D={(x,y);0xy1,0x+y1}D = \{(x,y); 0 \le x - y \le 1, 0 \le x + y \le 1\}**
* 変数変換: u=xyu = x - y, v=x+yv = x + y とおく。このとき、x=u+v2x = \frac{u+v}{2}, y=vu2y = \frac{v-u}{2}
* ヤコビアン: (x,y)(u,v)=xuxvyuyv=12121212=14(14)=12\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\ \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \frac{1}{2} & \frac{1}{2} \\ -\frac{1}{2} & \frac{1}{2} \end{vmatrix} = \frac{1}{4} - (-\frac{1}{4}) = \frac{1}{2}.
* 積分範囲: 0u10 \le u \le 1, 0v10 \le v \le 1
* 積分計算:
Dx2dxdy=0101(u+v2)212dudv=180101(u2+2uv+v2)dudv=1801[u33+u2v+uv2]01dv=1801(13+v+v2)dv=18[v3+v22+v33]01=18(13+12+13)=18(2+3+26)=748\iint_D x^2 dxdy = \int_0^1 \int_0^1 (\frac{u+v}{2})^2 |\frac{1}{2}| dudv = \frac{1}{8} \int_0^1 \int_0^1 (u^2 + 2uv + v^2) dudv = \frac{1}{8} \int_0^1 [\frac{u^3}{3} + u^2v + uv^2]_0^1 dv = \frac{1}{8} \int_0^1 (\frac{1}{3} + v + v^2) dv = \frac{1}{8} [\frac{v}{3} + \frac{v^2}{2} + \frac{v^3}{3}]_0^1 = \frac{1}{8} (\frac{1}{3} + \frac{1}{2} + \frac{1}{3}) = \frac{1}{8} (\frac{2+3+2}{6}) = \frac{7}{48}.
**(2) D(xy)2dxdy\iint_D (x - y)^2 dxdy, D={(x,y);1x+2y1,1xy1}D = \{(x, y); -1 \le x + 2y \le 1, -1\le x - y \le 1\}**
* 変数変換: u=xyu = x - y, v=x+2yv = x + 2y とおく。このとき、x=2u+v3x = \frac{2u+v}{3}, y=vu3y = \frac{v-u}{3}
* ヤコビアン: (x,y)(u,v)=xuxvyuyv=23131313=29(19)=13\frac{\partial(x,y)}{\partial(u,v)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial u} & \frac{\partial x}{\partial v} \\ \frac{\partial y}{\partial u} & \frac{\partial y}{\partial v} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \frac{2}{3} & \frac{1}{3} \\ -\frac{1}{3} & \frac{1}{3} \end{vmatrix} = \frac{2}{9} - (-\frac{1}{9}) = \frac{1}{3}.
* 積分範囲: 1u1-1 \le u \le 1, 1v1-1 \le v \le 1
* 積分計算:
D(xy)2dxdy=1111u213dudv=131111u2dudv=1311[u33]11dv=1311(13(13))dv=131123dv=29[v]11=29(1(1))=49\iint_D (x-y)^2 dxdy = \int_{-1}^1 \int_{-1}^1 u^2 |\frac{1}{3}| dudv = \frac{1}{3} \int_{-1}^1 \int_{-1}^1 u^2 dudv = \frac{1}{3} \int_{-1}^1 [\frac{u^3}{3}]_{-1}^1 dv = \frac{1}{3} \int_{-1}^1 (\frac{1}{3} - (-\frac{1}{3})) dv = \frac{1}{3} \int_{-1}^1 \frac{2}{3} dv = \frac{2}{9} [v]_{-1}^1 = \frac{2}{9} (1 - (-1)) = \frac{4}{9}.
**(3) D(x2+y2)dxdy\iint_D (x^2 + y^2)dxdy, D={(x,y);x2+y21}D = \{(x,y); x^2 + y^2 \le 1\}**
* 変数変換: 極座標変換 x=rcosθx = r\cos\theta, y=rsinθy = r\sin\theta。このとき、x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2
* ヤコビアン: (x,y)(r,θ)=xrxθyryθ=cosθrsinθsinθrcosθ=rcos2θ+rsin2θ=r\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} \cos\theta & -r\sin\theta \\ \sin\theta & r\cos\theta \end{vmatrix} = r\cos^2\theta + r\sin^2\theta = r.
* 積分範囲: 0r10 \le r \le 1, 0θ2π0 \le \theta \le 2\pi
* 積分計算:
D(x2+y2)dxdy=02π01r2rdrdθ=02π01r3drdθ=02π[r44]01dθ=02π14dθ=14[θ]02π=14(2π)=π2\iint_D (x^2 + y^2) dxdy = \int_0^{2\pi} \int_0^1 r^2 |r| dr d\theta = \int_0^{2\pi} \int_0^1 r^3 dr d\theta = \int_0^{2\pi} [\frac{r^4}{4}]_0^1 d\theta = \int_0^{2\pi} \frac{1}{4} d\theta = \frac{1}{4} [\theta]_0^{2\pi} = \frac{1}{4} (2\pi) = \frac{\pi}{2}.
**(4) Da2x2y2dxdy\iint_D \sqrt{a^2-x^2-y^2} dxdy, D={(x,y);x2+y2a2,x0,y0}(a>0)D= \{(x, y); x^2 + y^2 \le a^2, x \ge 0, y \ge 0\} \quad (a>0)**
* 変数変換: 極座標変換 x=rcosθx = r\cos\theta, y=rsinθy = r\sin\theta。このとき、x2+y2=r2x^2 + y^2 = r^2
* ヤコビアン: rr
* 積分範囲: 0ra0 \le r \le a, 0θπ20 \le \theta \le \frac{\pi}{2}
* 積分計算:
Da2x2y2dxdy=0π/20aa2r2rdrdθ=0π/2dθ0ara2r2dr\iint_D \sqrt{a^2 - x^2 - y^2} dxdy = \int_0^{\pi/2} \int_0^a \sqrt{a^2 - r^2} |r| dr d\theta = \int_0^{\pi/2} d\theta \int_0^a r \sqrt{a^2 - r^2} dr
0π/2dθ=π2\int_0^{\pi/2} d\theta = \frac{\pi}{2}
0ara2r2dr\int_0^a r \sqrt{a^2 - r^2} dr に対して t=a2r2t = a^2 - r^2 と置換すると、dt=2rdrdt = -2r dr, rdr=12dtrdr = -\frac{1}{2} dtr=0r=0 のとき t=a2t=a^2, r=ar=a のとき t=0t=0
0ara2r2dr=a20t(12)dt=120a2tdt=12[23t3/2]0a2=13(a2)3/2=13a3\int_0^a r \sqrt{a^2 - r^2} dr = \int_{a^2}^0 \sqrt{t} (-\frac{1}{2}) dt = \frac{1}{2} \int_0^{a^2} \sqrt{t} dt = \frac{1}{2} [\frac{2}{3} t^{3/2}]_0^{a^2} = \frac{1}{3} (a^2)^{3/2} = \frac{1}{3} a^3
よって、Da2x2y2dxdy=π2a33=πa36\iint_D \sqrt{a^2 - x^2 - y^2} dxdy = \frac{\pi}{2} \cdot \frac{a^3}{3} = \frac{\pi a^3}{6}.
**(5) Dxydxdy\iint_D xy dxdy, D={(x,y);x2a2+y2b21}(a>0,b>0)D = \{(x,y); \frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} \le 1\} \quad (a>0,b>0)**
* 変数変換: x=arcosθx = ar\cos\theta, y=brsinθy = br\sin\theta。このとき、x2a2+y2b2=r2\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = r^2
* ヤコビアン: (x,y)(r,θ)=xrxθyryθ=acosθarsinθbsinθbrcosθ=abrcos2θ+abrsin2θ=abr\frac{\partial(x,y)}{\partial(r,\theta)} = \begin{vmatrix} \frac{\partial x}{\partial r} & \frac{\partial x}{\partial \theta} \\ \frac{\partial y}{\partial r} & \frac{\partial y}{\partial \theta} \end{vmatrix} = \begin{vmatrix} a\cos\theta & -ar\sin\theta \\ b\sin\theta & br\cos\theta \end{vmatrix} = abr\cos^2\theta + abr\sin^2\theta = abr.
* 積分範囲: 0r10 \le r \le 1, 0θ2π0 \le \theta \le 2\pi
* 積分計算:
Dxydxdy=02π01(arcosθ)(brsinθ)abrdrdθ=a2b202π01r2cosθsinθdrdθ=a2b202πcosθsinθdθ01r3dr=a2b2[sin2θ2]02π[r44]01=a2b2(0)(14)=0\iint_D xy dxdy = \int_0^{2\pi} \int_0^1 (ar\cos\theta)(br\sin\theta) |abr| dr d\theta = a^2b^2 \int_0^{2\pi} \int_0^1 r^2 \cos\theta \sin\theta dr d\theta = a^2b^2 \int_0^{2\pi} \cos\theta \sin\theta d\theta \int_0^1 r^3 dr = a^2b^2 [\frac{\sin^2\theta}{2}]_0^{2\pi} [\frac{r^4}{4}]_0^1 = a^2b^2 (0)(\frac{1}{4}) = 0.

3. 最終的な答え

(1) 748\frac{7}{48}
(2) 49\frac{4}{9}
(3) π2\frac{\pi}{2}
(4) πa36\frac{\pi a^3}{6}
(5) 00

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